郭 峰

(濟南鋼城礦業(yè)有限公司)

垂直平行中深孔回采在張馬屯鐵礦的應(yīng)用

郭 峰

(濟南鋼城礦業(yè)有限公司)

濟南張馬屯鐵礦使用淺孔留礦采礦法開采，雖然有效消除爆破振動對地表建筑物的影響，但在采準施工及回采過程中無法保證施工人員的人身安全。為提高施工作業(yè)的安全性，并且控制爆破振動對居民的影響，采用垂直平行中深孔布置方式，可靈活控制每次爆破的裝藥量，方便在回采效率與爆破振動之間找到平衡點，并且施工安全性高。通過實際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。

垂直平行中深孔 近地表開采 爆破振動

張馬屯鐵礦始建于1966年，1977年投產(chǎn)。以礦床北西向F1斷層為界，分為西礦體和東礦體，西礦體(Ⅰ#礦體)勘探提交儲量2 098萬t，開采至今已近40 a，當(dāng)前保有儲量約400萬t。2010年由于增產(chǎn)需要，對Ⅱ#礦體進行開拓施工，并于2012年完成基建投產(chǎn)。Ⅱ#礦體分布于4～-1勘探線閃長巖與灰?guī)r接觸帶內(nèi)，礦體呈透鏡狀，長460 m，傾斜延伸100～230 m，賦存標(biāo)高為-40～-320 m(地面標(biāo)高+30 m)，厚20～44 m，平均為24.7 m；走向NE41°，傾向NW，傾角為40°～60°，上緩下陡，保有儲量為334萬t。Ⅱ#礦體的開采水平在-80～-200 m，距離地表較近，且地表四周已經(jīng)形成一定規(guī)模的居民區(qū)，雖然沿用主礦體的扇形中深孔爆破回采所產(chǎn)生的爆破振動不會對地表建筑物產(chǎn)生破壞[1-2]，但爆破產(chǎn)生的地震波會使居民樓產(chǎn)生振動，影響居民生活，給正常生產(chǎn)帶來不利影響。因此，必須降低回采爆破振動[3]。

1 原采礦方法

Ⅱ#礦體采用淺孔留礦法回采，下行式順序開采嗣后全尾砂膠結(jié)充填處理采空區(qū)，自上而下共分為-80,-120,-160,-200 m 4個階段水平，-80～-120 m水平增設(shè)-100 m水平用于增強通風(fēng)、行人、出礦。-80～-160 m礦房主要垂直礦體走向布置，-160～-200 m礦房主要沿礦體走向布置。礦房段高40 m，寬12 m，分一步、二步礦房：一步礦房回采、充填完成后，待充填體強度達到施工要求后再回采二步礦房，不留間柱。在礦房上、下盤分別布置人行通風(fēng)天井，天井內(nèi)垂直間隔5 m布置人行聯(lián)絡(luò)道用于人員進出及礦房內(nèi)通風(fēng)，留5 m頂柱。主要采切工程包括人行通風(fēng)天井、充填天井、上下盤沿脈巷、穿脈巷以及底部鏟運機出礦巷等。

先在開采水平由下盤運輸巷道施工穿脈巷道，再進行鏟運機運輸巷、底部出礦巷及塹溝巷的掘進，底部每隔8 m設(shè)置一條出礦巷道。在塹溝巷內(nèi)兩側(cè)均以50°傾角向上落礦施工至礦房邊界處，形成底部受礦塹溝；塹溝形成后，正式回采，保持好頂板與留礦堆的高度，向上層層落礦，加強頂板情況觀察，確保落礦期間的安全。Ⅱ#礦體原采準布置見圖1。

圖1 Ⅱ#礦體原采準布置

2 存在的問題

淺孔留礦法經(jīng)過近2 a的使用，發(fā)現(xiàn)實際施工中存在一些問題：

(1)礦房人行天井在施工時底部會保留一些碎碴石，能夠在發(fā)生施工人員墜井事故時起到緩沖作用，降低傷害程度。但測量技術(shù)人員不方便測量設(shè)備的安裝定點，無法實現(xiàn)精準控制而造成人行天井傾斜度出現(xiàn)偏差。

