井下特大規(guī)模爆破研究與實(shí)踐*

歐任澤,宋嘉棟,曾慧明,張宗生

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司,湖南郴州市 423037)

井下特大規(guī)模爆破研究與實(shí)踐*

歐任澤1,宋嘉棟1,曾慧明2,張宗生2

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司,湖南郴州市 423037)

柿竹園多金屬礦床經(jīng)過(guò)多年開采后,井下存在大量的采空區(qū)與礦柱群。采用大規(guī)模爆破實(shí)施一次性同步回采礦柱與空區(qū)處理。介紹了爆破方案,總結(jié)了特大規(guī)模爆破實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),為類似工程提供了成功范例。

特大規(guī)模爆破;爆破方案;礦柱回采;空區(qū)處理

1 工程概況

柿竹園多金屬礦床存在大量的采空區(qū)與礦柱群,采用大規(guī)模爆破方式進(jìn)行礦柱回采協(xié)同處理采空區(qū)。礦柱回采從采區(qū)西北角開始,呈北東向斜線向東南方向推進(jìn)。自2006年,采區(qū)西北角成功實(shí)施“天窗大爆破”形成泄壓天窗后,基本進(jìn)入了正常的礦柱回采和空區(qū)處理。至2009年底,1盤區(qū)K1-1、K1-2、K1-3、K1-4,2盤區(qū)K2-1、K2-2、K2-3和3盤區(qū)K3-1等采場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的頂板礦體及其之間的間柱已全部回采,采空區(qū)被崩落礦石和圍巖充填。

如繼續(xù)按照原計(jì)劃的采礦順序推進(jìn),下一步的礦柱回采范圍大致為:沿西北角大空?qǐng)鲞吔缇€,呈北東向斜線向東南方向推進(jìn)一個(gè)礦房和一個(gè)間柱。但由于3盤區(qū)的K3-4、K3-5之間的房間礦柱已被抽采,形成暴露面積約3500m2、體積約30萬(wàn)m3的連續(xù)大空區(qū);4盤區(qū)的K4-3、K4-4之間的房間礦柱已被抽采,形成暴露面積約3500m2,體積25萬(wàn)m3的連續(xù)大空區(qū)。大空?qǐng)鰠^(qū)域周圍的P3、P4礦柱有明顯的破壞,并在不斷加劇。K3-4、K3-5、K4-3、K4-4大空?qǐng)龊臀鞅苯谴罂請(qǐng)鲋g的K3-2、K3-3礦柱猶如“千斤頂”,承受的壓力越來(lái)越大,破壞程度越來(lái)越高(見圖1)。

由于礦柱與采空區(qū)特殊的位置關(guān)系,如對(duì)K2-4、K3-2等礦柱進(jìn)行大規(guī)模爆破回采,勢(shì)必對(duì)鄰近的大空區(qū)造成更嚴(yán)重的破壞,給后續(xù)的礦柱回收留下安全隱患。因此,需對(duì)大空區(qū)周圍和西北角之間礦體:K2-4、K3-2、K3-3、K3-4、K3-5、K4-1、K4-2、K4-3、K4-4頂柱及其相鄰盤間柱、房間柱558～603 m分段的礦體進(jìn)行整體研究,確定下一步爆破回采范圍及回采順序。

圖1 礦柱、空區(qū)位置關(guān)系

爆破回采區(qū)域位于原315m×313m范圍的東北部,爆區(qū)主要為矽卡巖,夾有花崗巖,屬難爆類型。地表為馬鞍形陡峭山谷,東高西低,傾向西北,山坡角35°～42°,植被茂盛,主要為灌木林和小樹林。距爆區(qū)中心700m內(nèi),未見礦山工業(yè)廠房及居民住房,只有少量臨時(shí)工棚和簡(jiǎn)易公路。山下有東坡甘港河和柿竹園至多金屬采場(chǎng)的公路。井下已形成380,490,514,536,558,586,610,620,630m等分段工程。爆區(qū)周圍100m內(nèi)無(wú)主要固定設(shè)施設(shè)備。

