孫家駒

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京100038 )

1 前言

天井、溜井、切割井等掘進(jìn)是礦山開拓和采切工程中一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，工程量占礦山年掘進(jìn)總量的20%～25%；由于掘進(jìn)量大，且施工困難，因此其掘進(jìn)方法一直是業(yè)界關(guān)注的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

普通法施工工作環(huán)境惡劣、安全性差、成本高、效率低；采用鉆井法施工雖然不需要作業(yè)人員在井內(nèi)施工，工作環(huán)境好、安全，但施工機(jī)械龐大，施工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用高。相比之下，已有研究表明，中深孔爆破法成本為普通法施工的40%、鉆井法施工的30%；而效率則為普通法施工的141%、鉆井法施工的128%[2]。中深孔爆破成井技術(shù)具有成本低、效率高和安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于存在要求施工精度高、爆破難度大，一直未全面推廣應(yīng)用。

2 爆破成井技術(shù)

2.1 爆破成井理論依據(jù)

中深孔直線掏槽是利用空孔的空間為被爆破下來的巖石提供自由面和補(bǔ)償空間，因此每次掏槽爆破的預(yù)留空間都應(yīng)該滿足巖石的碎脹要求。根據(jù)爆破補(bǔ)償空間的理論為式(1)，補(bǔ)償空間法示意圖如圖1所示。

S預(yù)爆落巖體·K≤S補(bǔ)償空間+S預(yù)爆落巖體

(1)

式中：K——巖石松散系數(shù)。

掏槽孔與空孔之間的間距按空孔補(bǔ)償空間的大小來確定a，a計(jì)算見式(2)，掏槽孔爆落的巖石碎脹后應(yīng)小于空孔和原體積所在空間體積，其中φ為空孔直徑，d為掏槽孔直徑。

圖1 補(bǔ)償空間法示意圖

(2)

式中：a——掏槽孔與空孔之間的間距；

K——巖石松散系數(shù)；

φ——空孔直徑；

d——掏槽孔直徑。

2.2 中深孔爆破成井方案類型

中深孔爆破成井主要有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決。第一，炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，即空孔能否提供足夠的補(bǔ)償空間，設(shè)計(jì)方案是否便于施工，施工后的炮孔能夠達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。如果孔間距過小勢(shì)必炮孔間出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，反之，補(bǔ)償空間又不足，都會(huì)影響爆破效果。

第二，目前爆破成井主要有兩種工藝。這兩種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇何種工藝也影響成井效果。

(1)平行掏槽爆破成井法。設(shè)置空孔提供初次爆破的補(bǔ)償空間，初次爆破后形成擴(kuò)大爆破自由面，其余炮孔依次向此自由面崩落，直至爆破形成設(shè)計(jì)規(guī)格的切割井。此方法有兩種施工方法。

一種是把炮孔按照高度分成若干段自下向上多次裝藥爆破，類似于采礦的VCR法，本方法好處是每次爆破高度不高，成井率較高，但需要在井上部有鑿巖、裝藥作業(yè)空間，并且對(duì)分段裝藥高度準(zhǔn)度要求高，對(duì)施工管理要求較高。另一種是炮孔全高裝藥分孔逐次爆破，即把掏槽孔先全高裝藥爆破，再進(jìn)行其他爆破逐次爆破，本法優(yōu)點(diǎn)是適用條件廣，不需要井上部有作業(yè)空間，但爆破掏槽后容易破壞輔助孔，使成井效果不理想。

(2)球狀藥包爆破法[3]。不再單獨(dú)施工不裝藥空孔，利用利文斯頓漏斗爆破理論原理，將天井劃分為若干分層，分層高由自由面寬度和孔徑?jīng)Q定，分層各炮孔采用同段雷管爆破成井。

平行掏槽爆破成井法優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)償空間大，適用高度大的切割井爆破，需要雷管段位少，裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：需要炮孔數(shù)目多，并且炮孔精度要求高。

