垂直平行中深孔回采在張馬屯鐵礦的應(yīng)用

郭 峰

(濟(jì)南鋼城礦業(yè)有限公司)

垂直平行中深孔回采在張馬屯鐵礦的應(yīng)用

郭 峰

(濟(jì)南鋼城礦業(yè)有限公司)

濟(jì)南張馬屯鐵礦使用淺孔留礦采礦法開采，雖然有效消除爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響，但在采準(zhǔn)施工及回采過程中無法保證施工人員的人身安全。為提高施工作業(yè)的安全性，并且控制爆破振動(dòng)對(duì)居民的影響，采用垂直平行中深孔布置方式，可靈活控制每次爆破的裝藥量，方便在回采效率與爆破振動(dòng)之間找到平衡點(diǎn)，并且施工安全性高。通過實(shí)際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。

垂直平行中深孔 近地表開采 爆破振動(dòng)

張馬屯鐵礦始建于1966年，1977年投產(chǎn)。以礦床北西向F1斷層為界，分為西礦體和東礦體，西礦體(Ⅰ#礦體)勘探提交儲(chǔ)量2 098萬t，開采至今已近40 a，當(dāng)前保有儲(chǔ)量約400萬t。2010年由于增產(chǎn)需要，對(duì)Ⅱ#礦體進(jìn)行開拓施工，并于2012年完成基建投產(chǎn)。Ⅱ#礦體分布于4～-1勘探線閃長(zhǎng)巖與灰?guī)r接觸帶內(nèi)，礦體呈透鏡狀，長(zhǎng)460 m，傾斜延伸100～230 m，賦存標(biāo)高為-40～-320 m(地面標(biāo)高+30 m)，厚20～44 m，平均為24.7 m；走向NE41°，傾向NW，傾角為40°～60°，上緩下陡，保有儲(chǔ)量為334萬t。Ⅱ#礦體的開采水平在-80～-200 m，距離地表較近，且地表四周已經(jīng)形成一定規(guī)模的居民區(qū)，雖然沿用主礦體的扇形中深孔爆破回采所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生破壞[1-2]，但爆破產(chǎn)生的地震波會(huì)使居民樓產(chǎn)生振動(dòng)，影響居民生活，給正常生產(chǎn)帶來不利影響。因此，必須降低回采爆破振動(dòng)[3]。

1 原采礦方法

Ⅱ#礦體采用淺孔留礦法回采，下行式順序開采嗣后全尾砂膠結(jié)充填處理采空區(qū)，自上而下共分為-80,-120,-160,-200 m 4個(gè)階段水平，-80～-120 m水平增設(shè)-100 m水平用于增強(qiáng)通風(fēng)、行人、出礦。-80～-160 m礦房主要垂直礦體走向布置，-160～-200 m礦房主要沿礦體走向布置。礦房段高40 m，寬12 m，分一步、二步礦房：一步礦房回采、充填完成后，待充填體強(qiáng)度達(dá)到施工要求后再回采二步礦房，不留間柱。在礦房上、下盤分別布置人行通風(fēng)天井，天井內(nèi)垂直間隔5 m布置人行聯(lián)絡(luò)道用于人員進(jìn)出及礦房?jī)?nèi)通風(fēng)，留5 m頂柱。主要采切工程包括人行通風(fēng)天井、充填天井、上下盤沿脈巷、穿脈巷以及底部鏟運(yùn)機(jī)出礦巷等。

先在開采水平由下盤運(yùn)輸巷道施工穿脈巷道，再進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸巷、底部出礦巷及塹溝巷的掘進(jìn)，底部每隔8 m設(shè)置一條出礦巷道。在塹溝巷內(nèi)兩側(cè)均以50°傾角向上落礦施工至礦房邊界處，形成底部受礦塹溝；塹溝形成后，正式回采，保持好頂板與留礦堆的高度，向上層層落礦，加強(qiáng)頂板情況觀察，確保落礦期間的安全。Ⅱ#礦體原采準(zhǔn)布置見圖1。

圖1 Ⅱ#礦體原采準(zhǔn)布置

2 存在的問題

淺孔留礦法經(jīng)過近2 a的使用，發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工中存在一些問題：

(1)礦房人行天井在施工時(shí)底部會(huì)保留一些碎碴石，能夠在發(fā)生施工人員墜井事故時(shí)起到緩沖作用，降低傷害程度。但測(cè)量技術(shù)人員不方便測(cè)量設(shè)備的安裝定點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制而造成人行天井傾斜度出現(xiàn)偏差。

(2)40 m高的人行天井施工超過20 m,鑿巖爆破后炮煙排出困難，如不及時(shí)通過輔助手段加強(qiáng)通風(fēng)，很容易造成后續(xù)鑿巖施工人員炮煙中毒。