2 爆破方案

2.1 爆破方案選擇

爆破的目的主要是回采礦柱和處理采空區(qū)。根據(jù)爆區(qū)各礦柱和空區(qū)的具體情況、相互關(guān)系,以及公司科學(xué)的施工組織管理水平,爆破方案主要有3種。

方案一:將整個(gè)爆破區(qū)域分4～5步驟實(shí)施。首先爆破崩落K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱;然后爆破回采K2-4頂板和房間礦柱礦體;再爆破崩落K3-4、K3-5頂板和盤間、房間礦柱礦體;最后爆破崩落4盤區(qū)的K4-3、K4-4以及K4-2、K4-1頂板和盤間、房間礦柱礦體(見圖2)。

圖2 爆破方案一

該方案每次爆破的炸藥用量為200～300t,施工組織較為簡(jiǎn)單。但當(dāng)K3-1、K3-2或K2-4區(qū)域爆破后,爆破振動(dòng)的破壞以及地壓的轉(zhuǎn)移,將導(dǎo)致K3-4、K3-5大空?qǐng)鰠^(qū)域周圍礦柱受到嚴(yán)重的破壞,特別是鄰近大空區(qū)段的P3、P4段礦柱,分別布置有33#、34#和39#鑿巖天井控制頂板礦體。該段礦柱一旦垮塌,將導(dǎo)致K3-4、K3-5大空?qǐng)龅捻敯宓V體無(wú)法回收。

方案二:將整個(gè)爆破區(qū)域分4步驟實(shí)施。首先爆破崩落K3-4、K3-5和K4-3、K4-4兩處大空區(qū)頂板及其盤間礦柱礦體;之后爆破回采K2-4頂板和房間礦柱礦體;再爆破崩落K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱礦體;最后爆破回采K4-1、K4-2頂板和盤間、房間礦柱礦體(見圖3)。

圖3 爆破方案二

該方案每次爆破的炸藥用量為200～300t,施工組織較為簡(jiǎn)單。方案先處理了兩處大空區(qū)及礦柱破壞相對(duì)較嚴(yán)重的區(qū)域,大空區(qū)頂板及其相鄰礦柱爆破后形成了連續(xù)的大空?qǐng)?使得大空區(qū)和西北角大空?qǐng)鲋g的K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱猶如“千斤頂”,壓力越來(lái)越大,破壞程度越來(lái)越高。最終可能導(dǎo)致K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱區(qū)域無(wú)法進(jìn)入,此區(qū)域礦體將無(wú)法安全經(jīng)濟(jì)地回收。

方案三:將整個(gè)爆破區(qū)域分2步驟進(jìn)行(見圖4)。第Ⅰ步驟爆破回采區(qū),包括:K3-4、K3-5、K4-3、K4-4(西半部分)兩個(gè)連續(xù)大空?qǐng)龅姆秶跋鄳?yīng)的房間和盤間礦柱,K2-4頂柱礦體及相應(yīng)的房間和盤間礦柱,K3-2、K3-3礦塊相應(yīng)的房間和盤間礦柱3部分。一次爆破崩落礦石,處理采空區(qū),避免了因某一處爆破對(duì)其他區(qū)域造成的影響,技術(shù)可靠。但一次爆破裝藥量大,初步估算為800～850t,施工組織管理困難。第Ⅱ步驟爆破回采區(qū)包括:K4-1、K4-2頂柱,K4-3、K4-4礦塊(東半部分),P4盤間礦柱和C2、C3房間礦柱,總礦量約108.7萬(wàn)t,一次爆破裝藥量約400～450t。

圖4 爆破方案三

綜上所述,方案一和方案二,將整個(gè)爆破區(qū)域分4～5次實(shí)施,每次爆破的炸藥用量控制在200～300 t。公司已多次組織實(shí)施了此規(guī)模的爆破,在技術(shù)和施工組織上積累了一些經(jīng)驗(yàn)。但無(wú)論先爆破哪個(gè)位置,大規(guī)模爆破振動(dòng)的破壞作用以及爆破后地壓的轉(zhuǎn)移,將對(duì)其他區(qū)域礦柱產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,為后續(xù)的礦柱回采留下重大的安全隱患。方案三,通過(guò)精心設(shè)計(jì)和科學(xué)、嚴(yán)密的施工組織管理,可以確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成裝藥、連線工作,按時(shí)施爆。一次爆破崩落礦石,處理采空區(qū),將避免因某一處爆破而對(duì)其他區(qū)域造成的安全隱患,技術(shù)可靠。綜合上述分析,方案三優(yōu)點(diǎn)突出,因此推薦采用方案三。

