深部高巖爆下的磷礦卸壓爆破開采工藝*

徐明陽，張電吉，吝曼卿，楊敏，彭亞利，徐亮

(1.武漢工程大學(xué) 磷資源開發(fā)利用教育部工程研究中心， 湖北 武漢 430073；2.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司， 湖北 宜昌市 443799)

0 引言

巖爆是一種在高地應(yīng)力條件下，地下工程的擾動開挖使得積聚在巖體中的彈性能突然釋放而造成巖塊體脫落、崩出的一種地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。礦山地壓[3-5]產(chǎn)生的主體是賦存于礦山的巖體、巖石，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造對自身的力學(xué)性質(zhì)有著巨大影響，礦區(qū)應(yīng)力也受到高應(yīng)力環(huán)境褶皺區(qū)和斷層影響。隨著礦山的開采深度的加深，磷礦體所附存的應(yīng)力也越來越大[6]，而磷礦礦巖自身又是一種沉積型礦石，內(nèi)部存在眾多微裂隙[7-8]，導(dǎo)致磷礦礦體的自身完整性不夠好，當(dāng)受到采掘工程擾動時，時有巖爆發(fā)生，或強或弱。同時，在斷層、褶皺帶附近的區(qū)域，不僅僅是磷礦礦體，包括頂?shù)装鍙姸容^大的硅質(zhì)白云巖等也由于地質(zhì)構(gòu)造和自身完整性原因而發(fā)生巖爆現(xiàn)象[9]。

巖爆不僅影響采掘工作的進度和效率，采掘工作人員的人身安全及巷道、采場的設(shè)施設(shè)備也因此受到嚴(yán)重威脅。如何預(yù)防和減小巖爆帶來的危害，已成了當(dāng)前礦山開采領(lǐng)域熱門的研究課題[10-12]，找到與經(jīng)濟效益相適應(yīng)的安全預(yù)防舉措是當(dāng)前迫切需要解決的問題。在安全預(yù)防措施上，有許多專家學(xué)者做了大量研究[13]，主要是側(cè)重在借助外部支護方面，及時的支護能有效的預(yù)防采掘后的區(qū)域發(fā)生巖爆，但因為有一定的滯后性[14]，對采掘過程中突發(fā)的巖爆無法有效避免。而潛孔鉆卸壓爆破的工藝不僅可以降低采掘突發(fā)巖爆的破壞力，還在一定程度上利用了巖爆，在提高掘采作業(yè)安全性的同時，還可以減少采掘炸藥用量，節(jié)約成本。

1 工程概況及試驗區(qū)選擇

1.1 工程地質(zhì)概況

瓦屋礦區(qū) IV礦段礦體為沉積型磷礦巖，平均埋深586.18 m，礦層連續(xù)穩(wěn)定，呈緩傾斜向東南傾，傾角17°～25°。礦層直接頂板為0.5 m～2.5 m厚的硅質(zhì)白云巖,具有硬度高、性脆的特點。受斷層影響，節(jié)理發(fā)育，裂隙中多被方解石等雜質(zhì)充填。巷道掘進及回采的過程中巖爆頻繁，伴隨著整個生產(chǎn)過程。

由于巖爆具有突發(fā)性，工作面雖經(jīng)敲幫問頂，認(rèn)為不會掉落巖塊的位置依舊會突然發(fā)生巖爆，且?guī)r塊有時應(yīng)聲落下。伴隨著采空區(qū)面積的逐漸增大，巖爆飛渣、冒頂?shù)痊F(xiàn)象時有發(fā)生。

1.2 試驗區(qū)選取

選擇試驗地段應(yīng)遵循以下原則：

（1）具有代表性；

（2）符合礦山開采順序，不影響礦山開采；

（3）盡量利用現(xiàn)有工程、投資少、見效快。

最終選擇試驗地點在810采場區(qū)域，位于瓦屋礦區(qū)IV礦段西北部，F(xiàn)1斷層以東、F3斷層以西，處于兩個斷層的交叉口，且屬于高品位富礦區(qū)。因該區(qū)域受 F1斷層及采空區(qū)面積逐步增大的影響，地壓逐漸增大，巖爆現(xiàn)象尤為顯著。

該試采區(qū)地段在23勘探線與27勘探線之間，其走向長度550 m，大部分位于23勘探線以西，標(biāo)高為740 m～780 m（設(shè)計中段高），試驗區(qū)域是由四點圍成的多邊形，面積為68 559.61 m2。

