一次成井技術(shù)在大新錳礦溜井施工的應(yīng)用

段志偉，梁桂龍，覃親喜，肖體群，黃福寧，徐金榮，陳 艷

(1.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西 崇左 532315； 2.廣西錫山礦業(yè)有限公司大新分公司，廣西 崇左 532315； 3.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530028)

0 前 言

溜井、切割井和天井作為地下礦山采切工程里必不可少的一部分，占了1/3左右的采切工程量[1]，其掘進(jìn)質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)礦塊的開(kāi)采技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[2-4]。目前，礦山采用常規(guī)的施工方法(如正掘法、人工小斷面反掘正向刷大法、爬罐法、吊罐法)施工天井、切割井和溜井會(huì)存在作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣且危險(xiǎn)、掘井效率低等問(wèn)題[5-7]。為了解決常規(guī)掘進(jìn)法施工天井、切割井和溜井存在的問(wèn)題，深孔爆破一次成井技術(shù)逐步受到眾多業(yè)內(nèi)研究學(xué)者和工程技術(shù)人員的關(guān)注。雖然一次成井技術(shù)存在炮孔易堵塞、成井深度受限、補(bǔ)償空間不足等問(wèn)題，但是，與普通掘進(jìn)法相比，一次成井技術(shù)具有高效、安全等明顯優(yōu)勢(shì)。為了不斷優(yōu)化一次成井技術(shù)，提高一次成井技術(shù)的適用性，業(yè)內(nèi)研究學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員做了諸多研究工作。

于長(zhǎng)軍等[8]針對(duì)人工掘進(jìn)切割天井成本高、不安全的問(wèn)題，根據(jù)鎮(zhèn)沅金礦的賦存條件及采礦方法進(jìn)行一次成井技術(shù)方案設(shè)計(jì)，工程實(shí)踐表明一次成井技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了該礦安全高效的回采，還帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。金開(kāi)玥[9]通過(guò)采用7空孔掏槽方式創(chuàng)造自由面，分段裝藥進(jìn)行微差爆破，在錦豐金礦成功實(shí)現(xiàn)了切割井一次成井的效果，工程實(shí)踐表明該方案在安全和成本方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。李廷春等[10]為增強(qiáng)掏槽爆破效果，分析了炮孔封堵物的作用機(jī)理及封堵長(zhǎng)度對(duì)爆破效果的影響，并從動(dòng)量定理入手推導(dǎo)出了上端、中間和下端封堵長(zhǎng)度上、下限的計(jì)算公式，實(shí)際應(yīng)用效果較好。陳國(guó)輝等[11]根據(jù)礦山實(shí)際的爆破條件，設(shè)計(jì)了爆破參數(shù)、起爆順序等，與普通法相比，成本和時(shí)間分別節(jié)約30.7%和58.3%。

目前，大新錳礦傾斜-急傾斜中厚礦體主要采用分段鑿巖階段礦房法回采，采用反井鉆機(jī)法施工天井、錨桿懸吊平臺(tái)法掘進(jìn)長(zhǎng)溜井及切割井。為提高溜井、切割井的安全性和施工效率，借鑒國(guó)內(nèi)礦山一次成井技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，以38#采場(chǎng)出礦溜井為對(duì)象，開(kāi)展一次成井技術(shù)試驗(yàn)工作，為大新錳礦掘進(jìn)溜井和切割井提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

大新錳礦為沉積型錳礦床，主要為碳酸錳礦石，礦體呈層狀，由3層礦體和2層夾層組成，層位穩(wěn)定，自下而上分別為Ⅰ礦層、夾一、Ⅱ礦層、夾二、Ⅲ礦層，由于夾二較薄，Ⅱ礦層和Ⅲ礦層統(tǒng)稱為Ⅱ-Ⅲ礦層[12]。38#采場(chǎng)出礦溜井周邊的巖石性質(zhì)為硅質(zhì)灰?guī)r，巖體結(jié)構(gòu)以層狀和薄層狀結(jié)構(gòu)為主，層理分明，有較軟巖石或軟弱夾層，礦巖的褶皺、斷裂及裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差[13]。礦巖松散系數(shù)均為1.5，自然安息角為55°，巖石密度2.7 t/m3，f系數(shù)為8～12。工程地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，巖石可爆性良好。38#采場(chǎng)部分工程剖面示意見(jiàn)圖1。

1.38#穿脈巷道；2.下部鑿巖硐室；3.運(yùn)輸巷道；4.設(shè)計(jì)溜井；5.采場(chǎng)鑿巖道；6.礦層

2 實(shí)施方案

爆破成井技術(shù)一般分為分段爆破成井技術(shù)和一次爆破成井技術(shù)，因一次爆破成井技術(shù)現(xiàn)階段的理論依據(jù)仍不充分，相關(guān)的爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等多以個(gè)人經(jīng)驗(yàn)為主，故本次試驗(yàn)借鑒國(guó)內(nèi)一次成井技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用分段爆破成井技術(shù)。一般先在溜井下部施工3～4 m高的硐室作為首次爆破補(bǔ)償空間，然后在溜井上部(或下部)硐室用深孔鉆機(jī)自上而下(或自下而上)施工爆破孔，采用分段裝藥微差控制爆破逐步形成溜井，爆破后的碎巖通過(guò)立爪式耙渣機(jī)裝車(chē)運(yùn)走。

