蘇紅蕊

(萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司，山東 萊蕪271100)

馬莊鐵礦隸屬于萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司，是地下開(kāi)采中型礦山，年產(chǎn)鐵礦石68 萬(wàn)t，礦床屬于高溫?zé)嵋航佑|交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體產(chǎn)于閃長(zhǎng)巖和大理巖的接觸帶上，沿接觸帶呈扁豆?fàn)?、透鏡狀、似層狀產(chǎn)出，總體走向20° ～40°，傾向SE，傾角40° ～60°，主礦體厚度15 ～60 m，f=8 ～10，礦體中等穩(wěn)固，局部較為破碎，礦區(qū)上部有村莊，地表不允許塌陷。根據(jù)上述礦體賦存特點(diǎn)，馬莊鐵礦原采用長(zhǎng)錨索預(yù)支護(hù)的上向水平分層進(jìn)路充填采礦法，但采礦效率不高，為增加礦房開(kāi)采強(qiáng)度，釋放單體礦房產(chǎn)能，提高產(chǎn)量，在保障頂板安全前提下，馬莊鐵礦借鑒露天采礦爆破模式應(yīng)用于地下礦山，研究探索在預(yù)控頂條件下的下向逐孔起爆工藝［1］，獲得良好效果。

預(yù)控頂下向中深孔逐孔起爆采礦是首先在需要爆破的礦房頂部人工拉切，形成一較大的自由空間，然后在頂板打長(zhǎng)錨索、掛網(wǎng)和噴漿支護(hù)，形成一個(gè)安全的人工頂板，再用下向潛孔鉆機(jī)施工下向孔，采用高精度逐孔起爆雷管，將下部礦石一次性爆破的一種高效采礦方式。

1 礦房參數(shù)的計(jì)算與選擇

1.1 拉切礦房高度選擇

由于礦房爆破后作業(yè)人員需要進(jìn)入空區(qū)內(nèi)鏟礦，根據(jù)礦房礦石條件、充填體自立程度、爆破后充填體外側(cè)破壞程度以及方便觀(guān)察和處理礦房?jī)蓭透∈茸鳂I(yè)條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和多個(gè)試驗(yàn)礦房情況，初步確定礦房高度為15 m。

馬莊鐵礦礦區(qū)地表不允許塌陷，所有礦房采用全尾砂充填，充填膠凝材料采用膠固粉，充填配合比為1∶ 4(膠固粉∶ 尾砂)。

根據(jù)充填體自立公式［1］進(jìn)行驗(yàn)算:

式中，C1為充填體與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度，MPa;φ1為充填體與圍巖摩擦角，(°);C 為充填體自身黏結(jié)強(qiáng)度，MPa;φ 為充填體內(nèi)摩擦角，(°);α = 45° + φ/2;k 為側(cè)壓系數(shù)，k =1 －sinα;h 為充填體高度，m;膠結(jié)充填體密實(shí)固體密度為2.61 g/cm3。根據(jù)取樣試驗(yàn)井下充填體7 d 強(qiáng)度為1.1 MPa，28 d 強(qiáng)度為3.5 MPa，充填礦房分4 次充填，為保證相鄰礦房采準(zhǔn)需要，礦房按揭露最后接頂充填最晚充填時(shí)間計(jì)算充填體強(qiáng)度，礦房長(zhǎng)度按照25 m 計(jì)算，可以推出1.1 MPa 強(qiáng)度充填體自立高度55.6 m，遠(yuǎn)大于15 m 設(shè)計(jì)高度，充填體強(qiáng)度完全可以滿(mǎn)足采礦需要。