(2)40 m高的人行天井施工超過20 m,鑿巖爆破后炮煙排出困難，如不及時通過輔助手段加強通風(fēng)，很容易造成后續(xù)鑿巖施工人員炮煙中毒。

(3)人行天井施工難度大，成本高，天井?dāng)嗝孑^小，后期為方便施工人員安全進出礦房，在每個聯(lián)絡(luò)道口處還要再安裝平臺，使人行天井的通風(fēng)能力進一步下降，不利于礦房內(nèi)的通風(fēng)。

可見，使用淺孔留礦法雖然可有效解決爆破振動問題，但施工人員在作業(yè)時存在較多的危險因素，不利于生產(chǎn)安全。

3 采礦工藝優(yōu)化

3.1 礦房布置及構(gòu)成要素

礦房與淺孔留礦法布置相同，為垂直礦體走向，底部結(jié)構(gòu)不變，頂部根據(jù)開采情況決定是否預(yù)留頂柱。 階段高40 m，礦體高不足40 m時，階段高度為礦體高度；每10 m設(shè)一個分段水平；沿礦體走向布置時礦房長不宜超過30 m；垂直走向布置時礦房寬6 m；需要預(yù)留頂柱時，頂柱厚5 m。

3.2 采切工程

在各分段水平的礦體下盤布置沿脈運輸巷，用于設(shè)備調(diào)運、人員進出、礦房通風(fēng)。在礦房出礦水平沿礦房布置受礦塹溝巷，垂直塹溝巷每隔10 m布置鏟運機裝礦巷，相鄰礦房的塹溝巷作為出礦巷使用。各分段水平先施工拉底平巷，然后按照設(shè)計尺寸拉底至礦房邊界，拉底高度為2.5 m。在各水平礦房端部布置2 m×2 m切割天井，橫向布置切割炮孔。在各水平拉底空場內(nèi)以一定網(wǎng)度施工垂直平行回采炮孔。優(yōu)化后礦房采切布置見圖2。

圖2 優(yōu)化后采切工程布置

3.3 礦房回采

根據(jù)切割井布置在上盤，回采順序為自上盤向下盤后退式回采。沿礦房高度，自上而下分段回采爆破。具體回采步驟如下：

(1)自上而下對各分段水平的切割拉槽炮孔進行裝藥爆破，形成切割槽并嚴格控制爆破藥量，減小爆破振動。

(2)切割槽形成后，自上而下對回采炮孔進行裝藥爆破。根據(jù)爆破振動的實際情況，每次爆破控制在4～6個炮孔。上下分段的爆破進度要進行合理控制，盡量不要出現(xiàn)因下分段過早爆破造成上分段抽底，或下分段爆破不及時造成上分段爆堆堵孔，影響正常裝藥爆破。

(3)礦房底部使用塹溝結(jié)構(gòu)出礦，因此底部為扇形炮孔。扇形孔孔深加大且單排分次爆破不便操作，為不使爆破振動過大，需要根據(jù)實際情況調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)及爆破順序。

3.4 爆破方法優(yōu)化

垂直扇形中深孔回采方法被廣泛使用，其具有施工人員作業(yè)安全性高及礦房回采效率高的特點，但爆破振動較大[4]。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)爆破振動安全允許距離計算公式：

(1)

式中，R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，齊發(fā)爆破最大藥量不會超過200 kg，取200 kg；V為保護對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，一般地面民用建筑所允許的最大振動速度為2 cm/s；K、a為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，井下礦巖普氏硬度系數(shù)f為8，屬堅硬巖石，取K=150、a=1.5。

計算得出R=104 m，而Ⅱ#礦體最高開采水平的裝藥點與地表垂直距離為120 m，與建筑物的斜距大于150 m，因此，在Ⅱ#礦體使用扇形中深孔回采，其爆破振動對地面建筑物的影響是符合規(guī)定的，但仍需要降低振動。

垂直扇形孔落礦單次回采爆破作業(yè)至少裝藥1排，藥量近200 kg，即使使用一個炮孔一個段別的微差分段爆破，也不會顯著降低爆破振動，影響爆破振動最主要的因素是總裝藥量。如果為降低爆破振動，減少炸藥用量而對單排扇形孔分多次進行爆破則會嚴重破壞臨近炮孔。于是采用垂直平行中深孔代替扇形中深孔[5]，垂直平行孔單孔裝藥量計算公式為

Q=(πd2ΔL)/4 ，

(2)

