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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

2023-02-22 13:33:36黃華桃劉龍瓊肖柏林
有色金屬(礦山部分) 2023年1期
關(guān)鍵詞:空孔拉底成井

黃華桃,何 翔,劉龍瓊,肖柏林

(1.云南金誠信礦業(yè)管理有限公司,昆明 650217; 2.紫金(長沙)工程技術(shù)有限公司,長沙 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、容易實現(xiàn)自動化的一種大規(guī)模采礦方法[1]。該方法通過人工拉底后,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、智利、南非、加拿大、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用[2]。然而,在我國應(yīng)用較少,前期在金川鎳礦、程潮鐵礦、齊大山鐵礦等開展過試驗研究[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展。在聚礦槽形成過程中,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)場地條件要求高,對機(jī)械依賴性突出,缺點(diǎn)顯著[6-8]。在爆破過程中,還時常出現(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]。我國已研制出多種天井鉆機(jī),解決了整機(jī)結(jié)構(gòu)、動力匹配、智能行走、自動鑿巖等核心技術(shù)問題,并首先在煤礦實現(xiàn)普及應(yīng)用[12]。近年來,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,對盲天井一次成井的技術(shù)經(jīng)驗仍需進(jìn)一步總結(jié)與推廣。特別是針對自然崩落法的礦山,其礦巖條件復(fù)雜,國內(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)驗與報道。

借鑒于其他礦山使用天井鉆機(jī)的成功經(jīng)驗,普朗銅礦開始探究采用盲天井一次爆破成井技術(shù)實現(xiàn)聚礦槽爆破自由面的可行性,通過現(xiàn)場大量的試驗,最終將該技術(shù)成功研發(fā)并在普朗銅礦全范圍應(yīng)用。為了豐富我國自然崩落法設(shè)計與施工過程中的技術(shù)經(jīng)驗,本文主要對一次爆破成井技術(shù)在普朗銅礦聚礦槽施工中的應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)簡介與經(jīng)驗總結(jié),從而為我國采用自然崩落法的類似礦山提供借鑒經(jīng)驗。

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,巖石硬度以堅硬為主,局部破碎帶較發(fā)育,巖石較破碎,巖體結(jié)構(gòu)類型以塊狀結(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,礦體由137個鉆孔控制,礦體總長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°。礦石儲量為4.8×108t,礦體含銅為主,伴生金、銀、鉬等成分。

1.2 開采概況

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t/a,目前日處理礦石量約3.8萬t,最大崩落高度370 m,平均崩落高度200 m,是我國年產(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)按國外使用最多的分支鯡魚骨式布置,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,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)的懸頂處理臺車進(jìn)行處理。利用PC-BC軟件對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日常生產(chǎn)提前進(jìn)行生產(chǎn)模擬,為生產(chǎn)實踐提供指導(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)過數(shù)次現(xiàn)場試驗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)的型號確定。礦山在鉆機(jī)選型中,需結(jié)合實際的礦巖物理力學(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電動液壓鑿巖臺車,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。實際盲天井的掘進(jìn)中按不同炮孔的作用類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,在實際爆破施工過程中,盲天井的高度等于或略小于最終天井的長度。天井?dāng)嗝娉叽缬刹蓤鲈O(shè)計參數(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,常見天井的斷面尺寸為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,通常由一個大空孔和多個小孔組成,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)場施工中,采用“大空孔+小空孔”的形式;大孔約1~2個,直徑為100~150 mm,小空孔布置于大孔周圍,數(shù)量3~5個,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]。實際中常使用補(bǔ)償空間理論對炮孔間距進(jìn)行計算,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,對巖石產(chǎn)生拉應(yīng)力;同時,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、周圍巖石整體性和硬度高,設(shè)計的裝藥孔則越多;通過式(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。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個大空孔和3~4個小空孔組成;輔助孔通常1~2個,起補(bǔ)助掏槽作用;周邊孔一般由4個小孔組成,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)場多次現(xiàn)場試驗,獲得普朗銅礦盲天井一次爆破成井參數(shù)見表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)計參數(shù)

中深孔爆破有兩個重要的參數(shù),一是補(bǔ)償空間,二是孔間微差爆破時間。普朗銅礦盲天井的炮孔布置設(shè)計如圖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,每個孔裝藥長度按照設(shè)計米數(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。裝藥時上部與下部炸藥采用黃泥分開,黃泥充填高度300 mm。起爆時先起爆下層1#孔,由近及遠(yuǎn)起爆2#~9#孔,然后再起爆上層1#~9#孔,逐級形成天井,各孔起爆延時見表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)場應(yīng)用效果

經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗,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。現(xiàn)場選擇了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,均獲得了成功。目前普朗銅礦首采區(qū)礦量8 250萬t,服務(wù)年限8 a,達(dá)產(chǎn)需要聚礦槽數(shù)量為10個。通過該技術(shù)的使用,每年增加聚礦槽50~60個,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)場爆破后效果見圖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)各個礦山具體情況進(jìn)行論證分析,并借鑒于類似工程經(jīng)驗,開展多次現(xiàn)場試驗,最終獲得符合礦山實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個炮眼,其中有1個裝藥的中孔作為掏心孔,孔徑為89 mm;有8個裝藥的周邊控,孔徑為76 mm;有12個不裝藥的空孔,孔徑為89 mm。炮孔采用分段裝藥,每個孔裝1發(fā)數(shù)碼雷管(延期時間控制在1 500 ms以內(nèi)),兩發(fā)起爆彈,采用50 mm或70 mm乳化炸藥,炮孔堵塞長度0.3 m。爆破時先爆破孔下部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,裝藥時上部與下部炸藥采用黃泥分開,黃泥充填長度0.3 m。

4)普朗銅礦一次成井爆破技術(shù)應(yīng)用以來,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)施工工藝簡單,場地易于布置、工程進(jìn)度快、干擾因素少,同時大幅降低了安全風(fēng)險,成井質(zhì)量效果良好,可在類似礦山進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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