一次爆破成井技術(shù)在自然崩落法聚礦槽施工中的應(yīng)用

黃華桃，何 翔，劉龍瓊，肖柏林

(1.云南金誠(chéng)信礦業(yè)管理有限公司，昆明 650217； 2.紫金(長(zhǎng)沙)工程技術(shù)有限公司，長(zhǎng)沙 410000； 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

自然崩落法是成本低、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一種大規(guī)模采礦方法[1]。該方法通過(guò)人工拉底后，上部礦石失去支撐，在誘導(dǎo)應(yīng)力和重力作用下，發(fā)生持續(xù)崩落并不斷向上擴(kuò)展，直至覆巖崩落，形成地表塌陷。自然崩落法在美國(guó)、智利、南非、加拿大、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用[2]。然而，在我國(guó)應(yīng)用較少，前期在金川鎳礦、程潮鐵礦、齊大山鐵礦等開(kāi)展過(guò)試驗(yàn)研究[3]；目前僅在銅礦峪銅礦、普朗銅礦等少數(shù)的礦山較為成功應(yīng)用[4，5]。

自然崩落法回采中，聚礦槽是崩落法礦石放出的主要通道，更是自然崩落法連接落礦空間和出礦系統(tǒng)的關(guān)鍵性工程。根據(jù)自然崩落采礦法工藝特點(diǎn)，底部出礦的聚礦槽爆破成形質(zhì)量直接影響該采礦方法的成敗，而成型速度直接關(guān)系到采礦能否順利開(kāi)展。在聚礦槽形成過(guò)程中，傳統(tǒng)主要采用機(jī)械鉆進(jìn)天井為聚礦槽提供爆破自由面，機(jī)械鉆進(jìn)天井施工成本較高，作業(yè)場(chǎng)地條件要求高，對(duì)機(jī)械依賴性突出，缺點(diǎn)顯著[6-8]。在爆破過(guò)程中，還時(shí)常出現(xiàn)炮孔拒爆或是爆破不完全的“樓板”現(xiàn)象[9]。由于礦山機(jī)械設(shè)備的進(jìn)步，越來(lái)越多礦山使用中深孔分段爆破、鉆井法等較安全和高效的施工工藝[10-11]。我國(guó)已研制出多種天井鉆機(jī)，解決了整機(jī)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力匹配、智能行走、自動(dòng)鑿巖等核心技術(shù)問(wèn)題，并首先在煤礦實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用[12]。近年來(lái)，基于天井鉆機(jī)的盲豎井一次成井技術(shù)逐漸在金屬礦山中推廣應(yīng)用[13]。然而，由于各礦山工程地質(zhì)條件的差異性，對(duì)盲天井一次成井的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)仍需進(jìn)一步總結(jié)與推廣。特別是針對(duì)自然崩落法的礦山，其礦巖條件復(fù)雜，國(guó)內(nèi)目前還鮮有在聚礦槽盲天井一次爆破成井技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與報(bào)道。

借鑒于其他礦山使用天井鉆機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，普朗銅礦開(kāi)始探究采用盲天井一次爆破成井技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚礦槽爆破自由面的可行性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的試驗(yàn)，最終將該技術(shù)成功研發(fā)并在普朗銅礦全范圍應(yīng)用。為了豐富我國(guó)自然崩落法設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，本文主要對(duì)一次爆破成井技術(shù)在普朗銅礦聚礦槽施工中的應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)簡(jiǎn)介與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從而為我國(guó)采用自然崩落法的類(lèi)似礦山提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 普朗銅礦工程概況

