張寶俊

(中核(廣東)科技有限公司，廣東 韶關(guān) 512029)

天井掘進是礦山開拓和采切工程中一個相當重要的環(huán)節(jié)，天井掘進工程量占礦山年掘進總量的20%～25%[1]664。采用常規(guī)的普通法、吊罐法、爬罐法掘進天井，作業(yè)人員工作環(huán)境惡劣、安全性差、成本高、效率低；采用鉆井法掘進天井，雖然作業(yè)人員不在井內(nèi)施工，工作環(huán)境好、安全系數(shù)高；但施工機械龐大，設(shè)備購置成本高，尤其是施工機械本身還有待完善，因而其應(yīng)用受到限制[2-5]。

相比之下，深孔爆破法成本為普通法的40%，鉆井法的30%；而效率則為普通法的141%，鉆井法的128%；另外在施工作業(yè)環(huán)境和技術(shù)操作方面，該方法也具有很大優(yōu)勢[6]。

深孔爆破法掘進天井的研究始于20世紀50年代，研究人員對深孔爆破法成井技術(shù)進行了研究[7-10]；但對深孔爆破法掘進天井的技術(shù)應(yīng)用不夠成熟，有關(guān)參數(shù)的選擇主要基于經(jīng)驗和工程類比，該方法一直沒能得到普遍推廣。

某鈾礦為了提高井下天井的掘進效率、改善作業(yè)環(huán)境、降低勞動強度并促進技術(shù)進步，參考國內(nèi)外類似工程實例與研究成果，開展了深孔爆破法掘進天井的應(yīng)用研究。

1 工程概況

礦床的含礦巖性主要為硅化碎裂巖、花崗碎裂巖，礦化巖性常發(fā)育絹云母化、赤鐵礦化、螢石化、碳酸鹽化、黃鐵礦化等。生產(chǎn)實踐表明，巖石的可爆性能較好。試驗天井為某鈾礦-150 m的充填法采場的通風(fēng)天井，設(shè)計斷面規(guī)格2 m×2 m，高度為13.6 m。

2 爆破方案選擇

深孔爆破一次成井方案按裝藥結(jié)構(gòu)和掏槽形式可分為直孔掏槽成井和多孔球狀藥包爆破成井。直孔掏槽成井的主要特點：1)以平行空孔為槽孔自由面，進行掏槽爆破；2)將天井劃分為若干分段，分段高度由炮孔偏斜率和空孔決定。多孔球狀藥包爆破成井的主要特點：1)采用球狀藥包爆破；2)將天井劃分為若干分層；3)分層高度由自由面寬度和孔徑?jīng)Q定。

爆破方案的選擇主要應(yīng)考慮巖性、孔偏大小、成井斷面大小和成井高度等(表1)。當巖石韌性大和孔偏大(超過1%)時，不適合采用直孔掏槽方案；當成井斷面較小(<4 m2)或成井高度超過40 m時，采用多孔球狀藥包爆破成井方案不經(jīng)濟。

表1 2種爆破方案的適用條件

根據(jù)礦巖地質(zhì)情況、試驗天井規(guī)格，及礦山現(xiàn)有的鉆機設(shè)備與性能、爆破器材等條件，確定采用直孔掏槽爆破成井方案。為達到研究目的和保證試驗效果，并確保爆下巖石有足夠的碎脹空間，將天井分為兩段、采取分次爆破，即第一次爆破5 m，第二次爆破8.6 m。

3 爆破技術(shù)設(shè)計

3.1 掏槽方式及相關(guān)參數(shù)確定

3.1.1 掏槽方式選擇

考慮到孔深和孔偏，采用桶形直孔掏槽。根據(jù)成井高度，選用若干空孔作為初始自由面和補償空間。有關(guān)資料表明，一次成井高度8 m以下時，采用單空孔；8～15 m時，采用雙空孔；15 m以上時，采用3個以上的空孔[1]667。本設(shè)計采用雙空孔補償方案。

3.1.2 裝藥孔數(shù)

裝藥孔數(shù)和天井的斷面尺寸、巖石的巖性等因素有關(guān)。一般天井斷面越大，巖石堅固性越高，所需炮孔數(shù)越多，裝藥孔數(shù)計算公式為[11]

(1)

式中：N—裝藥孔數(shù)；k—斷面系數(shù)，取1.0；S—天井斷面面積，m2，取4 m2；g—每m3巖石炸藥消耗量，取3.2 kg/m3；r—每m炮孔裝藥量，取3 kg/m；η—炮孔裝藥系數(shù)，一般為0.6～0.8，取0.75。

由式(1)計算得N=5.7。據(jù)此設(shè)計裝藥孔數(shù)為6個，其中布置1個掏槽孔(3#孔)，5個周邊孔(4#～8#孔)。

3.1.3 炮孔間距

根據(jù)現(xiàn)有的HGY-100型地質(zhì)取芯鉆機和采用的鉆頭(φ90 mm和φ75 mm)，掏槽孔與2個補償空孔成三角形布置；其中補償空孔直徑為90 mm，掏槽孔和周邊孔直徑均為75 mm。

掏槽孔與補償孔距離的計算公式為

(2)

式中：a—掏槽孔與補償孔距離，mm；D—補償孔的孔徑，mm；d—掏槽孔和周邊孔的孔徑，mm；K—巖石碎脹系數(shù)，取1.5。由式(2)計算得a=385.6 mm，取a=350 mm。

