李延龍 張小瑞 朱欣月 盧二偉 祁澤鋒

摘要：針對謙比希銅礦東南礦體采場上向扇形中深孔鑿巖過程中存在的鉆孔偏斜大，爆破后頂板、邊幫控制差，爆破大塊率高及切割井施工周期長等問題，采用定制鑿巖專用穩(wěn)桿器、炮孔設(shè)計中邊幫使用垂直孔、在原有炮孔設(shè)計2排炮孔中增加輔助排、根據(jù)不同巖石采用不同參數(shù)的孔排距、增加爆破規(guī)模、孔口堵塞長度等措施對上向扇形中深孔爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，并采用優(yōu)化后的上向扇形中深孔爆破一次成井措施和方案在試驗采場進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明：與原方法對比，鉆孔偏斜由15 m孔深偏斜2.0～2.5 m降至偏斜1.0～1.5 m，偏斜率降低50 %～60 %，頂板和邊幫爆破后較平整，爆破大塊率降至10 %以下，15 m切割井施工周期縮短。優(yōu)化后的方案解決了礦山上向扇形中深孔爆破中存在的問題，對提高礦山經(jīng)濟效益、實現(xiàn)礦山達(dá)產(chǎn)具有重要應(yīng)用價值和理論意義。

關(guān)鍵詞：上向扇形中深孔;鉆孔偏斜;邊幫控制;大塊率;穩(wěn)桿器;垂直孔;輔助排;孔排距;爆破一次成井

中圖分類號：TD235.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）02-0051-06

doi：10.11792/hj20220209

引 言

中深孔爆破是地下礦山開采中最常用的爆破破巖方法。國內(nèi)外學(xué)者對于中深孔爆破技術(shù)及其參數(shù)優(yōu)化開展了大量研究。蘇堆田等[1]通過改變炮孔設(shè)計參數(shù)有效提高了炸藥能量的利用率。汪劍[2]針對開陽磷礦對破碎塊度的特殊要求，對影響中深孔回采爆破礦巖塊度（礦巖破碎度）的有關(guān)可控因素（如孔網(wǎng)參數(shù)、起爆參數(shù)、裝填參數(shù)等）作用和相互關(guān)系進(jìn)行比較深入的系統(tǒng)研究，對比了不同中深孔爆破參數(shù)爆破下礦巖塊度的現(xiàn)場檢測和降低礦巖粒度對球磨機磨粉工效影響對比試驗等，確定了最優(yōu)爆破參數(shù)，爆破后大塊率明顯降低。邱賢陽等[3]分析了大直徑深孔爆破側(cè)崩爆破后沖現(xiàn)場的不良后果及產(chǎn)生機理，側(cè)向崩礦時前一次爆破最后一列炮孔爆炸能量的后沖作用使臨爆區(qū)礦巖受到巨大沖擊，導(dǎo)致內(nèi)部裂隙擴展甚至貫通;以凡口鉛鋅礦為例，為減小爆破的后沖作用，優(yōu)化后排孔裝藥結(jié)構(gòu)，建議采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，可使爆破后沖作用減小。

中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司謙比希銅礦（下稱“謙比希銅礦”）根據(jù)礦體開采技術(shù)條件，目前主要采用預(yù)切頂下向平行中深孔采礦法、上向扇形中深孔采礦法、分層充填采礦法及房柱采礦法等4類采礦方法。在采用上向中深孔鑿巖過程中存在鉆孔偏斜大，爆破后頂板、邊幫控制差，爆破大塊率高及切割井施工周期長等問題。針對這些問題，謙比希銅礦開展了中深孔爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，為提高礦山經(jīng)濟效益、實現(xiàn)礦山達(dá)產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

謙比希銅礦位于贊比亞銅帶省基特韋市謙比希鎮(zhèn)，由主礦區(qū)、西礦區(qū)和東南礦區(qū)3個礦區(qū)組成。東南礦區(qū)礦體傾角緩、厚度薄、埋深大，上覆巨厚的含水層，且地表有當(dāng)?shù)刂饕芳捌渌匾牡孛嬖O(shè)施需要保護(hù)，開采難度大[4]。

