胡洪文，史秀志，周樹光，茍永剛，陳剛，張世安，闞忠輝，李林軍

(1.安徽銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司，安徽 合肥 231500；2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

天井在礦山的生產(chǎn)過程中用途十分廣泛，提升、通風、人行、溜礦、充填和切割都少不了天井，掘進一條天井所需要的工程量約占礦山年度掘進總工程量的五分之一以上[1]，因此如何安全高效掘進天井一直是礦山研究的熱點內(nèi)容。

目前天井掘進的主要方法有傳統(tǒng)天井掘進法、鉆井法和爆破法。對于傳統(tǒng)天井掘進法，無論是普通法、吊罐法或爬罐法，施工時人員均需要站在環(huán)境惡劣的井筒內(nèi)部，并且成本較高、效率較低；在施工作業(yè)時，工人的安全性不高。鉆井法在礦山的應用，使諸多不利因素得到較好的改善，改善了施工環(huán)境，提高了安全性。但是該方法的鉆井機械本身尚不完備，因此鉆井法的應用受到一定限制。深孔爆破一次成井的成本是機械鉆井法的30%，是普通法的40%，而成井效率卻是機械鉆井法的128%，是傳統(tǒng)法的141%[2?3]。目前爆破一次成井技術得到了越來越多礦山的廣泛應用[4?6]。

以沙溪銅礦?530 m 水平FZ106 和?705 m 水平T308 兩個采場的底部塹溝切割井為例，對爆破設計方案及施工流程進行詳細分析。

1 工程爆破參數(shù)設計

安徽銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司沙溪銅礦區(qū)在長江鐵、銅成礦帶的中段北緣地帶，地處長江中下游，滁(州)—廬(江)巖漿構造帶的中南部，在礦區(qū)東北段有菖蒲山—盛橋復式背斜。該區(qū)域的工業(yè)銅礦體賦存標高為51.38～?1056.41 m，最小埋深為3.40 m，最大埋深為1090.91 m，主要賦存在石英閃長斑巖體內(nèi)，總體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，伴生有用組分主要為金、銀、硫，少量伴生鉬等[7]。

沙溪銅礦設計年產(chǎn)量為330 萬t/年，目前采用大直徑深孔落礦嗣后充填采礦法開采，采場設計長為80 m，寬為30 m，階段高為60 m，底部采用塹溝底部結構，塹溝巷道設計規(guī)格為3.8 m×3.5 m。塹溝切割天井設計高度一般為12 m，斷面規(guī)格為2 m×2 m。塹溝切割井原采用普通法進行施工，效率低下、安全風險高，因此，開展中深孔一次成井研究是很有必要的。

1.1 掏槽方式設計

目前直孔掏槽法常用的掏槽方式有九孔掏槽、單螺旋掏槽、對稱菱形掏槽、筒形掏槽等[8]，以上布置方式均需要較多空孔且多采用小直徑掏槽炮孔布置，掏槽孔越密，穿孔的幾率越大，對鑿巖的要求越高。從直孔掏槽的機理來看，如果采用逐個起爆的炮孔起爆方式，無論炮孔如何排列，只要有合理的炮孔間距，且在容許的破巖體積范圍以內(nèi)，理論上天井爆破都是可以實現(xiàn)的，這就意味著可以采用減少空孔數(shù)量的大空孔方式。因此，根據(jù)工程類比以及沙溪銅礦現(xiàn)場實際情況，初步擬定2 個布孔方案，如圖1 所示。

圖1 炮孔布孔方案

1.2 炮孔孔徑設計

在選擇炮孔孔徑時，往往需要綜合考慮理論設計與現(xiàn)場實際，例如礦山設備情況、設備打孔的速度如何、經(jīng)濟效應是否能達到預期等，綜合考慮后將掏槽孔確定為Φ105 mm，其他裝藥孔炮孔孔徑確定以Φ76 mm 為主。由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，裝藥孔與空孔之間存在著巖石破碎角，因此空孔直徑必須比裝藥孔的直徑大才對巖石破碎有利，并在爆破后形成一個破碎漏斗?？湛椎目讖接墒剑?）確定，經(jīng)過計算得出空孔與裝藥孔的直徑存在一定的比值關系，前者與后者的比值不小于1.7。結合實際得出大孔徑爆破時提供的補償空間大，容易破碎巖石，故選擇空孔孔徑為Φ140 mm。

