中深孔爆破一次成井技術(shù)在沙溪銅礦的應(yīng)用*

胡洪文，史秀志，周樹光，茍永剛，陳剛，張世安，闞忠輝，李林軍

(1.安徽銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司，安徽 合肥 231500；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

天井在礦山的生產(chǎn)過程中用途十分廣泛，提升、通風(fēng)、人行、溜礦、充填和切割都少不了天井，掘進(jìn)一條天井所需要的工程量約占礦山年度掘進(jìn)總工程量的五分之一以上[1]，因此如何安全高效掘進(jìn)天井一直是礦山研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

目前天井掘進(jìn)的主要方法有傳統(tǒng)天井掘進(jìn)法、鉆井法和爆破法。對(duì)于傳統(tǒng)天井掘進(jìn)法，無論是普通法、吊罐法或爬罐法，施工時(shí)人員均需要站在環(huán)境惡劣的井筒內(nèi)部，并且成本較高、效率較低；在施工作業(yè)時(shí)，工人的安全性不高。鉆井法在礦山的應(yīng)用，使諸多不利因素得到較好的改善，改善了施工環(huán)境，提高了安全性。但是該方法的鉆井機(jī)械本身尚不完備，因此鉆井法的應(yīng)用受到一定限制。深孔爆破一次成井的成本是機(jī)械鉆井法的30%，是普通法的40%，而成井效率卻是機(jī)械鉆井法的128%，是傳統(tǒng)法的141%[2?3]。目前爆破一次成井技術(shù)得到了越來越多礦山的廣泛應(yīng)用[4?6]。

以沙溪銅礦?530 m 水平FZ106 和?705 m 水平T308 兩個(gè)采場的底部塹溝切割井為例，對(duì)爆破設(shè)計(jì)方案及施工流程進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

安徽銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司沙溪銅礦區(qū)在長江鐵、銅成礦帶的中段北緣地帶，地處長江中下游，滁(州)—廬(江)巖漿構(gòu)造帶的中南部，在礦區(qū)東北段有菖蒲山—盛橋復(fù)式背斜。該區(qū)域的工業(yè)銅礦體賦存標(biāo)高為51.38～?1056.41 m，最小埋深為3.40 m，最大埋深為1090.91 m，主要賦存在石英閃長斑巖體內(nèi)，總體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，伴生有用組分主要為金、銀、硫，少量伴生鉬等[7]。

沙溪銅礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為330 萬t/年，目前采用大直徑深孔落礦嗣后充填采礦法開采，采場設(shè)計(jì)長為80 m，寬為30 m，階段高為60 m，底部采用塹溝底部結(jié)構(gòu)，塹溝巷道設(shè)計(jì)規(guī)格為3.8 m×3.5 m。塹溝切割天井設(shè)計(jì)高度一般為12 m，斷面規(guī)格為2 m×2 m。塹溝切割井原采用普通法進(jìn)行施工，效率低下、安全風(fēng)險(xiǎn)高，因此，開展中深孔一次成井研究是很有必要的。

1.1 掏槽方式設(shè)計(jì)

目前直孔掏槽法常用的掏槽方式有九孔掏槽、單螺旋掏槽、對(duì)稱菱形掏槽、筒形掏槽等[8]，以上布置方式均需要較多空孔且多采用小直徑掏槽炮孔布置，掏槽孔越密，穿孔的幾率越大，對(duì)鑿巖的要求越高。從直孔掏槽的機(jī)理來看，如果采用逐個(gè)起爆的炮孔起爆方式，無論炮孔如何排列，只要有合理的炮孔間距，且在容許的破巖體積范圍以內(nèi)，理論上天井爆破都是可以實(shí)現(xiàn)的，這就意味著可以采用減少空孔數(shù)量的大空孔方式。因此，根據(jù)工程類比以及沙溪銅礦現(xiàn)場實(shí)際情況，初步擬定2 個(gè)布孔方案，如圖1 所示。

圖1 炮孔布孔方案

1.2 炮孔孔徑設(shè)計(jì)

在選擇炮孔孔徑時(shí)，往往需要綜合考慮理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)際，例如礦山設(shè)備情況、設(shè)備打孔的速度如何、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)是否能達(dá)到預(yù)期等，綜合考慮后將掏槽孔確定為Φ105 mm，其他裝藥孔炮孔孔徑確定以Φ76 mm 為主。由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，裝藥孔與空孔之間存在著巖石破碎角，因此空孔直徑必須比裝藥孔的直徑大才對(duì)巖石破碎有利，并在爆破后形成一個(gè)破碎漏斗。空孔的孔徑由式（1）確定，經(jīng)過計(jì)算得出空孔與裝藥孔的直徑存在一定的比值關(guān)系，前者與后者的比值不小于1.7。結(jié)合實(shí)際得出大孔徑爆破時(shí)提供的補(bǔ)償空間大，容易破碎巖石，故選擇空孔孔徑為Φ140 mm。

