安徽李樓鐵礦天井施工中中深孔成井技術(shù)的應(yīng)用

陳鵬剛 龐明海

(五礦礦業(yè)(邯鄲)礦山工程有限公司)

李樓鐵礦位于霍邱鐵礦區(qū)中部，為大型隱伏變質(zhì)磁鐵礦床，地質(zhì)探明儲(chǔ)量為27 624萬(wàn)t，其中 Fe-Ⅰ#主礦體走向長(zhǎng)3.4 km，賦存標(biāo)高-52～-862 m，礦石礦物成分主要為鏡鐵礦，其次為磁鐵礦和赤鐵礦。一期設(shè)計(jì)采礦范圍在-500 m標(biāo)高以上，可采儲(chǔ)量1.81億t，地質(zhì)品位為34.05%，開(kāi)采規(guī)模為500萬(wàn)t/a。根據(jù)礦體賦存條件，主要采礦方法為分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，采?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為階段高100 m，分段25 m，寬20 m，長(zhǎng)為礦體水平厚度。首采礦段為-400～-300 m標(biāo)高礦體，-300 m水平為充填水平，-325，-350，-375 m水平為分段鑿巖水平，-400 m水平為出礦水平。

李樓鐵礦礦體傾角為68°～85°，平均厚度為48.2 m，礦體賦存于周集組第二巖性段，上盤(pán)圍巖巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、閃石云母白云石大理巖，下盤(pán)圍巖巖性為白云石大理巖、石英透閃白云石大理巖。礦區(qū)巖漿巖不發(fā)育，分布較廣，但圍巖節(jié)理、斷裂構(gòu)造較發(fā)育，分布極廣，圍巖穩(wěn)固性一般。回采采用鑿巖上向扇形中深孔爆破技術(shù)，回采初始爆破需要切割井提供最初自由面和補(bǔ)償空間，每年需要施工120條切割井及風(fēng)溜井。切井?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×3.5 m，風(fēng)井直徑3 m，溜井直徑4 m，平均高度 21 m，工程量為24 624 m3。采用普通法掘進(jìn)施工存在作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全性較差、工期較長(zhǎng)等不足，在不同程度上影響采礦銜接。為改善作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率，本研究采用中深孔爆破技術(shù)施工天井。

1 中深孔爆破技術(shù)

中深孔爆破成井工藝應(yīng)用較廣泛[1-5],李樓鐵礦具備了進(jìn)行大規(guī)模中深孔爆破成井施工的工程地質(zhì)條件。中深孔爆破成井的基本施工思路是沿井的全高程鑿若干個(gè)平行孔，而后根據(jù)井的高度分1次或若干次進(jìn)行爆破，從而形成設(shè)計(jì)的斷面和高度。中深孔爆破成井技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為工人無(wú)需進(jìn)入天井內(nèi)作業(yè)，作業(yè)環(huán)境顯著改善。目前，國(guó)內(nèi)礦山普遍采用以空孔為自由面的平行孔掏槽形式，將空孔以及下部平巷作為首響掏槽孔的自由面，為后響炮孔提供補(bǔ)償空間，借助掏槽孔擴(kuò)大補(bǔ)償空間，利用輔助孔和周邊孔完成掘井[6-8]。

2 鉆爆參數(shù)

2.1 鑿巖設(shè)備

中深孔爆破一次成井采用CS150D型潛孔鉆機(jī)，該型鉆機(jī)鉆孔直徑為138～165 m，炮孔深度0～100 m，21 m 天井炮孔的偏斜率小于2%，可以滿足平行掏槽孔的精度要求。根據(jù)礦山生產(chǎn)條件，炮孔孔徑確定為140 mm。

2.2 炮孔間距

2.2.1 掏槽孔間距

采用平行孔掏槽形式爆破成井，空孔為首響掏槽孔提供自由面，空孔越多、孔徑越大，爆破效果越好[9-10]。但考慮設(shè)備鑿巖效率和成本，一般情況下，7 m以下天井采用1個(gè)空孔，7～15 m天井采用雙空孔，15 m以上天井采用3個(gè)以上空孔。鑿巖時(shí)，鉆孔速度隨孔徑加大而下降，實(shí)際爆破時(shí)，每個(gè)炮孔的爆破影響面積較小，在一定范圍內(nèi)，成井總鉆孔數(shù)量不會(huì)隨孔徑增加而明顯減少。

第一時(shí)間起爆的掏槽孔與空孔應(yīng)選擇合適的間距，孔間距過(guò)小，鑿巖過(guò)程中出現(xiàn)穿孔的概率增大；孔間距過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致掏槽孔的藥量無(wú)法將掏槽孔與空孔之間巖石爆碎，或即便將巖石爆碎也無(wú)法將巖渣拋擲出，導(dǎo)致出現(xiàn)爆破巖渣“擠死”現(xiàn)象。第一時(shí)間起爆的掏槽孔與空孔間距的計(jì)算公式為

(1)

式中，L為第一時(shí)間起爆的裝藥孔與空孔間距，mm；D為空孔直徑，取140 mm；d為裝藥孔直徑，取 140 mm；n為補(bǔ)償系數(shù)，取1.7。

經(jīng)計(jì)算，L=261.4 mm。

第一時(shí)間起爆的裝藥孔與空孔間距的計(jì)算公式為

L′=(2～4)d+D/2 .