式中，D，d分別為空孔和裝藥孔直徑；α表示巖石爆破破碎角，直孔掏槽時要求2α≥30°。

1.3 補償空間設計

補償空間可以分成2 種，爆破時由空孔為首響的炮孔破碎巖石提供一定的空間，這種補償空間稱為初始補償空間；另一種為巖體補償空間，這個為所有巖石爆破提供的空間一般由天井爆破中的下部巷道提供。補償空間的計算公式如式（2）所示。巖石的碎脹系數(shù)一般為1.25～1.5，設計補償系數(shù)需要大于巖石的碎脹系數(shù)。

1.4 主掏槽孔與空孔間距設計

在確定了空孔和裝藥孔的孔徑之后，兩孔的孔間距成為影響掏槽的重要參數(shù)。巖石的夾制力隨炮孔間距的增大而增大，這樣會導致巖石破碎角變小，補償空間也隨之變小，空孔的作用受到了限制，當距離超過一定極限之后，爆破的破碎巖體可能會直接“擠死”。距離太小時容易串孔，也會直接影響爆破效果。根據(jù)掏槽爆破補償空間理論可得L：

式中，K為巖石碎脹系數(shù)；L為掏槽孔與空孔之間的距離。經(jīng)計算得：L=0.46～0.83 m。

1.5 其他炮孔位置設計

炮孔依據(jù)位置和作用的不同，將其用不同的名稱區(qū)別，在“爆破一次成井”中炮孔可分為掏槽孔、輔助孔和周邊孔。炮孔中留有一至多個不裝藥的空孔為爆破提供補償空間；輔助孔在爆破掏槽時起輔助作用；天井爆破的形狀由周邊孔控制。

各個炮孔在爆破中起的作用以及孔位布置要嚴格按照要求確定，為保證掏槽成功，在確定掏槽孔時，必須嚴格參照“補償空間法”布置。掏槽爆破成功會提供自由面，并且隨著爆破的作用，自由面進一步加大，后續(xù)的輔助孔、周邊孔爆破可以利用的自由面也越來越多。掏槽孔的爆破也會影響周邊孔的孔距，因為只按補償空間法計算補償空間，所需要的自由面對應的最大孔距比天井的斷面尺寸還要大，在這種情況下面臨的是在設計中本應該破碎的巖體在實際中能否破碎的問題。所以為了保證巖石完全破碎，在確定周邊孔時要考慮好炸藥單耗，確定其爆破過程中達到破碎的要求。

1.6 延期時間設計

由于在爆破過程中面臨的情況比較復雜，目前掏槽爆破延期時間的計算很難準確描述，因此，在實際操作中，更多采用以往實踐成功的經(jīng)驗和案列類比來確定。隨著研究的深入，巖石破碎有了更多的成果，在此期間對孔間延期時間的分析有了更進一步的發(fā)展。

空孔掏槽爆破經(jīng)過巖石破碎、巖石巖碴拋擲、巖石碎碴軸向排棄這3 個階段形成槽腔?；谧杂擅娴睦庙樞?，各種孔的爆破順序嚴格按照一定的順序起爆，空孔由于不裝藥，提供的自由面比較多，掏槽爆破時以這個空間將巖塊拋離原巖，當巖塊與原巖分離至一定空間后會形成一個更大的自由面，此時輔助孔才會起爆，而周邊孔的起爆則更后，在相鄰輔助孔將巖石拋離原巖以后，周邊孔會借助平行方向上形成的一個比較充分的自由面，當此自由面比較充分的時候，爆破的周邊眼會形成一個比較好的光面效果。產(chǎn)生新自由面、碎巖完全脫離、巖碴排出槽腔，這3 個過程所耗費時間的總和剛好就是合理的延期時間，具體如下式所示：

