大直徑超深豎井基巖段中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

李芹濤，李明輝，楊建明，周 陽，楊 乙

(萊州匯金礦業(yè)投資有限公司)

引 言

隨著淺部資源的日漸枯竭，國內(nèi)外金屬礦山陸續(xù)進(jìn)入深部開采。豎井井筒作為整個(gè)礦井的咽喉，是深部資源與地面連接的唯一通道，其安全高效的建設(shè)在礦山建設(shè)中占據(jù)重要地位。目前，豎井掘進(jìn)主要采用中深孔爆破法。與淺部巖層不同，深部巖層存在地應(yīng)力大、地層巖溫高、涌水量大等惡劣地質(zhì)環(huán)境，給深豎井安全高效建設(shè)帶來一系列挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者從理論、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等角度對深部巖層爆破技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩成果。白羽等[1]通過數(shù)值模擬軟件研究了不同地應(yīng)力條件對雙孔爆破的影響。付玉華等[2]考慮深部高地應(yīng)力對光面爆破效果的影響，提出了爆破參數(shù)確定的計(jì)算方法。楊建華等[3]采用SPH-FEM耦合數(shù)值模擬方法，研究了深部地應(yīng)力場對巖石爆破開裂范圍、裂紋開裂速度及爆炸地震波能量的影響。趙建平等[4]采用隱-顯式序列算法，綜合分析了深部高地應(yīng)力下埋深、側(cè)壓系數(shù)、炮孔間距對爆破損傷規(guī)律的影響。LU等[5]研究了高應(yīng)力場對爆炸后裂紋形成規(guī)律的影響。戴俊等[6]研究發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)減小炮孔間距。陳迎軍等[7-11]結(jié)合實(shí)際礦山建設(shè)，研究了深豎井成井中鉆孔機(jī)具、起爆方式、爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、掏槽形式等因素對爆破效果的影響。

綜上研究成果發(fā)現(xiàn)，光面爆破成井技術(shù)在豎井掘進(jìn)中得到廣泛應(yīng)用，但大部分爆破參數(shù)設(shè)計(jì)沒有考慮深部地應(yīng)力影響，導(dǎo)致炮孔利用率低、井壁成形質(zhì)量差，間接導(dǎo)致施工效率低。本文以山東某金礦副井掘進(jìn)為工程背景，研究采用中深孔爆破法形成大直徑超深豎井，結(jié)合現(xiàn)場施工出現(xiàn)的矸石塊度大、超挖嚴(yán)重等現(xiàn)象，進(jìn)行了起爆方式、雷管類型和周邊孔設(shè)計(jì)等爆破參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保了大直徑深豎井順利掘進(jìn)。

1 工程概況

該金礦位于山東省萊州市金城鎮(zhèn)與朱橋鎮(zhèn)境內(nèi)，極值地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°04′28″～120°05′58″，北緯37°22′31″～37°24′46″，面積6.65 km2。礦區(qū)所在區(qū)域地形為東高西低、南高北低，地勢平緩。礦區(qū)的東及東南部是以剝蝕作用為主的丘陵區(qū)，分布面積20 km2，西北部為山前沖積平原，分布面積22 km2。該區(qū)域?yàn)l臨渤海，為海洋和內(nèi)陸特征氣候，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候。歷年平均氣溫12.5 ℃(-17 ℃～38.9 ℃)，平均年降雨量為595.77 mm。區(qū)域內(nèi)有朱橋河和滾龍河從礦區(qū)西南部和中部通過，在礦區(qū)西部匯集。

該金礦采用“一主一副兩風(fēng)井”方式開拓，其在建副井井口標(biāo)高18.5 m，井底標(biāo)高-1 450.5 m，井深1 469.0 m，凈斷面直徑為8.2 m，斷面面積為4條在建豎井中最大的，在掘進(jìn)鉆爆中遇到工程問題也尤為凸顯。本文以副井層位800～1 000 m段掘進(jìn)為例，分析深部地質(zhì)環(huán)境對爆破參數(shù)的影響，并將爆破優(yōu)化參數(shù)成功應(yīng)用于現(xiàn)場。

2 工程水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工勘地質(zhì)資料，67.47～1 122.90 m(厚度1 055.43 m)巖層巖石為變輝長巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖。巖石呈灰綠色，鱗片-柱粒狀、纖狀變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀、塊狀構(gòu)造；主要由角閃石、長石、高嶺土、綠泥石等礦物組成。巖體堅(jiān)硬完整，整體上裂隙不發(fā)育，巖石普氏硬度系數(shù)f平均值為6.49，巖體質(zhì)量等級為Ⅱ類，整體結(jié)構(gòu)，巖體的穩(wěn)定性好。