1.1 地質(zhì)概況

普朗銅礦位于云南省香格里拉市，礦區(qū)處于普朗—紅山銅多金屬礦亞帶南緣，礦床的產(chǎn)出受熱液蝕變、運(yùn)移和沉淀的構(gòu)造空間綜合控制，地層主要為三疊系上統(tǒng)圖姆溝組、普朗復(fù)式中酸性斑巖體以及少量第四系地層。礦區(qū)內(nèi)地層巖性較單一，為塊狀巖類(lèi)，巖石硬度以堅(jiān)硬為主，局部破碎帶較發(fā)育，巖石較破碎，巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型以塊狀結(jié)構(gòu)為主。首采區(qū)域內(nèi)有五條斷層，巖體質(zhì)量主要為Ⅲ類(lèi)，礦體由137個(gè)鉆孔控制，礦體總長(zhǎng)2 240 m，垂直深度2.23～766.35 m，礦體南部寬450～700 m，中部寬80～260 m，北部寬300～400 m；礦體走向北西，傾向北東，傾角為35°～70°，總體約65°。礦石儲(chǔ)量為4.8×108t，礦體含銅為主，伴生金、銀、鉬等成分。

1.2 開(kāi)采概況

普朗銅礦采用自然崩落法進(jìn)行回采，采選規(guī)模為1 250萬(wàn)t/a，目前日處理礦石量約3.8萬(wàn)t，最大崩落高度370 m，平均崩落高度200 m，是我國(guó)年產(chǎn)量最大的地下礦山之一。前期首采富礦區(qū)域，選擇品位較高的1～4號(hào)勘探線位置作為初始拉底位置，采用前進(jìn)式拉底方式，拉底以菱形方式沿礦體走向垂直布置，并從中心向菱形的四個(gè)方向連續(xù)推進(jìn)。推進(jìn)以垂直中深孔的方式進(jìn)行爆破，拉底巷布置于相鄰出礦巷道(穿脈)的上方區(qū)域，拉底高度和巷道間距都為15 m。底部結(jié)構(gòu)按國(guó)外使用最多的分支鯡魚(yú)骨式布置，出礦穿脈沿礦體走向間距30 m垂直布置，出礦進(jìn)路間距15 m，出礦進(jìn)路與出礦穿脈55°相交。聚礦槽施工始終在拉底后的應(yīng)力釋放區(qū)內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)45°角原則，一般按照拉底推進(jìn)線至少超前聚礦槽掘進(jìn)30 m、超前生產(chǎn)作業(yè)面50～60 m進(jìn)行。在初期崩落時(shí)，大塊率偏高，容易卡斗形成懸頂，采用自帶鉆機(jī)、裝藥系統(tǒng)、起爆系統(tǒng)的懸頂處理臺(tái)車(chē)進(jìn)行處理。利用PC-BC軟件對(duì)普朗一期工程的放礦點(diǎn)進(jìn)行合理的布設(shè)，采用EDMS日常放礦管理軟件對(duì)日常生產(chǎn)提前進(jìn)行生產(chǎn)模擬，為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

2 盲天井一次爆破成井關(guān)鍵技術(shù)

普朗銅礦在聚礦槽的施工中掘進(jìn)盲天井以提供爆破自由面，為了提高作業(yè)效率和安全性，經(jīng)過(guò)數(shù)次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得了一套適用于普朗銅礦自然崩落法盲天井的一次爆破成井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 一次成井主要技術(shù)參數(shù)確定方法

2.1.1 穿孔孔徑

盲天井的打眼穿孔作業(yè)影響爆破效果，其中炮孔的直徑根據(jù)鉆機(jī)的型號(hào)確定。礦山在鉆機(jī)選型中，需結(jié)合實(shí)際的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、爆破裝藥量及其他相關(guān)設(shè)備或參數(shù)，綜合考慮后確定。普朗銅礦現(xiàn)有Simba1354電動(dòng)液壓鑿巖臺(tái)車(chē)，可鉆鑿孔徑為51～102 mm的炮孔；YGZ-90鉆機(jī)，可鉆鑿孔徑為56～90 mm的炮孔。實(shí)際盲天井的掘進(jìn)中按不同炮孔的作用類(lèi)別施工不同孔徑的炮孔。