2.2 爆破方案

(1)Ⅰ步驟爆破回采區(qū),主要包括3個(gè)部分。第1部分:K3-4、K3-5、K4-3、K4-4(西半部分)兩個(gè)連續(xù)大空區(qū)的范圍,K3-4礦塊570～610m礦體,K3-5礦塊586～610m礦體及K3-4/5相應(yīng)房間柱;K4-3、K4-4礦塊558～603m分段西半部分礦體;C4(P3～P4)東半段及P4盤間柱K4-4礦塊和C4所對(duì)應(yīng)的礦體。第2部分:K2-4頂柱礦段及P2盤間柱的回采,558～603m分段P3盤間柱(K2-4～K2-3),558～603m分段2盤區(qū)及3盤區(qū)西半部分C4房間柱回采。第3部分:K3-2、K3-3礦塊;P3盤間柱C3以北部分礦體,P4盤間柱K3-3礦塊對(duì)應(yīng)區(qū)域;3盤區(qū)C3房間柱及C4房間柱西半部分礦體。

(2)Ⅱ步驟爆破回采區(qū):558～603m分段29#、30#鑿巖天井控制的K4-1礦塊及41#、42#鑿巖天井控制的K4-2礦塊;40#鑿巖天井、加40#鑿巖天井控制的K4-3、K4-4礦塊558～603m東半部分礦體;P4盤間柱K4-1、K4-2礦塊及C2、C3對(duì)應(yīng)的區(qū)域;4盤區(qū)C2、C3房間柱。

各鑿巖天井所控制頂板礦體采用QZJ-100B潛孔鉆鑿水平扇形孔以采空區(qū)為自由面爆破,房間、盤間礦柱回采采用YGZ-90鉆上向扇形孔以采空區(qū)和切割槽為自由面爆破。水平孔、上向扇形孔各爆破區(qū)域相對(duì)獨(dú)立,均以各自的自由面爆破(見圖5、圖6)。

圖5 爆破方案平面

3 爆破設(shè)計(jì)與施工

(1)井巷工程主要有鑿巖平巷、鑿巖天井及其硐室、切割槽、切割平巷、切割井以及措施井、措施巷。

(2)根據(jù)礦山實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及爆破漏斗試驗(yàn),炸藥單耗q=0.42～0.45kg/t。采用YGZ-90鉆機(jī)施工上向扇形炮孔,直徑d=60mm,抵抗線(排距)W=1.2m,炮孔最大孔底距a=2.0～2.6m,孔深8～15m。采用QZJ-100B型潛孔鉆機(jī)施工水平炮孔,直徑d=110mm,抵抗線W=2.0～2.2m,炮孔最大孔底距a=3.2～3.5m,孔深15～40m。

圖6 爆破方案剖面

(3)炮孔總量:304972m。其中:Φ60mm鉆孔186248m;Φ110mm鉆孔118724m。

(4)Ⅰ步驟爆破回采區(qū),爆破設(shè)計(jì)炸藥總消耗量821291kg,雷管19045發(fā),崩礦量188.6萬(wàn)t;Ⅱ步驟爆破回采區(qū),爆破設(shè)計(jì)炸藥總消耗量465506 kg,雷管9273發(fā),崩礦量108.7萬(wàn)t。

(5)水平扇形孔,按照每排炮孔一段雷管的原則,從下往上依次爆破,采用澳瑞凱雙雷管,孔內(nèi)全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索;上向扇形中深孔,558～603各分段,下分段超前上分段1～2段爆破,即上下分段微差間隔時(shí)間為25～50ms。采用導(dǎo)爆索-導(dǎo)爆管微差雷管復(fù)式起爆系統(tǒng)?？字谢蚩椎讍卫坠堋GZ-90鉆炮孔前排及靠近切割槽的前后兩排孔內(nèi)需全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索起爆。