3.1.4 炮孔布置

根據(jù)以上計算，此天井深孔爆破成井炮孔數(shù)目共計8個(2個補償孔，6個裝藥孔)，炮孔布置設(shè)計如圖1所示。

圖1 炮孔布置設(shè)計圖

3.2 深孔施工質(zhì)量控制

深孔施工質(zhì)量是深孔爆破成井技術(shù)的關(guān)鍵。深孔的偏斜會造成孔口和孔底的最小抵抗線不一致，進而影響爆破效果。深孔的偏斜包括起始偏斜和鉆進偏斜，鉆機性能、立鉆精確度和開孔誤差是引起初始偏斜的主要因素[12]，巖層變化、鉆桿剛度和操作技術(shù)是引起鉆進偏斜的基本因素。

根據(jù)HGY-100型地質(zhì)取芯鉆機性能和爆破方案，確定控制深孔施工偏斜率<1%。

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)

3#掏槽孔采用連續(xù)柱狀裝藥；4#～8#周邊孔采用軸向空氣間隔裝藥(間隔材料為0.30 m或0.35 m長的竹筒)。采用2#號巖石乳化炸藥，設(shè)計裝藥單耗3.2 kg/m3。炮孔全長敷設(shè)導(dǎo)爆索，采用秒延期非電導(dǎo)爆管雷管起爆。

由于深孔為上下貫通狀，為此進行孔底封堵?？椎椎姆舛路椒ǎ?)將鐵絲在炮孔內(nèi)由上向下放到底部，并用鐵絲綁好裝有細沙的編織袋；2)將編織袋提到孔底并拉緊，然后將上口鐵絲固定牢。完成孔底封堵后，倒入細沙進行堵塞，堵塞深度為0.8 m；按設(shè)計完成裝藥后，再倒入細沙進行上部堵塞，堵塞長度為1.6～2.0 m。裝藥結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 孔底封堵示意圖

圖3 軸向空氣間隔裝藥示意圖

4 深孔爆破成井現(xiàn)場試驗

4.1 深孔施工

為保證鉆孔施工質(zhì)量，在鉆孔施工過程中采取了以下措施：1)加設(shè)孔口套管，保證開孔時位置準確；2)將鉆機底柱固定在枕木上，并將鉆機底座用混凝土澆筑固定，保證在鉆進過程中鉆機不會移位；3)施工過程加強測量校核檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時糾偏；4)調(diào)配鉆機熟練操作人員，減少人員操作誤差。

鉆孔測孔記錄見表2，實測鉆孔上下口位置如圖4所示。

表2 鉆孔測孔記錄結(jié)果

圖4 實測鉆孔上下口位置示意圖

由表2和圖4可看出，除6#、8#孔外，其余炮孔的偏斜率均<1%。6#、8#孔為周邊孔，且偏斜后未增大最小抵抗線，不會影響后續(xù)爆破實施。通過質(zhì)量控制，鉆孔偏斜率基本滿足設(shè)計要求，可以進行下一步爆破。

4.2 現(xiàn)場爆破

4.2.1 裝藥

現(xiàn)場試驗時沒有專門定制炸藥，采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長度為0.3 m，藥卷質(zhì)量為0.3 kg。由于裝藥孔徑為75 mm，所以將3節(jié)2#巖石乳化炸藥藥卷用膠帶纏綁后作為裝藥的單節(jié)藥柱。

裝藥時，隨時測量孔底堵塞段、裝藥段、空氣間隔段、上部堵塞段的高度，保證裝藥質(zhì)量。

4.2.2 起爆順序

炮孔起爆順序：掏槽孔3#→周邊孔4#→周邊孔5#和6#同段→周邊孔7#和8#同段。雷管段別分別采用秒延期的3段、5段、7段和9段導(dǎo)爆管雷管，跳段選擇雷管段的目的是使前段爆破的巖石有充分的時間下落，為下段炮孔爆破騰出充足的補償空間。有空孔掏槽爆破槽腔的形成過程大致可以分為巖石破碎階段，巖石渣拋擲充滿槽腔階段，以及巖石碎渣軸向排棄形成有效槽腔階段[13]。雷管跳段起爆是保證爆破效果的有效措施。

兩段分次爆破成井試驗的裝藥參數(shù)見表3。空氣間隔長度按節(jié)長0.30 m或0.35 m的竹筒在孔中均勻布置。

表3 爆破成井試驗裝藥參數(shù)

4.2.3 爆破效果

第一次5 m段爆破后，實測天井斷面為3.6 m2，爆破效果基本達到設(shè)計要求；爆破炸藥單耗為3.85 kg/m2，單耗較高。分析認為炸藥單耗較高的主要原因是沒有根據(jù)炮孔直徑專門定制炸藥，而且因考慮夾制作用適當增加了裝藥用量。

總結(jié)第一次爆破試驗經(jīng)驗，進行第二次爆破現(xiàn)場試驗。此次爆破成功將剩余天井段貫通，實測天井斷面尺寸約為3.3 m2，炸藥單耗為3.17 kg/m3，較第一次的炸藥單耗有所下降。雖然第二次爆破天井斷面較第一次爆破成井規(guī)格略小，但仍能滿足要求。天井貫通效果如圖5所示。

4.3 爆破成井效果評價

通過兩次現(xiàn)場深孔爆破成井試驗，驗證了2 m×2 m天井深孔爆破成井的炮孔布置參數(shù)、堵孔方法、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的可行性，確定了深孔爆破成井分段爆破高度在5～8 m，基本達到了預(yù)期的指標要求。

圖5 天井貫通效果圖

5 結(jié)論

深孔爆破成井技術(shù)的一次爆破成井高度可達8 m，深孔爆破成井現(xiàn)場試驗驗證了此工藝技術(shù)和參數(shù)在該鈾礦的應(yīng)用效果。深孔爆破成井技術(shù)安全可靠、技術(shù)可行，本研究為下一步開展深孔爆破一次成井技術(shù)研究與實施奠定了基礎(chǔ)。