(3)人行天井施工難度大，成本高，天井?dāng)嗝孑^小，后期為方便施工人員安全進(jìn)出礦房，在每個(gè)聯(lián)絡(luò)道口處還要再安裝平臺(tái)，使人行天井的通風(fēng)能力進(jìn)一步下降，不利于礦房?jī)?nèi)的通風(fēng)。

可見，使用淺孔留礦法雖然可有效解決爆破振動(dòng)問題，但施工人員在作業(yè)時(shí)存在較多的危險(xiǎn)因素，不利于生產(chǎn)安全。

3 采礦工藝優(yōu)化

3.1 礦房布置及構(gòu)成要素

礦房與淺孔留礦法布置相同，為垂直礦體走向，底部結(jié)構(gòu)不變，頂部根據(jù)開采情況決定是否預(yù)留頂柱。 階段高40 m，礦體高不足40 m時(shí)，階段高度為礦體高度；每10 m設(shè)一個(gè)分段水平；沿礦體走向布置時(shí)礦房長(zhǎng)不宜超過30 m；垂直走向布置時(shí)礦房寬6 m；需要預(yù)留頂柱時(shí)，頂柱厚5 m。

3.2 采切工程

在各分段水平的礦體下盤布置沿脈運(yùn)輸巷，用于設(shè)備調(diào)運(yùn)、人員進(jìn)出、礦房通風(fēng)。在礦房出礦水平沿礦房布置受礦塹溝巷，垂直塹溝巷每隔10 m布置鏟運(yùn)機(jī)裝礦巷，相鄰礦房的塹溝巷作為出礦巷使用。各分段水平先施工拉底平巷，然后按照設(shè)計(jì)尺寸拉底至礦房邊界，拉底高度為2.5 m。在各水平礦房端部布置2 m×2 m切割天井，橫向布置切割炮孔。在各水平拉底空?qǐng)鰞?nèi)以一定網(wǎng)度施工垂直平行回采炮孔。優(yōu)化后礦房采切布置見圖2。

圖2 優(yōu)化后采切工程布置

3.3 礦房回采

根據(jù)切割井布置在上盤，回采順序?yàn)樽陨媳P向下盤后退式回采。沿礦房高度，自上而下分段回采爆破。具體回采步驟如下：

(1)自上而下對(duì)各分段水平的切割拉槽炮孔進(jìn)行裝藥爆破，形成切割槽并嚴(yán)格控制爆破藥量，減小爆破振動(dòng)。

(2)切割槽形成后，自上而下對(duì)回采炮孔進(jìn)行裝藥爆破。根據(jù)爆破振動(dòng)的實(shí)際情況，每次爆破控制在4～6個(gè)炮孔。上下分段的爆破進(jìn)度要進(jìn)行合理控制，盡量不要出現(xiàn)因下分段過早爆破造成上分段抽底，或下分段爆破不及時(shí)造成上分段爆堆堵孔，影響正常裝藥爆破。

(3)礦房底部使用塹溝結(jié)構(gòu)出礦，因此底部為扇形炮孔。扇形孔孔深加大且單排分次爆破不便操作，為不使爆破振動(dòng)過大，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)及爆破順序。

3.4 爆破方法優(yōu)化

垂直扇形中深孔回采方法被廣泛使用，其具有施工人員作業(yè)安全性高及礦房回采效率高的特點(diǎn)，但爆破振動(dòng)較大[4]。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)爆破振動(dòng)安全允許距離計(jì)算公式：

(1)

式中，R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，齊發(fā)爆破最大藥量不會(huì)超過200 kg，取200 kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，一般地面民用建筑所允許的最大振動(dòng)速度為2 cm/s；K、a為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，井下礦巖普氏硬度系數(shù)f為8，屬堅(jiān)硬巖石，取K=150、a=1.5。

計(jì)算得出R=104 m，而Ⅱ#礦體最高開采水平的裝藥點(diǎn)與地表垂直距離為120 m，與建筑物的斜距大于150 m，因此，在Ⅱ#礦體使用扇形中深孔回采，其爆破振動(dòng)對(duì)地面建筑物的影響是符合規(guī)定的，但仍需要降低振動(dòng)。

垂直扇形孔落礦單次回采爆破作業(yè)至少裝藥1排，藥量近200 kg，即使使用一個(gè)炮孔一個(gè)段別的微差分段爆破，也不會(huì)顯著降低爆破振動(dòng)，影響爆破振動(dòng)最主要的因素是總裝藥量。如果為降低爆破振動(dòng)，減少炸藥用量而對(duì)單排扇形孔分多次進(jìn)行爆破則會(huì)嚴(yán)重破壞臨近炮孔。于是采用垂直平行中深孔代替扇形中深孔[5]，垂直平行孔單孔裝藥量計(jì)算公式為

Q=(πd2ΔL)/4 ，

(2)