2.1.2 盲天井?dāng)嗝娉叽缂案叨?/p>

天井的高度一般由分段高度決定，在實(shí)際爆破施工過(guò)程中，盲天井的高度等于或略小于最終天井的長(zhǎng)度。天井?dāng)嗝娉叽缬刹蓤?chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)、回采落礦能力、巖體力學(xué)性質(zhì)、可爆性指標(biāo)、所需補(bǔ)償空間等因素確定；通常而言，高度越大，所需天井?dāng)嗝娴某叽缫苍酱骩14-15]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，常見(jiàn)天井的斷面尺寸為4～6 m2，相應(yīng)的爆破補(bǔ)償系數(shù)約0.5～0.7，可實(shí)現(xiàn)4～8 m的成井高度。若補(bǔ)償系數(shù)在0.5以下，則建議成井高度不能大于4 m。此外，根據(jù)巖石硬度差異，在軟巖和中硬以上的巖石，一次爆破成井的高度分別可達(dá)10 m以上和10 m以下。普朗銅礦的盲天井?dāng)嗝娉叽鐬? m×2 m，聚礦槽的盲天井高度為17 m。

2.1.3 爆破補(bǔ)償空間

根據(jù)作用性質(zhì)與工藝的不同，爆破補(bǔ)償空間有兩種。第一種主要為天井鉆孔中的空孔，通常由一個(gè)大空孔和多個(gè)小孔組成，目的是為首響炮提供最初空間，接收初期碎石。第二種主要為拉底等巷道提供的爆破自由面，為后續(xù)爆破提供釋放空間。第一種空孔常位于天井?dāng)嗝嬷虚g，其直徑的確定需要由巖石的膨脹系數(shù)、首響炮體積等因素進(jìn)行估算，原則上孔徑越大，越有利于破巖效果。但仍需同時(shí)考慮鑿巖設(shè)備作業(yè)能力、操作技術(shù)水平、采掘成本等因素；一般而言，所需的孔徑越大，其鑿巖成本越高，鑿巖效率越低。普朗銅礦現(xiàn)場(chǎng)施工中，采用“大空孔+小空孔”的形式；大孔約1～2個(gè)，直徑為100～150 mm，小空孔布置于大孔周?chē)?，?shù)量3～5個(gè)，直徑為50～75 mm。

2.1.4 首響炮與炮孔間距

爆破是一次成井的關(guān)鍵技術(shù)，采用孔間微差爆破的方式。為保證槽腔內(nèi)巖石充分破碎，首響炮孔必須布置在裂隙圈內(nèi)[16]。實(shí)際中常使用補(bǔ)償空間理論對(duì)炮孔間距進(jìn)行計(jì)算，即補(bǔ)償空間需要滿足能夠容納爆破后的破碎礦巖破碎，由式(1)確定。

S預(yù)爆巖體K≤S補(bǔ)償空間+S預(yù)爆巖體

(1)

式中，S預(yù)爆巖體為預(yù)爆巖體的體積；S補(bǔ)償空間為空孔體積；K為巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)礦山巖石條件選取，普朗銅礦取值為1.69。

此外，有研究使用應(yīng)力波強(qiáng)度理論確定炮孔間距，該理論的核心思想是：爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在空孔中發(fā)生反射，對(duì)巖石產(chǎn)生拉應(yīng)力；同時(shí)，炮眼里的炸藥爆炸產(chǎn)生爆炸應(yīng)力；兩種應(yīng)力的破巖范圍要連續(xù)貫通[17]。

2.1.5 裝藥孔數(shù)

裝藥孔的數(shù)量需結(jié)合考慮天井的橫截面積、炸藥性質(zhì)、巖體物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)。基本規(guī)律是天井橫截面積越大、周?chē)鷰r石整體性和硬度高，設(shè)計(jì)的裝藥孔則越多；通過(guò)式(2)進(jìn)行估算。

(2)