(6)爆破危害控制。井下大規(guī)模爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)主要有:爆破震動(dòng)、爆破空氣沖擊波、爆破有毒氣體。

為降低爆破震動(dòng)影響,合理地分布了各段別雷管炸藥量,盡量減少同段起爆藥量。采用爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式計(jì)算驗(yàn)證爆破附近各建筑物質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,重要建筑物及工程均為安全。

井下爆破空氣沖擊波超壓計(jì)算結(jié)果表明:爆破的空氣沖擊波超壓均會(huì)對(duì)爆破區(qū)100m范圍內(nèi)的工程及設(shè)施造成一定危害。設(shè)計(jì)在主要巷道建阻波墻、采空區(qū)預(yù)留緩沖墊層等措施控制,減小爆破空氣沖擊波超壓,保護(hù)敏感設(shè)備設(shè)施。

爆破后井下加強(qiáng)通風(fēng),在出礦運(yùn)輸巷及出礦穿,根據(jù)需要安裝局扇,對(duì)空區(qū)強(qiáng)制吹風(fēng),使有毒氣體低于安全規(guī)程規(guī)定的最大允許濃度,在井下巷道空氣質(zhì)量檢驗(yàn)合格后,方可進(jìn)行工作。

(7)在爆破工程施工過(guò)程中,針對(duì)爆區(qū)周圍進(jìn)行了大量地壓控制技術(shù)工作,建立了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)等礦山地壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng),確保了項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的安全可靠。

(8)在充分總結(jié)以往大規(guī)模爆破成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)爆破施工組織進(jìn)行了更嚴(yán)謹(jǐn)、更細(xì)致、更周密的設(shè)計(jì)和安排。兩次爆破分別在6d和3d內(nèi)完成裝藥、聯(lián)線作業(yè),順利實(shí)施爆破。

4 爆破效果與體會(huì)

爆后檢查,爆區(qū)無(wú)拒爆現(xiàn)象,爆破崩落礦石塊度好,大塊率低,成功處理了該區(qū)域空區(qū)存在的安全隱患。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,爆破后30min內(nèi),有大量的事件數(shù),30min后則事件數(shù)急劇下降,爆區(qū)周邊范圍趨于穩(wěn)定。爆破地震效應(yīng)檢測(cè)結(jié)果表明,各重要建筑物及工程附近振速均小于允許最低標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。此次特大規(guī)模爆破實(shí)踐的體會(huì)如下:

(1)大規(guī)模爆破一次性同步進(jìn)行礦柱回采與空區(qū)處理的回采區(qū),各爆區(qū)為獨(dú)立的回采單元,爆破抵抗線方向各異,崩落礦石相互擠壓、碰撞破碎,各爆區(qū)形成的爆破空氣沖擊波、爆破震動(dòng)波相互抵消衰減;

(2)爆破方案、施工組織應(yīng)精心設(shè)計(jì)、周密的部署,并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行,防止安全事故;

(3)爆破采用的技術(shù)合理、有效、綜合成本較低、效果顯著,可在類似工程中推廣使用。

[1]袁節(jié)平,宋嘉棟,歐任澤.地下中深孔大規(guī)模爆破的研究與實(shí)踐[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008,28(1):76-80.

[2]曹華鋒.分層礦柱回采及天井采礦的爆破工程實(shí)踐[J].采礦技術(shù),2010,10(1):77-78.

[3]長(zhǎng)沙礦山研究院.國(guó)家十一五科技攻關(guān)項(xiàng)目專題“特大空區(qū)環(huán)境下安全開采技術(shù)研究”報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院,2010.

[4]長(zhǎng)沙礦山研究院.柿竹園多“多金屬礦床連續(xù)開采方案研究”報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院,2003.

[5]杜邦公司.Blisters’Handbook1[M].USA,1983.

[6]李愛兵,李庶林,陳際經(jīng),等.柿竹園多金屬礦床開采地壓研究[A].第八屆全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[7]《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2006BAB02B05).

2012-03-22)

歐任澤(1982-),男,湖南郴州人,工程師,主要從事采礦工藝和爆破技術(shù)研究、設(shè)計(jì)工作。