式中，D，d分別為空孔和裝藥孔直徑；α表示巖石爆破破碎角，直孔掏槽時(shí)要求2α≥30°。

1.3 補(bǔ)償空間設(shè)計(jì)

補(bǔ)償空間可以分成2 種，爆破時(shí)由空孔為首響的炮孔破碎巖石提供一定的空間，這種補(bǔ)償空間稱為初始補(bǔ)償空間；另一種為巖體補(bǔ)償空間，這個(gè)為所有巖石爆破提供的空間一般由天井爆破中的下部巷道提供。補(bǔ)償空間的計(jì)算公式如式（2）所示。巖石的碎脹系數(shù)一般為1.25～1.5，設(shè)計(jì)補(bǔ)償系數(shù)需要大于巖石的碎脹系數(shù)。

1.4 主掏槽孔與空孔間距設(shè)計(jì)

在確定了空孔和裝藥孔的孔徑之后，兩孔的孔間距成為影響掏槽的重要參數(shù)。巖石的夾制力隨炮孔間距的增大而增大，這樣會(huì)導(dǎo)致巖石破碎角變小，補(bǔ)償空間也隨之變小，空孔的作用受到了限制，當(dāng)距離超過一定極限之后，爆破的破碎巖體可能會(huì)直接“擠死”。距離太小時(shí)容易串孔，也會(huì)直接影響爆破效果。根據(jù)掏槽爆破補(bǔ)償空間理論可得L：

式中，K為巖石碎脹系數(shù)；L為掏槽孔與空孔之間的距離。經(jīng)計(jì)算得：L=0.46～0.83 m。

1.5 其他炮孔位置設(shè)計(jì)

炮孔依據(jù)位置和作用的不同，將其用不同的名稱區(qū)別，在“爆破一次成井”中炮孔可分為掏槽孔、輔助孔和周邊孔。炮孔中留有一至多個(gè)不裝藥的空孔為爆破提供補(bǔ)償空間；輔助孔在爆破掏槽時(shí)起輔助作用；天井爆破的形狀由周邊孔控制。

各個(gè)炮孔在爆破中起的作用以及孔位布置要嚴(yán)格按照要求確定，為保證掏槽成功，在確定掏槽孔時(shí)，必須嚴(yán)格參照“補(bǔ)償空間法”布置。掏槽爆破成功會(huì)提供自由面，并且隨著爆破的作用，自由面進(jìn)一步加大，后續(xù)的輔助孔、周邊孔爆破可以利用的自由面也越來越多。掏槽孔的爆破也會(huì)影響周邊孔的孔距，因?yàn)橹话囱a(bǔ)償空間法計(jì)算補(bǔ)償空間，所需要的自由面對(duì)應(yīng)的最大孔距比天井的斷面尺寸還要大，在這種情況下面臨的是在設(shè)計(jì)中本應(yīng)該破碎的巖體在實(shí)際中能否破碎的問題。所以為了保證巖石完全破碎，在確定周邊孔時(shí)要考慮好炸藥單耗，確定其爆破過程中達(dá)到破碎的要求。

1.6 延期時(shí)間設(shè)計(jì)

由于在爆破過程中面臨的情況比較復(fù)雜，目前掏槽爆破延期時(shí)間的計(jì)算很難準(zhǔn)確描述，因此，在實(shí)際操作中，更多采用以往實(shí)踐成功的經(jīng)驗(yàn)和案列類比來確定。隨著研究的深入，巖石破碎有了更多的成果，在此期間對(duì)孔間延期時(shí)間的分析有了更進(jìn)一步的發(fā)展。

空孔掏槽爆破經(jīng)過巖石破碎、巖石巖碴拋擲、巖石碎碴軸向排棄這3 個(gè)階段形成槽腔。基于自由面的利用順序，各種孔的爆破順序嚴(yán)格按照一定的順序起爆，空孔由于不裝藥，提供的自由面比較多，掏槽爆破時(shí)以這個(gè)空間將巖塊拋離原巖，當(dāng)巖塊與原巖分離至一定空間后會(huì)形成一個(gè)更大的自由面，此時(shí)輔助孔才會(huì)起爆，而周邊孔的起爆則更后，在相鄰輔助孔將巖石拋離原巖以后，周邊孔會(huì)借助平行方向上形成的一個(gè)比較充分的自由面，當(dāng)此自由面比較充分的時(shí)候，爆破的周邊眼會(huì)形成一個(gè)比較好的光面效果。產(chǎn)生新自由面、碎巖完全脫離、巖碴排出槽腔，這3 個(gè)過程所耗費(fèi)時(shí)間的總和剛好就是合理的延期時(shí)間，具體如下式所示：