球狀藥包爆破成井法優(yōu)點(diǎn)：炮孔數(shù)目少，精度要求不高。缺點(diǎn)：補(bǔ)償空間小，僅適用高度不高的切割井爆破，所需雷管段位多，裝藥結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3 爆破成井技術(shù)實(shí)例

3.1 工程概況

某礦Ⅰ礦區(qū)是一個(gè)大型層控矽卡巖型礦床，礦體主要集中分布在由鉀長(zhǎng)花崗巖與大石寨組上部安山巖及所夾火山碎屑巖所形成的矽卡巖之內(nèi)。走向長(zhǎng)度1 021m，傾斜長(zhǎng)度495m，傾角60°～70°，礦體平均厚度25m，最大118m，屬于急傾斜厚礦體，礦體形態(tài)為不規(guī)則的似層狀。礦石構(gòu)造具有多種類型，以浸染狀、致密塊狀構(gòu)造為主，礦石普氏硬度系數(shù)10～16，松散系數(shù)為1.5，采礦方法為分段鑿巖階段出礦嗣后充填法[4]。

3.2 炮孔布置及爆破參數(shù)計(jì)算

1)掏槽方式

(1)炮孔直徑：采用Atlas Simba 1354臺(tái)車施工中深孔，設(shè)計(jì)裝藥的掏槽孔、輔助孔和周邊孔的炮孔直徑均取76mm。作為提供自由面和補(bǔ)償空間的空孔直徑127mm，先鉆鑿φ76mm炮孔，再用φ127mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。為減小偏斜保證炮孔之間互相平行，在鑿巖時(shí)使用導(dǎo)向釬桿。

(2)掏槽方式。采用筒形掏槽，即由若干個(gè)φ127mm空孔提供自由面和補(bǔ)償空間，在空孔中心處布置一個(gè)φ76mm炮孔為首個(gè)起爆的掏槽孔。

2)布孔參數(shù)計(jì)算

(1)確定a(空孔和掏槽孔距離)距離。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鑿巖設(shè)備可施工炮孔直徑大小能力的實(shí)際情況，根據(jù)式(2)計(jì)算出a要小于424mm，具體計(jì)算見表1。a距離越小，掏槽爆破效果越好，但施工精度要求也高，造成施工困難。

表1 a(空孔和掏槽孔孔距離)計(jì)算

(2)確定空孔個(gè)數(shù)n。為了便于施工，保證掏槽孔有足夠的補(bǔ)償空間確保成井效果，初步選取a距離為300mm、350mm，結(jié)合空孔個(gè)數(shù)能否便于施工，根據(jù)式(1)，確定空孔個(gè)數(shù)n，具體情況見表2。

表2 n空孔數(shù)目確定計(jì)算對(duì)比

根據(jù)臺(tái)車炮孔偏斜情況，空孔數(shù)目小于6個(gè)能夠保證施工精度，空孔再多時(shí)在施工時(shí)空孔特別容易穿孔。通過表2計(jì)算可知a取350mm，施工6個(gè)直徑127mm的空孔，松散系數(shù)為1.24；當(dāng)a縮小到300mm時(shí)，施工6個(gè)直徑127mm的空孔，松散系數(shù)為1.34，補(bǔ)償空間還是相對(duì)較小。當(dāng)a取300mm時(shí)，n取7或8時(shí)，K接近巖石的松散系數(shù)1.5，但炮孔間距過小，施工過程中出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，會(huì)影響爆破效果，所以a不取300mm。

為確保有足夠的補(bǔ)償空間，減少爆破夾制作用，采取一種新的布孔方式。施工12個(gè)空孔，即6個(gè)直徑127mm和6個(gè)直徑76mm的空孔，這樣松散系數(shù)能夠達(dá)到1.40，基本接近了巖石初始松散系數(shù)1.5，炮孔布置圖如圖2所示。施工6個(gè)76mm空孔好處：第一，能夠提高補(bǔ)償空間，有利于爆破成井效果；第二，能夠很好緩沖爆轟波作用，減少對(duì)其他炮孔破壞作用；第三，6個(gè)76mm空孔要求精度可以不高，即使出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，也不進(jìn)行處理。