1.2 礦房頂板暴露面積

暴露面積的大小直接關(guān)系到一次爆破的效率，單從采礦角度來(lái)說(shuō)越大越好，但為保證安全必須選擇合適的空頂面積。

根據(jù)頂板暴露面積經(jīng)驗(yàn)公式［2］

(其中，S 為頂板暴露面積，m2;b 為礦房高度，m)，估算礦房頂板在極限平衡狀態(tài)下暴露面積約為560 m2。

實(shí)際布置礦房尺寸為長(zhǎng)×寬=25 m×12 m=300 m2＜560 m2，留有較大安全系數(shù)，能夠滿(mǎn)足安全需要。

2 礦房布置形式

預(yù)控頂單體礦房高度15 m，分為2 部分:最上一部分3.5 m 為拉切高度，滿(mǎn)足潛孔鉆機(jī)等鑿巖設(shè)備鑿巖要求，下邊11.5 m 為深孔爆破高度;礦房寬度12 m，實(shí)際爆破寬度10.8 m，兩側(cè)各0.6 m 為設(shè)備施工預(yù)裂孔需要寬度;礦房長(zhǎng)度25 m，根據(jù)礦體實(shí)際厚度做相應(yīng)調(diào)整，50 m 以上礦房采用后退式分2 次爆破。

在礦房底部正中施工1 個(gè)穿脈，然后在礦房中部施工1 個(gè)2 m×2 m 切割天井，作為首次起爆自由面。

礦房?jī)?nèi)部布置下向主爆孔，礦房?jī)蓚?cè)為減少爆破對(duì)兩幫礦石或充填體破壞，使用預(yù)裂爆破，預(yù)裂孔距離兩幫0.6 m。

54 m 寬度礦房寬度劃分為5 個(gè)礦房，交錯(cuò)布置，一采一備采。

礦房15 m 作為一分段水平，整體采用上向采礦，下側(cè)礦房結(jié)束充填后，再采上一分段水平。預(yù)控頂?shù)V房整體充填順序及拉切支護(hù)布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)控頂?shù)V房示意Fig.1 Schematic diagram of pre-controll roof room

3 預(yù)控頂?shù)V房頂板支護(hù)

預(yù)控頂?shù)V房上部首先拉切3.5 m 高的作業(yè)面，再對(duì)作業(yè)面進(jìn)行預(yù)支護(hù)，支護(hù)與拉切作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。支護(hù)時(shí)首先施工網(wǎng)片大小2 m×1.5 m、網(wǎng)度15 cm×20 cm、直徑6.5 mm 鋼筋網(wǎng)，搭接寬度不低于20 cm，再在網(wǎng)片上施工網(wǎng)度1.5 m ×1.5 m、長(zhǎng)度1.8 m 的管縫式錨桿，最后噴漿，噴漿厚度不低于10 cm，用以保證頂板安全。局部礦石不穩(wěn)固地段補(bǔ)打長(zhǎng)錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索長(zhǎng)度不低于13 m。

4 井下逐孔起爆工藝的實(shí)施

在下向孔爆破過(guò)程中借助于高精度雷管的準(zhǔn)確延時(shí)，通過(guò)合理的時(shí)間組合，使炮孔由起爆點(diǎn)按順序依次起爆，每個(gè)炮孔的起爆都是相對(duì)獨(dú)立的，前一個(gè)炮孔為后一個(gè)炮孔創(chuàng)造了一個(gè)自由面，相鄰炮孔間的礦巖在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生相互碰撞擠壓，使巖石進(jìn)一步破碎，從而能夠保證較好的爆破塊度。

(1)設(shè)備選型:設(shè)備采用T －100 高氣壓環(huán)形潛孔鉆機(jī)，鉆孔直徑92 mm。

(2)炮眼參數(shù):底盤(pán)抵抗線(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［3-4］

(式中，D 為炮孔直徑)，取2.3 m;孔間距［4］a 取1.1W，為2.5 m;排間距b 取0.8a，為2 m;鑿巖超深h= 0.2W，取0.5 m。鑿巖深度分別為8 m 和12 m，下向鑿巖在中部拉切進(jìn)路上部的取8 m，其余取12 m，如果下向鑿巖與拉切進(jìn)路鑿穿，裝藥前先用塑性材料堵塞下部炮孔，堵塞長(zhǎng)度不低于1.5 m;預(yù)裂孔孔距取孔徑10 倍，即1 m;由于上部已完全拉切，爆破補(bǔ)償空間為26.4%。