式中，N為裝藥孔的總數(shù)；K為斷面系數(shù)，根據(jù)斷面尺寸選取見(jiàn)表1；g為單位體積礦巖的炸藥單耗，kg/m3；η為炮孔的裝藥系數(shù)，約0.6～0.8；r為線裝藥密度，kg/m。

表1 斷面系數(shù)選取表Table 1 Table of section coefficient selection

2.1.6 炮孔位置的確定

天井一次爆破的炮孔可根據(jù)具體作用分為掏槽孔、輔助孔和周邊孔三類(lèi)。其中掏槽孔起掏槽、提供初始爆破補(bǔ)償空間的作用，通常由1～2個(gè)大空孔和3～4個(gè)小空孔組成；輔助孔通常1～2個(gè)，起補(bǔ)助掏槽作用；周邊孔一般由4個(gè)小孔組成，分布在圓形或方形天井?dāng)嗝嫠闹?；在礦巖硬度系數(shù)較高情況下，可適當(dāng)增加周邊孔數(shù)目，以確保天井設(shè)計(jì)外形。

2.2 普朗銅礦一次成井爆破技術(shù)

2.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述理論分析及現(xiàn)場(chǎng)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得普朗銅礦盲天井一次爆破成井參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 普朗銅礦一次爆破成井主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of one-shot deep-hole blasting in Pulang copper mine

2.2.2 盲天井炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)

中深孔爆破有兩個(gè)重要的參數(shù)，一是補(bǔ)償空間，二是孔間微差爆破時(shí)間。普朗銅礦盲天井的炮孔布置設(shè)計(jì)如圖1所示。其中孔1為裝藥的掏心孔，孔徑為89 mm；孔2#～9#為裝藥的周邊控，孔徑為76 mm；K1～K12為空孔，孔徑為89 mm。

圖1 普朗銅礦盲天井一次爆破成井炮孔設(shè)計(jì)圖Fig.1 Blast hole design for the blind shaft one-shot blasting in Pulang copper mine

2.2.3 爆破參數(shù)

炮孔采用分段裝藥，每個(gè)孔裝藥長(zhǎng)度按照設(shè)計(jì)米數(shù)裝填，裝1發(fā)數(shù)碼雷管，兩發(fā)起爆彈(采用粒狀藥)，充填長(zhǎng)度0.3 m，反向孔底起爆。裝藥使用BQF-100裝藥器，采用黏性粒狀炸藥，爆速不低于2 800 m/s，起爆藥包采用50 mm或70 mm乳化炸藥，電子雷管延期時(shí)間控制在1 500 ms以內(nèi)。

炮孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)分上下兩層，如圖2所示。炮孔的下層孔底裝有起爆藥包(數(shù)碼雷管)，在粉狀炸藥裝至距離孔口7.5 m位置時(shí)敷設(shè)上層孔口起爆藥包(數(shù)碼雷管)，上層裝藥完成之后使用炮泥封堵300 mm；然后繼續(xù)裝下層孔底起爆藥包(數(shù)碼雷管)及黏性炸藥，至距離孔口1 m處敷設(shè)下層孔口起爆藥包(數(shù)碼雷管)，裝藥完成后堵塞炮孔，孔口不裝藥長(zhǎng)度約300 mm。

圖2 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Blast hole charging structure diagram

普朗銅礦切割天井高17 m，炮孔高度方向分為上下兩層分層起爆，先爆破下部8 m，后爆破上部9 m，如圖3所示。每一層孔口及孔底雙向起爆，孔間微差爆破。裝藥時(shí)上部與下部炸藥采用黃泥分開(kāi)，黃泥充填高度300 mm。起爆時(shí)先起爆下層1#孔，由近及遠(yuǎn)起爆2#～9#孔，然后再起爆上層1#～9#孔，逐級(jí)形成天井，各孔起爆延時(shí)見(jiàn)表3。