(2)

經(jīng)計(jì)算，L′=350～630 mm。

由于掏槽孔為大孔徑，鉆孔深度為21 m，孔間距過(guò)小，可能出現(xiàn)穿孔，故本研究L′=400 mm。

首響掏槽孔與每個(gè)空孔形成的槽腔空間相對(duì)較小，應(yīng)盡可能擴(kuò)大槽腔，增加4個(gè)擴(kuò)槽孔，4個(gè)擴(kuò)槽孔至空孔的間距L=750 mm。掏槽孔與2個(gè)空孔按桶形掏槽布置，掏槽孔與空孔均勻布置于半徑為300 mm的圓上。

2.2.2 周邊孔間距

掏槽孔破碎后，輔助孔爆破應(yīng)確保補(bǔ)償系數(shù)n>1.8，周邊孔間距為1 000～1 500 mm，中孔切割巷周邊孔至輔助孔的間距為1 500 mm。經(jīng)驗(yàn)算n=2.25～3.25，滿足補(bǔ)償系數(shù)要求。李樓鐵礦-325～-350 m 水平11#川風(fēng)井炮孔布置形式見(jiàn)圖1。

圖1 11#川風(fēng)井炮孔布置式

2.3 分段高度

當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)n<0.5時(shí)，分段高度宜取2～5 m；當(dāng)n=0.5～0.7時(shí)，分段高度取5～8 m；當(dāng)n>0.7時(shí)，分段高度宜取8～10 m。本研究11#川風(fēng)井爆破分3次進(jìn)行，第1分段高度5 m，第2分段高度6 m，第3分段破頂高度10 m。

2.4 裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽孔采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)(圖2)[11]，炸藥采用顆粒銨油炸藥(25 kg/袋)，自然倒藥裝藥密度為 15 kg/m，孔底堵塞長(zhǎng)度0.5 m，第1層裝藥高度 4 m，間隔1.0 m，采用沙子間隔，第2層裝藥高度 3 m，頂部沙子堵塞1.5 m。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)

2.5 炮孔填塞長(zhǎng)度

本研究設(shè)計(jì)11#川風(fēng)井試驗(yàn)深度為18.5 m?？椎锥氯捎娩摻z吊預(yù)制沙袋，用河沙填塞?？椎滋钊L(zhǎng)度為0.5 m，分段間隔填塞長(zhǎng)度為1 m，孔口填塞長(zhǎng)度為1.5 m。為確保槽腔內(nèi)形成槽腔和底部空區(qū)的氣壓差，加速拋渣，提供足夠的補(bǔ)償空間，在空孔孔口用沙子堵塞1.5 m。

2.6 起爆方法和順序

爆破采用非電起爆系統(tǒng)，為確保起爆可靠，每個(gè)炮孔內(nèi)每層裝藥長(zhǎng)度內(nèi)各置2發(fā)雷管，每發(fā)雷管均裝起爆彈[12]。顧及到補(bǔ)償空間問(wèn)題，宜首先爆破形成裂縫，為后續(xù)爆提供自由面。在同一分段內(nèi)首響掏槽孔與其他副掏槽孔之間的微差時(shí)間間隔為50 ms，副掏槽孔內(nèi)微差時(shí)間間隔為50 ms，輔助孔與副掏槽孔爆破的微差時(shí)間間隔為50 ms，輔助孔之間的微差時(shí)間間隔為50 ms，周邊孔與輔助孔的微差時(shí)間間隔為50 ms，周邊孔之間的微差時(shí)間間隔為50 ms，對(duì)于8 m高分段，須確保下分段爆出空腔內(nèi)的碎石下降4 m高度，上分段方可起爆。如果21 m 高天井分層3段一次爆破完成，上分段與下分段的微差時(shí)間間隔應(yīng)為500 ms。

3 效果評(píng)價(jià)

-325～-350 m水平11#川風(fēng)井分3次爆破，爆破基本達(dá)到了預(yù)期效果，天井?dāng)嗝婊疽?guī)整，所掘風(fēng)井滿足通風(fēng)要求(圖3)。

圖3 爆破后切割井效果

中深孔爆破成井技術(shù)相對(duì)于天井普通施工方法而言，優(yōu)勢(shì)在于：①作業(yè)安全，施工人員可在硐室內(nèi)或巷道內(nèi)工作，無(wú)需進(jìn)入天井內(nèi)施工，無(wú)需搭建平臺(tái)進(jìn)行高空作業(yè)，爆破施工點(diǎn)頂板、邊幫無(wú)浮石，作業(yè)點(diǎn)受炮煙影響較小；②工期短，爆破成井施工減少了高空平臺(tái)架設(shè)，鑿巖、爆破可以連續(xù)工作，有效作業(yè)時(shí)間得以延長(zhǎng)，1條井可以縮短工期將近7 d；③成本低，無(wú)需依靠外委隊(duì)伍施工，可以自行組織礦山技術(shù)人員施工，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度較低，每條天井施工可以節(jié)約外委費(fèi)用近6萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

為進(jìn)一步提升安徽李樓鐵礦切割井施工效率，提出采用中深孔爆破工藝進(jìn)行切割井施工的技術(shù)方案，并詳細(xì)討論了爆破施工技術(shù)參數(shù)，成效顯著,對(duì)于類似礦山天井施工也有一定的參考價(jià)值。