(3)炸藥雷管型號(hào):主爆孔采用 φ80 mm 乳化炸藥;預(yù)裂爆破不耦合系數(shù)取3，預(yù)裂孔炸藥采用φ32 mm 乳化炸藥。雷管采用導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)管采用MS400 型 號(hào)、孔 口 管 采 用SDD9、SDD17、SDD25、SDD42、SDD65 型號(hào)高精度導(dǎo)爆管雷管，爆破采用孔口延時(shí)，孔口總延時(shí)長(zhǎng)度不超過(guò)400 ms。

(4)施工順序:施工拉底巷道→T－100 鉆機(jī)按照設(shè)計(jì)施工下向孔(包括主爆孔和預(yù)裂孔)→施工切割天井→裝藥→連線(xiàn)→整個(gè)礦房一次性爆破成型。爆破連線(xiàn)從一端開(kāi)始按照設(shè)計(jì)網(wǎng)路逐次串聯(lián)，逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)及礦石移動(dòng)方向見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)控頂?shù)V房逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)及礦石移動(dòng)方向Fig.2 Hole-by-hole denotation network and ore moving direction of pre-control roof room

逐孔爆破后效果優(yōu)勢(shì)明顯，與普通排間微差爆破相比，實(shí)施逐孔起爆時(shí)，先爆炮孔為后爆炮孔創(chuàng)造更多的自由面，爆破應(yīng)力波反射充分，從而達(dá)到充分利用炸藥能量的疊加作用，炸藥用量最經(jīng)濟(jì)、合理，產(chǎn)生的爆破作業(yè)震動(dòng)也最小。

5 結(jié) 論

(1)預(yù)控頂下向鑿巖逐孔起爆工藝能夠預(yù)先有效支護(hù)礦房頂板，保證了礦房?jī)?nèi)作業(yè)人員安全，減少了事故發(fā)生，同時(shí)大幅提高了礦房產(chǎn)能，提高了采礦效率，以走向長(zhǎng)度54 m 礦房為例，采用上向水平分層充填采礦法每個(gè)礦房生產(chǎn)能力平均為3 500 t/月，新采礦方式可將產(chǎn)量提高至6 000 ～8 000 t/月，礦房產(chǎn)能大幅提高。

(2)連線(xiàn)爆破只采用4 ～5 個(gè)不同段別的延期雷管按逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)連接方式串聯(lián)，簡(jiǎn)便易施工，不易出錯(cuò)。

(3)采用逐孔起爆破技術(shù)，單響藥量控制在1 ～2個(gè)孔，這有利于周邊巷道的保護(hù)，減少爆破震動(dòng)帶來(lái)的地壓活動(dòng)，特別是地表有居民的地下礦山。

(4)逐孔起爆技術(shù)由于增加了礦巖間的碰撞，改善了爆破塊度，降低大塊率，減少二次爆破頻度，降低炸藥消耗。

(5)預(yù)控頂中深孔逐孔起爆工藝實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)一次爆破成型，減少安全維護(hù)，減少在采空區(qū)作業(yè)時(shí)間，同時(shí)能夠擴(kuò)大爆破規(guī)模、提高生產(chǎn)效率，提高礦山綜合效益。

［1］ 孫恒虎，黃玉誠(chéng)，楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

Sun Henghu，Huang Yucheng，Yang Baogui.Contemporary Cemented Filling Technology［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2003.

［2］ 任吉明，董峻嶺，權(quán)福華.試論金嶺鐵礦階段礦房法的頂板暴露面積［J］.冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，2001，33(1):5-7.

Ren Jiming，Dong Junling，Quan Fuhua. Jinling iron roof on stage room mining method in design and construction of an area of exposed［J］.Metal Mine Design ＆ Construction，2001，33(1):5-7.

［3］ 王 青，任鳳玉.采礦學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

Wang Qing，Ren Fengyu.Mining Science［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2011.

［4］ 張德明，李少磊，徐恩華.新礦山采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

Zhang Deming，Li Shaolei，Xu Enhua. Design Manual of New Mine［M］. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2007.