2 潛孔鉆卸壓爆破試驗

2.1 工藝具體實施方案

主要設(shè)備為YT28氣腿式鑿巖機、KY100J型露天潛孔鉆機。采用KY100J型露天潛孔鉆在作業(yè)面頂板向下30 cm處施工卸壓眼，卸壓孔Φ80 mm，排距0.8 m～1.0 m，間距1.0 m，孔深9.5 m～11 m，鉆孔結(jié)束后進行耦合裝藥爆破，然后在作業(yè)面懸掛鋼絲防護網(wǎng)，再采用YT28氣腿式鑿巖機掘進鑿巖，依次組織生產(chǎn)。針對巖爆頻發(fā)、頂板破碎區(qū)域，則需要先對頂板采用錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護。

2.2 潛孔鉆卸壓爆破試驗

（1）負(fù)1#上山斜坡道765東60 m～69.5 m段卸壓試驗。布設(shè)3個平行頂眼（見圖1），炮孔直徑為Φ80 mm，孔距為0.875 m；1號、2號炮眼深度為11 m；3號炮眼深度為9.5 m時潛孔鉆已貫穿；卸壓孔爆破后采用淺孔鑿巖，與760中段斜坡道貫穿，掘進、排險等生產(chǎn)環(huán)節(jié)循環(huán)過程中未發(fā)生巖爆。

圖1 負(fù)1#上山765東潛孔鉆炮孔布置

（2）負(fù)1#上山斜坡道775西0～10 m段卸壓試驗。布設(shè)3個平行頂眼（見圖2），炮孔直徑為Φ80 mm，孔距為0.6 m；1號、2號、3號炮眼深度均為11 m；卸壓孔爆破后進行淺孔鉆回采，掘進回采過程中未發(fā)生巖爆。

圖2 負(fù)1#上山775西潛孔鉆炮孔布置

2.3 卸壓孔爆破后的采礦試驗

（1）負(fù)1#斜坡道780西9#礦柱潛孔鉆回采試驗。炮孔布置見圖3。炮孔直徑為Φ80 mm，孔距為1 m～1.5 m；1～3列炮眼深度為6 m，4～6列炮眼深度為7 m；一次裝藥192 kg，起爆雷管40發(fā)；崩落礦石約450 t；潛孔鉆掘進時未發(fā)生巖爆，當(dāng)日晚間裝藥時巖爆1次，飛渣約500 kg。

圖3 負(fù)1#上山780西9#礦柱潛孔鉆回采炮孔布置

（2）1#斜坡道780西17#礦柱潛孔鉆回采試驗。炮孔布置見圖4，炮孔直徑為Φ80 mm，孔距為1.2 m～1.8 m；1～3列炮眼深度分別為3 m、4 m、5 m，4～6列炮眼深度均為8 m；卸壓孔爆破后排險、出渣等生產(chǎn)環(huán)節(jié)循環(huán)過程中未發(fā)生巖爆。

圖4 1#上山780西17#礦柱潛孔鉆回采炮孔布置

2.4 工藝實施效果

自 2018年開始實施潛孔鉆卸壓爆破開采掘進工藝后，該礦區(qū)同期巖爆發(fā)生頻次見表1。

表1 巖爆發(fā)生頻次統(tǒng)計

由表1可見，在實施潛孔鉆卸壓爆破開采掘進工藝后，巖爆發(fā)生次數(shù)明顯減少，尤其是危害較大的巖爆拋擲現(xiàn)象在8個月之內(nèi)僅發(fā)生了3次，同比減少了94%，巖爆危害得到了有效控制。

潛孔鉆卸壓爆破之所以能取得如此良好的效果，其主要原因在于該工藝促進了巖爆防護的轉(zhuǎn)型與升級。該工藝將工程施工由被動受巖爆影響變?yōu)橹鲃有秹海瑥膸r爆發(fā)生的根源處著手，降低巖爆危害，由前期的支護、個體防護等一系列被動防護向主動降低和消除巖爆誘因轉(zhuǎn)變，不僅在一定程度上減緩了采掘過程中的突發(fā)巖爆現(xiàn)象，減小了巖爆的破壞力，而且將巖爆在一定程度上加以利用，利用巖體中所蘊藏的彈性能補充爆破所需要的部分能量，節(jié)省了部分炸藥開支。

3 結(jié)論

（1）通過試驗探索，證實了在深部高巖爆區(qū)采用潛孔鉆卸壓爆破掘采工藝的可行性和有效性，結(jié)合試驗效果來看，作業(yè)人員和設(shè)備的安全得到了有效保障，帶來了顯著的安全效益。

（2）結(jié)合該工藝，通過采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和回采順序的調(diào)整，將該區(qū)域受“孤島效應(yīng)”影響的 30多萬平方米不可采區(qū)域變成了可采采區(qū)，采礦量因此增加約150萬t，直接經(jīng)濟效益約4.5億元。