式中，T為有空孔掏槽爆破合理微差時(shí)間；t1為破碎槽腔內(nèi)巖石所耗費(fèi)的時(shí)間；t2為巖石碎碴拋向空孔并充滿槽腔的時(shí)間；爆破后，槽腔內(nèi)的剩余氣體仍舊存在氣體壓力，在氣體壓力的作用下巖石擠壓膨脹形成一個(gè)爆腔，t3為爆腔形成過程中所耗費(fèi)的時(shí)間；w為最小抵抗線，取0.8 m；Cp為巖石縱波速度，5729 m/s；Cf為裂隙擴(kuò)展平均速度，Cf=0.38Cp；Bw為裂隙擴(kuò)展發(fā)育的寬度，8～10 mm；Lf為裂隙擴(kuò)展后延伸的距離，Lf=1.4w；Vcp為巖石拋擲過程的速度，取20 m/s；Y為破碎后巖體朝自由面移動(dòng)的距離，距離空孔較遠(yuǎn)的周邊孔和輔助孔的Y為最小抵抗線距離，即Y=w，而對(duì)于空孔附近的掏槽孔Y即一次爆高，取12 m；Vf為破碎巖石的平均飛行速度，155～137 m/s。

由式（4）計(jì)算可得，掏槽孔各段之間延期時(shí)間不小于89 ms，才能保證掏槽孔爆破槽腔的形成。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

最終按照前一節(jié)設(shè)計(jì)的方案在沙溪銅礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，其中方案一在?530 m 水平FZ106 底部塹溝采場進(jìn)行試驗(yàn)，方案二在?705 m 水平T308 采場的底部塹溝進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 現(xiàn)場施工

所有炮孔均采用T100 高氣壓環(huán)形潛孔鉆機(jī)進(jìn)行施工。打孔時(shí)，先用Φ105 mm 鉆頭對(duì)掏槽孔進(jìn)行施工，待掏槽孔施工到位后以掏槽孔為定位孔對(duì)周邊的空孔施工，Φ140 mm 空孔由Φ105 mm 鉆孔經(jīng)一次擴(kuò)孔而成?？湛资┕さ轿缓?，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)輔助孔和周邊孔施工。炮孔施工過程中須保證質(zhì)量，將炮孔的偏斜率控制在1%范圍內(nèi)，以避免串孔，當(dāng)出現(xiàn)誤差時(shí)要及時(shí)根據(jù)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。方案一所有炮孔深度為12.5 m，方案二所有炮孔深度為11.5 m。

爆破現(xiàn)場采用裝藥器裝藥，裝藥器與高壓風(fēng)管連接，借助高壓風(fēng)流，將炸藥吹入炮孔，本文采用的炸藥為多孔粒狀銨油炸藥，導(dǎo)爆索與導(dǎo)爆管雷管組成非電復(fù)式起爆網(wǎng)路，采用起爆彈起爆，所有炮孔全長鋪設(shè)導(dǎo)爆索，炮孔裝藥完畢后用炮泥堵塞好。依據(jù)“抵抗線最小者先起爆”的原則，起爆順序采用掏槽孔率先起爆，然后起爆輔助孔，周邊孔最后起爆的起爆順序。

2.2 爆破效果

2 次現(xiàn)場試驗(yàn)后對(duì)爆破效果進(jìn)行觀察以及三維探測發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)方案均能得到良好的效果，成井深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成井直徑為1.9～2 m，井壁規(guī)整（見圖2），且爆破塊度均勻，大塊率低，表明沙溪銅礦兩種切割天井的炮孔布置參數(shù)與爆破設(shè)計(jì)是合理的，能夠達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)。

圖2 爆破一次成井效果

3 結(jié)論

從沙溪銅礦底部塹溝切割天井的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：在成井高度較高時(shí)，采用雙區(qū)掏槽較為可靠；在成井高度較低時(shí)，單區(qū)掏槽也能取得良好的爆破效果，且可以減少鑿巖成本。該技術(shù)可以為將來國內(nèi)外施工類似天井提供技術(shù)支撐，可以在類似的溜井施工和天井掘進(jìn)中推廣應(yīng)用。