2.1 鑿巖

38#采場(chǎng)出礦溜井(規(guī)格：長(zhǎng)2.5 m，寬2.5 m，深13 m)的上口布置在礦房鑿巖道附近，下口聯(lián)通到38#穿脈巷道。先采用YT-28型手持式鉆機(jī)在溜井下部施工一個(gè)寬3.5 m，深4.0 m，高3.0 m的硐室作為深孔鑿巖硐室，也是第一次分段爆破時(shí)的補(bǔ)償空間及后續(xù)FZC2.3/1.2-4型振動(dòng)放礦機(jī)安裝硐室。然后在鑿巖硐室內(nèi)架設(shè)改造過(guò)的KQJ-100B型潛孔鉆機(jī)，自下而上施工炮孔，炮孔直徑為130 mm，設(shè)計(jì)9個(gè)炮孔，分別為中心孔1個(gè)，掏槽補(bǔ)償孔4個(gè)，周邊孔4個(gè)(見(jiàn)圖2)。因受斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造及鉆工操作技水平不熟練等因素的影響，炮孔偏斜較大，為確保溜井一次成井的成功，增加3個(gè)炮孔，共計(jì)施工12個(gè)炮孔，總深約156 m(見(jiàn)圖3)。

2.2 爆破

2.2.1 爆破器材

炸藥選用散裝巖石膨化硝銨炸藥(采用BQ-100型風(fēng)動(dòng)裝藥器裝藥)，涌(滲)水的炮孔選用7節(jié)2#巖石乳化炸藥捆扎成一捆進(jìn)行人工裝藥?？變?nèi)全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索選用半秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆，起爆網(wǎng)路選用毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆。

2.2.2 裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔采用耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，由上往下裝藥，每次爆破孔底堵塞1.0 m，孔口堵塞1.0 m，裝藥長(zhǎng)度根據(jù)分段高度調(diào)整，一般裝藥高度2.0 m，裝藥結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

2.2.3 裝藥流程

1)每次裝藥前，先清理炮孔周邊的碎石及雜物，用 50 mm塑料管逐個(gè)疏通炮孔，再用測(cè)繩對(duì)裝藥炮孔的深度逐個(gè)測(cè)量。

2)用14#鐵絲將提前制作好的混凝土吊盤(pán)(100 mm)下放至孔底，然后鐵絲固定在上部孔口的竹竿(木棍)上。

3)用巖粉(石砂)充填各炮孔并及時(shí)測(cè)量，確保各炮孔底部填塞高度基本在同一水平面。

4)孔底填塞完成后進(jìn)行裝藥，整個(gè)裝藥長(zhǎng)度內(nèi)敷設(shè)導(dǎo)爆索，裝藥時(shí)，也需要用測(cè)繩測(cè)量，以使所有裝藥炮孔的裝藥高度在同一水平面(見(jiàn)圖5)。

圖5 炮孔深度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

5)裝藥完畢后填裝巖粉(石砂)進(jìn)行封孔，堵塞高度1.0～1.2 m。

6)按設(shè)計(jì)的起爆網(wǎng)路連線。

2.2.4 起爆方法和爆破網(wǎng)路

采用導(dǎo)爆索孔內(nèi)起爆，各炮孔間采用半秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆。起爆網(wǎng)路為非電導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)路：在起爆點(diǎn)使用脈沖起爆器，脈沖沿專用線纜傳向?qū)П?，引爆?dǎo)爆管雷管，進(jìn)而引爆導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索引爆孔內(nèi)炸藥。

2.3 一次成井爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

溜井高13 m，分3次爆破成型，第1分段高度4.0 m，第2分段高度4.0 m，第3分段高度5.0 m，每次裝藥炮孔8個(gè)，補(bǔ)償空孔4個(gè)。38#采場(chǎng)出礦溜井一次成井爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 38#采場(chǎng)溜井一次成井爆破參數(shù)

2.4 施工技術(shù)要求

1)嚴(yán)格控制鉆孔施工質(zhì)量，確保各鉆孔平行、均勻分布，偏斜較小。

2)每次爆破前測(cè)孔要準(zhǔn)確，裝藥過(guò)程中要及時(shí)測(cè)量，確保所有炮孔的填塞高度、裝藥高度在一個(gè)水平面。

3)溜井上口及炮孔周邊的浮石及巖渣要及時(shí)清理干凈，以免爆破后炮孔堵塞。

4)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)分段裝填炸藥，布設(shè)好炮孔雷管和導(dǎo)爆索，設(shè)置好雷管起爆間隔時(shí)間，確保起爆順序。