圖3 盲天井爆破順序示意圖Fig.3 Diagram of blind shaft blasting sequence

表3 普朗銅礦盲天井一次爆破成井的炮孔延期表Table 3 Blast delay table for blind shaft one-shot blasting in Pulang copper mine

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，盲天井一次爆破成井在普朗銅礦拉底爆破成功應(yīng)用，效果顯著?，F(xiàn)場(chǎng)選擇了4處地點(diǎn)(分別為3 720 m水平S8-S9-W1、N1-S1-E16聚礦槽，3 736 m水平S1N與N1S拉底穿脈西中間，N1N與N2S拉底穿脈西中間)進(jìn)行試驗(yàn)，均獲得了成功。目前普朗銅礦首采區(qū)礦量8 250萬(wàn)t，服務(wù)年限8 a，達(dá)產(chǎn)需要聚礦槽數(shù)量為10個(gè)。通過(guò)該技術(shù)的使用，每年增加聚礦槽50～60個(gè)，減少了人力和物力，節(jié)約了施工成本，提高了效率。經(jīng)與前期機(jī)械鉆進(jìn)天井進(jìn)行對(duì)比，施工工期縮短了70%、成本降低80%～90%。此外，盲天井一次爆破成井技術(shù)施工安全、工程質(zhì)量好，現(xiàn)場(chǎng)爆破后效果見(jiàn)圖4。在推廣應(yīng)用的1年中，一次成井合格率達(dá)100%，盲天井爆破施工中的工傷事故為0，該技術(shù)應(yīng)用從安全、時(shí)間、質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)等多方面均取得顯著效果。

圖4 盲天井一次爆破成井現(xiàn)場(chǎng)效果圖Fig.4 Practical appearance of the blind shaft completion by one-shot blasting

4 結(jié)論

1)一次爆破成井的主要技術(shù)參數(shù)與巖石性質(zhì)、設(shè)備能力、爆破參數(shù)、施工水平等因素緊密相關(guān)，需根據(jù)各個(gè)礦山具體情況進(jìn)行論證分析，并借鑒于類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終獲得符合礦山實(shí)際的一套一次爆破成井關(guān)鍵技術(shù)。

2)爆破是一次成井的關(guān)鍵，為保證槽腔內(nèi)巖石充分破碎，首響炮孔必須布置在裂隙圈內(nèi)，裝藥孔數(shù)的確定與天井的斷面尺寸、巖石的巖性等因素有關(guān)；需合理分配掏槽孔、輔助孔和周邊孔的孔徑大小，保障爆破補(bǔ)償空間。

3)普朗銅礦盲天井一次成井的斷面為2 m×2 m，炮孔深17 m，共布置21個(gè)炮眼，其中有1個(gè)裝藥的中孔作為掏心孔，孔徑為89 mm；有8個(gè)裝藥的周邊控，孔徑為76 mm；有12個(gè)不裝藥的空孔，孔徑為89 mm。炮孔采用分段裝藥，每個(gè)孔裝1發(fā)數(shù)碼雷管(延期時(shí)間控制在1 500 ms以內(nèi))，兩發(fā)起爆彈，采用50 mm或70 mm乳化炸藥，炮孔堵塞長(zhǎng)度0.3 m。爆破時(shí)先爆破孔下部8 m，后爆破上部9 m；每一層孔口及孔底雙向起爆，孔間微差爆破，裝藥時(shí)上部與下部炸藥采用黃泥分開(kāi)，黃泥充填長(zhǎng)度0.3 m。

4)普朗銅礦一次成井爆破技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，盲天井的施工工期縮短了70%，成本降低了80%～90%；與傳統(tǒng)普通法、爬罐法、吊罐法、機(jī)械鉆進(jìn)法掘進(jìn)相比，該技術(shù)施工工藝簡(jiǎn)單，場(chǎng)地易于布置、工程進(jìn)度快、干擾因素少，同時(shí)大幅降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，成井質(zhì)量效果良好，可在類(lèi)似礦山進(jìn)行推廣應(yīng)用。