67.47～1 122.90 m巖層線裂隙率3～7條/m，夾角以與巖芯軸呈35°～45°和65°～75° 2組為主，裂面平直光滑，附著少量碳酸鹽，伴有綠泥石等蝕變礦物充填，弱富水性。巖芯以長柱狀、柱狀為主，少量呈塊狀、碎塊狀，RQD值平均為78 %，巖石為堅(jiān)硬巖。878.40～881.00 m巖層巖石物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 工程水文條件

根據(jù)工勘地質(zhì)資料，67.47～1 209.60 m巖層為上下盤弱含水層，位于基巖風(fēng)化裂隙弱含水層之下。該層的透水性、富水性隨裂隙發(fā)育程度有較大變化，富水性不均勻特點(diǎn)顯著。巖層的地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動，裂隙比較發(fā)育，但多為扭性、壓扭性裂隙，裂隙閉合，連通性較差。因此，含水層的總體透水性、富水性弱，最大單位涌水量0.032 471 L/s·m，滲透系數(shù)0.001 974 79 m/d，屬弱富水含水層。

該含水層與上覆基巖風(fēng)化帶弱富水含水層呈過渡關(guān)系，地下水水位埋深也與上覆含水層相同，屬潛水，略具微承壓性，水位埋深19.80 m，地下水主要接受風(fēng)化裂隙含水層的補(bǔ)給，受所處地形地貌、含水層透水性、富水性等條件控制，自然條件下循環(huán)速度很慢，地下水的水質(zhì)一般，礦化度1.26 g/L，水化學(xué)類型ClHCO3·SO4—Na·Mg。

3 初始爆破掘進(jìn)設(shè)計(jì)及存在問題

3.1 初始爆破掘進(jìn)設(shè)計(jì)

副井掘進(jìn)鑿孔采用的機(jī)械設(shè)備為YSJZ6.12型液壓傘鉆，配B32中空六角鋼、長5.7 m釬桿，直徑55 mm柱齒合金鉆頭鉆孔，二階直孔掏槽。爆破采用2#巖石卷裝乳化炸藥，高強(qiáng)塑料袋裝藥卷、藥卷直徑42～45 mm、藥卷長度400～500 mm，毫秒非電雷管引爆、磁電雷管起爆，全斷面光面控制爆破。

炮孔布置：同心圓布置，輔助掏槽孔5個(gè)，掏槽孔13個(gè)，輔助孔14個(gè)，崩落孔69個(gè)，周邊孔63個(gè)，總計(jì)164個(gè)，采用大并聯(lián)方式連線。預(yù)期爆破效率為87 %，每循環(huán)工作面進(jìn)尺4.5 m，原巖炸藥消耗量2.505 kg/m3，井筒炸藥消耗量169.60 kg/m。初始爆破參數(shù)見表2，基巖段炮孔初始布置見圖1。

表2 初始爆破參數(shù)

圖1 基巖段炮孔初始布置示意圖

3.2 存在問題

采用初始爆破掘進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行爆破時(shí)發(fā)現(xiàn)，爆破后矸石塊度大、周邊出現(xiàn)超欠挖等現(xiàn)象，這主要是由于：

1)矸石塊度大，主要與炸藥的引爆位置和傳爆方向密切相關(guān)。初始爆破設(shè)計(jì)采用連續(xù)正向裝藥，孔口起爆方式引爆，其孔口起爆時(shí)破碎巖塊在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)孔口，導(dǎo)致大量爆炸沖擊能在空氣中轉(zhuǎn)化為沖擊波而損失。而且爆炸沖擊波向孔底傳爆時(shí)，受膨脹波影響，使得爆炸沖擊能迅速衰減，孔內(nèi)壓力快速下降。其次，采用半秒延期導(dǎo)爆管雷管爆破，爆破間隔較長，即第一排藥包爆炸完成后第二排藥包才開始爆破，在這期間第一排藥包產(chǎn)生的爆轟物動能部分用于孔壁做功損失，減小了與第二排藥包所產(chǎn)生爆轟物間的碰撞能量，進(jìn)而降低二次破碎效果。初始爆破參數(shù)爆破后效果見圖2。

圖2 初始爆破參數(shù)爆破后效果

2)超挖嚴(yán)重。初始爆破參數(shù)爆破后超挖系數(shù)統(tǒng)計(jì)見圖3，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工程，平均超挖系數(shù)超過1.6，其周邊孔設(shè)計(jì)是主要影響因素。由于在豎井掘進(jìn)期，井筒掘砌施工為井壁連續(xù)澆筑，即每模掘進(jìn)結(jié)束后便進(jìn)行井壁澆筑，滑動模板緊隨工作面，導(dǎo)致傘鉆作業(yè)空間受限。初始設(shè)計(jì)周邊孔炮孔中心線與工作面垂直線間的傾角為89°，而實(shí)際周邊孔最大傾角為88°，孔口圈徑9.1 m，孔底圈徑9.5 m，此時(shí)孔底已超出掘進(jìn)斷面輪廓線300 mm，導(dǎo)致超挖較大。