5)炮孔發(fā)生堵塞時(shí)，必須及時(shí)清理、徹底疏通，給裝藥創(chuàng)造條件。

3 一次成井法與其他方法對(duì)比

結(jié)合礦山現(xiàn)有的溜井施工技術(shù)，從適用高度、前期工程、安全性、施工速度和每米直接成本這5個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，一次成井技術(shù)相較于錨桿懸吊平臺(tái)法，克服了人工鑿巖施工難度大且不安全的缺點(diǎn)，具有作業(yè)環(huán)境安全性高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。相較于反井鉆機(jī)法施工的前期準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)且鉆機(jī)搬運(yùn)困難，具有施工工序簡(jiǎn)單、作業(yè)環(huán)境限制小的優(yōu)點(diǎn)。但是，一次成井施工在鉆孔質(zhì)量、爆破工藝和施工成本等方面有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

表2 溜井掘進(jìn)三種施工方法對(duì)比

4 問(wèn)題及解決措施

1)炮孔偏斜大，影響爆破效果。潛孔鉆機(jī)施工質(zhì)量受到設(shè)備精度、巖層性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造及操作水平等影響，易造成鉆孔偏斜大，孔間距增大，影響爆破效果和井巷成型。解決措施：①溜井盡可能地布置在地質(zhì)條件好的區(qū)域；②鉆機(jī)操作人員應(yīng)選擇熟練且技藝高超的工人，嚴(yán)格按照操作規(guī)程和工藝流程施工；③做好鉆機(jī)日常維護(hù)保養(yǎng)，保障其性能，并選擇精度高、性能穩(wěn)定的深孔鉆機(jī)，保障施工質(zhì)量。

2)分段爆破炮孔易堵塞、清孔困難。每次爆破后，炮孔都有不同程度的堵塞，特別是第2次爆破易造成部分炮孔堵塞嚴(yán)實(shí)，清空困難，增加作業(yè)難度，影響工效。解決措施：①爆破前，組織人員把溜井上口周邊的碎石及雜物清理干凈，防止雜物落入孔內(nèi)使炮孔堵塞；②適當(dāng)降低孔底填塞高度、減少裝藥量，減輕孔口的反沖；③堵塞后使用小口徑鉆機(jī)投孔或高壓水沖孔等。

3)炮孔內(nèi)積水，增加裝藥難度。因存在巖層裂隙水，炮孔底部填塞后，易造成炮孔內(nèi)積水，無(wú)法使用巖石膨化硝銨炸藥。解決措施：采用7節(jié)卷裝乳化炸藥( 32 mm，300 g)綁扎成寬100 mm、長(zhǎng)35 mm的藥包代替散裝巖石膨化硝銨炸藥，人工裝藥。

4)炸藥單耗大，爆破成本高。為保證爆破效果，此次試驗(yàn)借鑒金鼎礦體一次成井技術(shù)的爆破參數(shù)，爆破實(shí)際炸藥單耗為3.64 kg/m3，為采切正常掘進(jìn)單耗的1倍，爆破費(fèi)用高。解決措施：結(jié)合礦巖性質(zhì)，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)和工藝(如掏槽方式、鉆孔直徑、炮孔孔間距、分段高度、起爆方式等)，降低炸藥單耗，控制施工成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)本次采用一次成井技術(shù)施工溜井，形成了斷面為2.5 m× 2.5 m，深度為13 m的溜井，達(dá)到預(yù)期的效果。表明采用深孔爆破一次成井技術(shù)代替普通法掘進(jìn)天(溜)井是切實(shí)可行的。

2)一次成井技術(shù)施工，人員在預(yù)設(shè)的巷道或者硐室內(nèi)作業(yè)，安全可靠；一次成井技術(shù)與傳統(tǒng)錨桿懸吊平臺(tái)法的施工費(fèi)用相差不大，大大低于反井鉆機(jī)法，具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

3)一次成井技術(shù)掘進(jìn)天(溜)井受到操作水平、鉆孔設(shè)備、爆破工藝、掘進(jìn)高度等的影響，易造成鉆孔偏斜大、成型效果差，但對(duì)于大新錳礦現(xiàn)有的設(shè)備及施工水平，在20 m以內(nèi)的天井、溜井、切割井施工具有廣泛的應(yīng)用空間。

4)一次成井技術(shù)的關(guān)鍵在于鉆孔設(shè)備、爆破技術(shù)參數(shù)和工藝的不斷優(yōu)化，采用機(jī)械化程度高、精確度高、鉆速快的設(shè)備，不同地質(zhì)條件下的合理分段高度和爆破工藝將是大新錳礦需要繼續(xù)研究和改進(jìn)的方向。