式中，Δ為裝藥密度，1 g/cm3；d為炮孔直徑，5.5 cm；L為裝藥長(zhǎng)度，600 cm。

計(jì)算得出單孔裝藥量Q=14.25 kg。但還需要考慮盡可能提高回采效率，再根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)地表的震感強(qiáng)弱來調(diào)整每次爆破炮孔的數(shù)量，最終使爆破振動(dòng)對(duì)居民的影響與回采效率之間達(dá)到平衡。

回采爆破相關(guān)參數(shù)：

(1)炮孔直徑。炮孔直徑越小則裝藥量越小，越有利于降低爆破振動(dòng)。結(jié)合實(shí)際情況，井下現(xiàn)有設(shè)備可施工的最小孔徑為55 mm。

(2)炮孔深度。分段水平高10 m，拉底高度為2.5 m，預(yù)留0.5 m，則孔深為7 m。

(3)最小抵抗線。

按公式計(jì)算：

(3)

式中,d為炮孔直徑，55 mm；Δ為裝藥密度，g/cm3；η為深孔裝藥系數(shù)，炮孔裝藥后對(duì)孔口填堵1～1.5 m，裝藥系數(shù)取0.85；m為炮孔密集系數(shù)，m=a/W，平行深孔為0.8～1.1,取1；q為單位炸藥消耗量，1.1 kg/m3。

計(jì)算得出W=136 cm。

按最小抵抗線和孔徑的比值選取，對(duì)于堅(jiān)硬巖石，則

W=(23～30)d.

(4)

計(jì)算得出W=126.5～165 cm。

根據(jù)礦山類似資料選取，孔徑為50～60 mm，則最小抵抗線W=1.4～1.7 m。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，確定最小抵抗線W=1.4 m。由此布孔網(wǎng)度確定為1.4 m×1.4 m。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)井下實(shí)際情況，在各方面都符合要求的Ⅱ#礦體1204礦房上部應(yīng)用了垂直平行中深孔回采方法。拉底空間形成后，空?qǐng)鰞?nèi)頂板整體情況良好，無大面積片幫、塌落，后續(xù)中深孔鑿巖施工不存在較大安全問題；由于孔徑小、拉底空?qǐng)龃?，鑿巖進(jìn)度及通風(fēng)環(huán)境要比主礦體好。存在的主要問題是拉底空?qǐng)龅装迤秸葘?duì)施工垂直孔的精度影響較大，頻繁挪動(dòng)鉆機(jī)大大增加了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可引進(jìn)適用設(shè)備。

2013年12月16日，對(duì)礦房切割孔的前兩排實(shí)施了裝藥爆破?？偣惭b藥6個(gè)炮孔，使用炸藥100 kg，每孔對(duì)應(yīng)放置1～6段的毫秒導(dǎo)爆管雷管，小區(qū)1#樓1單元內(nèi)對(duì)井下爆破無明顯震感。2013年12月18日，共裝藥6個(gè)炮孔，使用炸藥65 kg，每孔對(duì)應(yīng)放置1～6段毫秒導(dǎo)爆管雷管，小區(qū)1#樓2單元內(nèi)基本感覺不到振動(dòng)。后續(xù)在礦房爆破作業(yè)多次，每次裝藥量均控制在100 kg以內(nèi)，且每孔一個(gè)段別，地面居民樓內(nèi)基本都無明顯震感，而且每次爆破的落礦量在400 t左右，超過了淺孔留礦法的回采效率。

5 結(jié) 語

隨著城市的不斷發(fā)展，礦區(qū)地面生活圈逐漸形成，附近居民區(qū)、商城等越來越多，雖然垂直平行孔爆破回采方法增加了采礦成本，但在保證施工安全及降低爆破振動(dòng)方面效果明顯，同時(shí)也提高了回采效果，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，該方法值得在要求爆破振動(dòng)較低的礦山推廣應(yīng)用。

[1] 曾 晟,楊仕教,譚凱旋,等.爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑穩(wěn)定性影響試驗(yàn)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(2):176-179.

[2] 羅厚金,方俊波.青島膠州灣海底隧道陸域段近距下穿地表建筑物爆破震動(dòng)控制技術(shù)[J].隧道建設(shè),2011,31(3):375-380.

[3] 劉治峰,張戈平,王炳恒.深孔爆破振動(dòng)測(cè)試分析與降振措施[J].爆破,2010,27(1):107-110.

[4] 劉金鵬.采場(chǎng)中深孔爆破技術(shù)試驗(yàn)研究[J].世界采礦快報(bào),1999,15(8):29-31.

[5] 王懷佳.分段充填采礦法垂直平行孔落礦技術(shù)探討與實(shí)踐[J].山東冶金,2009,31(5):64-66.

2014-12-02)

郭 峰(1981—)，男，工程師，250101 山東省濟(jì)南市歷城區(qū)礦源路9號(hào)。