圖2 中深孔爆破成井炮孔布置圖

3)起爆方法與起爆順序

由于井上部沒有作業(yè)空間，炮孔分高度多次爆破方案不安全、不可行。只能選擇炮孔全高一次裝藥爆破，選擇炮孔全高裝藥分孔逐次爆破要比一次爆破成井成功幾率大。炮孔全高裝藥分孔逐次爆破首先爆破掏槽孔，即對(duì)1號(hào)孔全高裝藥(孔口預(yù)留一定長(zhǎng)度不裝藥距離)，孔內(nèi)兩枚同段導(dǎo)爆管雷管毫秒延期起爆，孔內(nèi)放入全長(zhǎng)導(dǎo)爆索。為減少爆破漏斗效應(yīng)孔口不裝藥距離控制在500～700mm；第二次爆破2～5號(hào)孔，各孔之間分段跳段毫秒延時(shí)爆破；第三次爆破剩余炮孔。為保證炮孔底部的爆破效果，所有爆破采用孔底起爆。

4)裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量計(jì)算

采用多孔粒狀銨油炸藥為主要炸藥，各炮孔均采用連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)。起爆藥包采用2#巖石乳化炸藥制作，每個(gè)藥包上裝入兩發(fā)同段雷管，并用膠布固定。

用BQF- 100型裝藥器向孔內(nèi)裝藥，裝藥前先將起爆藥包裝裝入底孔、導(dǎo)爆索全程敷設(shè)至孔底，然后按照裝藥參數(shù)裝藥，裝藥管要均勻退至炮孔堵塞位置，保證炸藥在孔內(nèi)的連續(xù)性；裝藥風(fēng)壓控制在0.4MPa左右(不得大于0.45MPa)，保證裝藥的密度不小于1.05g/cm3。

5)炮泥填塞

良好的堵塞可以阻止爆轟氣體過早從裝藥孔泄漏，保證在巖石破裂之前使裝藥孔內(nèi)保持高壓狀態(tài)，使爆破能量得到有效利用，從而提高爆破效率。

待加工好的起爆藥包及銨油炸藥均裝入炮孔后，用炮泥填塞炮孔，填塞要十分小心，填塞過程中要注意緩慢進(jìn)行，并要適度搗實(shí)，不得破壞起爆導(dǎo)爆管。炮泥采用黏土制作，每孔堵塞炮泥長(zhǎng)度不小于50cm。

3.3 應(yīng)用效果

6- 1#切割井和3- 1#切割井采用本方法試驗(yàn)施工。兩條井鑿巖、爆破分別耗時(shí)1天。爆破后成井效果良好，達(dá)到預(yù)期效果，井深分別為12m和11.5m。試驗(yàn)成功后，此中深孔爆破成井技術(shù)已在某礦山施工切割井全面推廣，都取得預(yù)期效果。

3.4 效益分析

相對(duì)普通法施工，采用中深孔爆破成井具有良好的生產(chǎn)效益和安全效益，主要體現(xiàn)在：

(1)采用中深孔爆破成井，施工速度快。中深孔鑿巖用時(shí)1天，爆破用時(shí)1天。而普通法施工每天施工進(jìn)尺約2m，在施工高切割井時(shí)，中深孔爆破成井效率更高。

(2)采用普通法施工天井時(shí)涉及高空作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)較大，存在高空墜落、中毒窒息、物體打擊等事故隱患。尤其是圍巖破碎時(shí)，危險(xiǎn)系數(shù)極高，采用中深孔爆破成井，施工安全性高；

(3)采用中深孔爆破成井成本較低，和普通法相比可以節(jié)省成本600元/米。

4 結(jié)論

采用中深孔爆破成井，減少生產(chǎn)組織難度，大大提高施工效率，避免傳統(tǒng)天井施工的高空作業(yè)，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，為礦山施工安全、節(jié)省投資、減低成本、提高工效等做出積極的貢獻(xiàn)。