式中，T為有空孔掏槽爆破合理微差時間；t1為破碎槽腔內(nèi)巖石所耗費的時間；t2為巖石碎碴拋向空孔并充滿槽腔的時間；爆破后，槽腔內(nèi)的剩余氣體仍舊存在氣體壓力，在氣體壓力的作用下巖石擠壓膨脹形成一個爆腔，t3為爆腔形成過程中所耗費的時間；w為最小抵抗線，取0.8 m；Cp為巖石縱波速度，5729 m/s；Cf為裂隙擴展平均速度，Cf=0.38Cp；Bw為裂隙擴展發(fā)育的寬度，8～10 mm；Lf為裂隙擴展后延伸的距離，Lf=1.4w；Vcp為巖石拋擲過程的速度，取20 m/s；Y為破碎后巖體朝自由面移動的距離，距離空孔較遠的周邊孔和輔助孔的Y為最小抵抗線距離，即Y=w，而對于空孔附近的掏槽孔Y即一次爆高，取12 m；Vf為破碎巖石的平均飛行速度，155～137 m/s。

由式（4）計算可得，掏槽孔各段之間延期時間不小于89 ms，才能保證掏槽孔爆破槽腔的形成。

2 現(xiàn)場試驗

最終按照前一節(jié)設計的方案在沙溪銅礦進行現(xiàn)場試驗，其中方案一在?530 m 水平FZ106 底部塹溝采場進行試驗，方案二在?705 m 水平T308 采場的底部塹溝進行試驗。

2.1 現(xiàn)場施工

所有炮孔均采用T100 高氣壓環(huán)形潛孔鉆機進行施工。打孔時，先用Φ105 mm 鉆頭對掏槽孔進行施工，待掏槽孔施工到位后以掏槽孔為定位孔對周邊的空孔施工，Φ140 mm 空孔由Φ105 mm 鉆孔經(jīng)一次擴孔而成?？湛资┕さ轿缓螅俑鶕?jù)設計要求對輔助孔和周邊孔施工。炮孔施工過程中須保證質量，將炮孔的偏斜率控制在1%范圍內(nèi)，以避免串孔，當出現(xiàn)誤差時要及時根據(jù)參數(shù)進行校準。方案一所有炮孔深度為12.5 m，方案二所有炮孔深度為11.5 m。

爆破現(xiàn)場采用裝藥器裝藥，裝藥器與高壓風管連接，借助高壓風流，將炸藥吹入炮孔，本文采用的炸藥為多孔粒狀銨油炸藥，導爆索與導爆管雷管組成非電復式起爆網(wǎng)路，采用起爆彈起爆，所有炮孔全長鋪設導爆索，炮孔裝藥完畢后用炮泥堵塞好。依據(jù)“抵抗線最小者先起爆”的原則，起爆順序采用掏槽孔率先起爆，然后起爆輔助孔，周邊孔最后起爆的起爆順序。

2.2 爆破效果

2 次現(xiàn)場試驗后對爆破效果進行觀察以及三維探測發(fā)現(xiàn)，2 個方案均能得到良好的效果，成井深度達到設計要求，成井直徑為1.9～2 m，井壁規(guī)整（見圖2），且爆破塊度均勻，大塊率低，表明沙溪銅礦兩種切割天井的炮孔布置參數(shù)與爆破設計是合理的，能夠達到試驗預期目標。

圖2 爆破一次成井效果

3 結論

從沙溪銅礦底部塹溝切割天井的試驗結果可以得出：在成井高度較高時，采用雙區(qū)掏槽較為可靠；在成井高度較低時，單區(qū)掏槽也能取得良好的爆破效果，且可以減少鑿巖成本。該技術可以為將來國內(nèi)外施工類似天井提供技術支撐，可以在類似的溜井施工和天井掘進中推廣應用。