式中，Δ為裝藥密度，1 g/cm3；d為炮孔直徑，5.5 cm；L為裝藥長度，600 cm。

計算得出單孔裝藥量Q=14.25 kg。但還需要考慮盡可能提高回采效率，再根據(jù)實際應(yīng)用時地表的震感強弱來調(diào)整每次爆破炮孔的數(shù)量，最終使爆破振動對居民的影響與回采效率之間達到平衡。

回采爆破相關(guān)參數(shù)：

(1)炮孔直徑。炮孔直徑越小則裝藥量越小，越有利于降低爆破振動。結(jié)合實際情況，井下現(xiàn)有設(shè)備可施工的最小孔徑為55 mm。

(2)炮孔深度。分段水平高10 m，拉底高度為2.5 m，預(yù)留0.5 m，則孔深為7 m。

(3)最小抵抗線。

按公式計算：

(3)

式中,d為炮孔直徑，55 mm；Δ為裝藥密度，g/cm3；η為深孔裝藥系數(shù)，炮孔裝藥后對孔口填堵1～1.5 m，裝藥系數(shù)取0.85；m為炮孔密集系數(shù)，m=a/W，平行深孔為0.8～1.1,取1；q為單位炸藥消耗量，1.1 kg/m3。

計算得出W=136 cm。

按最小抵抗線和孔徑的比值選取，對于堅硬巖石，則

W=(23～30)d.

(4)

計算得出W=126.5～165 cm。

根據(jù)礦山類似資料選取，孔徑為50～60 mm，則最小抵抗線W=1.4～1.7 m。

綜合以上計算結(jié)果，確定最小抵抗線W=1.4 m。由此布孔網(wǎng)度確定為1.4 m×1.4 m。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)井下實際情況，在各方面都符合要求的Ⅱ#礦體1204礦房上部應(yīng)用了垂直平行中深孔回采方法。拉底空間形成后，空場內(nèi)頂板整體情況良好，無大面積片幫、塌落，后續(xù)中深孔鑿巖施工不存在較大安全問題；由于孔徑小、拉底空場大，鑿巖進度及通風(fēng)環(huán)境要比主礦體好。存在的主要問題是拉底空場底板平整度對施工垂直孔的精度影響較大，頻繁挪動鉆機大大增加了施工人員的勞動強度，可引進適用設(shè)備。

2013年12月16日，對礦房切割孔的前兩排實施了裝藥爆破?？偣惭b藥6個炮孔，使用炸藥100 kg，每孔對應(yīng)放置1～6段的毫秒導(dǎo)爆管雷管，小區(qū)1#樓1單元內(nèi)對井下爆破無明顯震感。2013年12月18日，共裝藥6個炮孔，使用炸藥65 kg，每孔對應(yīng)放置1～6段毫秒導(dǎo)爆管雷管，小區(qū)1#樓2單元內(nèi)基本感覺不到振動。后續(xù)在礦房爆破作業(yè)多次，每次裝藥量均控制在100 kg以內(nèi)，且每孔一個段別，地面居民樓內(nèi)基本都無明顯震感，而且每次爆破的落礦量在400 t左右，超過了淺孔留礦法的回采效率。

5 結(jié) 語

隨著城市的不斷發(fā)展，礦區(qū)地面生活圈逐漸形成，附近居民區(qū)、商城等越來越多，雖然垂直平行孔爆破回采方法增加了采礦成本，但在保證施工安全及降低爆破振動方面效果明顯，同時也提高了回采效果，社會效益和經(jīng)濟效益顯著，該方法值得在要求爆破振動較低的礦山推廣應(yīng)用。

[1] 曾 晟,楊仕教,譚凱旋,等.爆破振動對地表建筑穩(wěn)定性影響試驗[J].采礦與安全工程學(xué)報,2008,25(2):176-179.

[2] 羅厚金,方俊波.青島膠州灣海底隧道陸域段近距下穿地表建筑物爆破震動控制技術(shù)[J].隧道建設(shè),2011,31(3):375-380.

[3] 劉治峰,張戈平,王炳恒.深孔爆破振動測試分析與降振措施[J].爆破,2010,27(1):107-110.

[4] 劉金鵬.采場中深孔爆破技術(shù)試驗研究[J].世界采礦快報,1999,15(8):29-31.

[5] 王懷佳.分段充填采礦法垂直平行孔落礦技術(shù)探討與實踐[J].山東冶金,2009,31(5):64-66.

2014-12-02)

郭 峰(1981—)，男，工程師，250101 山東省濟南市歷城區(qū)礦源路9號。