圖3 初始爆破參數(shù)爆破后超挖系數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 爆破參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

4.1 起爆方式

與孔口起爆不同，孔底起爆沖擊波向孔口傳播時(shí)，受孔壁和裝藥的束縛，使得爆轟碎巖不能向四周飛散，而將大量的爆炸沖擊能用于周邊巖塊做功。同時(shí)在爆轟波后會形成一個(gè)高壓區(qū)，直至傳播到孔口，這可以大大降低爆炸沖擊波衰減，致使孔壓下降緩慢，高壓持續(xù)時(shí)間長，為此將孔口起爆改為孔底起爆。同時(shí)將半秒延期雷管更換為毫秒延期雷管，由于毫秒延期雷管起爆間隔時(shí)間短，連續(xù)起爆可使巖石受到疊加振動[12-14]，巖石易于破裂，可以有效改善爆炸沖擊能作用于鄰段炮孔現(xiàn)象。

4.2 “雙周邊孔”爆破

根據(jù)現(xiàn)場工作面條件，傘鉆最大作業(yè)角度為88°，將周邊孔孔底放在掘進(jìn)斷面輪廓線上會導(dǎo)致掘進(jìn)段上半部欠挖較多。因此對周邊孔進(jìn)行優(yōu)化，在上半部欠挖位置，新增1圈炮孔，從而由單周邊孔改為“雙周邊孔”，即最外圈周邊孔鉆淺孔，孔底落在井筒掘進(jìn)輪廓線上，爆破上部；內(nèi)圈周邊孔全段高鉆進(jìn)，孔底落在井筒掘進(jìn)直徑的輪廓線上，爆破底部。“雙周邊孔”炮孔布置剖面見圖4。

圖4 “雙周邊孔”炮孔布置剖面示意圖

由于周邊孔炮孔間距的布設(shè)直接影響光面爆破的效果，因此對周邊孔炮孔間距重新進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)爆破施工工程經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距一般為炮孔直徑的10～15倍，即：

E=(10～15)dp

(1)

式中：E為周邊孔炮孔間距(mm)；dp為炮孔直徑(mm)，取55 mm?？紤]巖體整體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，且較為堅(jiān)固，式(1)中常數(shù)宜取較小值。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)超挖系數(shù)和查看半孔率發(fā)現(xiàn)，周邊孔炮孔間距取值為11～12倍的炮孔直徑時(shí)，可以明顯改善超挖現(xiàn)象，其超挖系數(shù)基本穩(wěn)定在1.3左右。最終確定次外圈炮孔間距599 mm，最外圈炮孔間距642 mm，雙圈周邊孔傾角84°，設(shè)計(jì)炮孔布置見圖5。

圖5 優(yōu)化后炮孔平面布置示意圖

爆破參數(shù)優(yōu)化后超挖情況和巖石塊度施工效果見圖6和圖7。從圖6、圖7可以看出：采用“雙周邊孔”控制爆破后，半孔率90 %，有效控制了井筒周邊超欠挖，且塊度大小適中，有效提高了井筒的成形質(zhì)量和施工效率。

圖6 設(shè)計(jì)優(yōu)化后井壁爆破效果

圖7 設(shè)計(jì)優(yōu)化后破碎巖石塊度

5 結(jié) 論

1)施工現(xiàn)場爆破效果表明，孔底起爆優(yōu)于孔口起爆，孔底起爆充分利用了炸藥的能量，有利于克服孔底巖石的夾制作用，在一定程度上減少正向爆破造成的鄰近炮孔的“擠死”或“帶炮”現(xiàn)象，提高巖石爆破的破碎率。

2)利用毫秒雷管連續(xù)起爆，在短微差時(shí)間內(nèi)使爆破能量迅速釋放，可使巖石受到疊加振動，巖石易于破裂，因此爆下的巖石量多塊度小。這既可以提高爆破效果，又可以減少爆破地震效應(yīng)、沖擊波和飛石危害。

3)當(dāng)井筒掘進(jìn)采用中深孔爆破配合大段高模板砌壁時(shí)，可利用“雙周邊孔”爆破技術(shù)，能有效解決由于傘鉆不能以較大的垂向角度鉆周邊孔，以致于爆破后形成模板位置下欠挖而孔底超挖的問題。