東南礦體位于主礦體東南約7 km處。東南礦體以0勘探線為界分為南、北2個礦化帶，北礦化帶以53勘探線為界分為N1和N2 2個部分。按采礦順序?qū)1礦體以880 m中段為界分南、北2個采區(qū)進(jìn)行回采。東南礦體屬薄至中厚緩傾斜礦體。礦體頂板一般為上盤石英巖夾泥巖，石英巖穩(wěn)固，偶有節(jié)理發(fā)育部位或泥巖，會出現(xiàn)滑落現(xiàn)象。礦體位于礦化板巖中下盤，一部分礦體的直接頂板為礦化板巖，礦化板巖穩(wěn)固性中等。礦體下盤為礫巖，厚度一般為1～5 m，穩(wěn)固性較差;再往下盤則為下盤石英巖，穩(wěn)固性較好。

東南礦區(qū)礦巖質(zhì)量穩(wěn)定性分級為：礦化板巖屬于Ⅲ級、Ⅳ級巖體，上盤石英巖和下盤石英巖均屬于Ⅱ級巖體，基底花崗巖和下盤礫巖均屬于Ⅱ級巖體。同一類型的巖體質(zhì)量存在一定的差異，是由于同類巖體的賦存條件不同所致[5]。

根據(jù)礦體開采技術(shù)條件，厚度小于6 m、品位較低的礦體采用房柱采礦法回采，品位較高的則采用進(jìn)路采礦法回采;厚度6～12 m的礦體，采用分層充填采礦法回采;厚度12～15 m的礦體，采用預(yù)切頂下向平行中深孔采礦法回采;厚度大于15 m的礦體，采用上向扇形中深孔充填采礦法（見圖1）回采。

2 上向扇形中深孔回采工藝及其存在問題

2.1 采準(zhǔn)切割工程

上向扇形中深孔充填采礦法采場沿走向布置，長度100 m，礦房長80 m，礦柱20 m。采場寬12.5 m，高度為礦體垂厚。采準(zhǔn)穿脈間隔100 m，分段高度20 m。在采場底部沿走向布置鑿巖巷。有條件的情況下，在采場頂部沿走向布置支護(hù)巷。在采場端部布置切割槽，切割槽長5 m，寬12.5 m，高為采場高，槽區(qū)中間布置切割井?；夭蛇^程中通過自動化鏟運機將礦石運至穿脈附近的溜井，再由電機車將礦石運往主溜井。具體布置見圖2。

2.2 鑿巖及支護(hù)參數(shù)

上向扇形中深孔采用Simba 1354鑿巖臺車施工，孔徑76 mm?？拙W(wǎng)參數(shù)為：排距2.2 m，孔底距2.4 m。采場采用錨索支護(hù)，錨索支護(hù)見圖3。錨索孔采用DS421鑿巖臺車施工，錨索孔孔徑51 mm，錨索孔穿過礦體后繼續(xù)施工6.5 m，此段為注漿錨固段。根據(jù)東南礦體井下支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，考慮錨索和炮孔同時施工的便利性，錨索孔排距與炮孔排距一致為2.2 m，單排錨索孔數(shù)為4個或5個。

2.3 裝藥爆破

利用GETMAN裝藥車進(jìn)行現(xiàn)場混裝炸藥作業(yè)，孔內(nèi)雷管采用毫秒微差雷管，段間延期25 ms，采用孔底起爆方式，孔底裝1發(fā)AEL提供的起爆彈，孔口采用導(dǎo)爆索連接，采用瞬發(fā)數(shù)碼雷管起爆。

2.4 存在問題

目前謙比希銅礦東南礦體上向扇形中深孔充填采礦法在試開采過程中暴露出以下問題：

1）每次爆破藥量和礦量小，爆破頻繁，影響生產(chǎn)和安全。

2）炮孔偏斜率大，造成礦體內(nèi)炸藥分布不均勻、不可控。

3）爆破大塊率較高，不僅大大降低了采場的出礦效率，也給采場后期的自動化出礦帶來了風(fēng)險。

4）爆破后采場頂板、邊幫控制較差，尤其是沒有支護(hù)巷的采場，頂板錨索完好率很低，表明錨索控制質(zhì)量較差，爆破后頂板、邊幫冒落的大塊多且大，對后續(xù)出礦造成了很大的影響。

5）上向扇形中深孔爆破時，未形成擠壓爆破，礦石拋擲較遠(yuǎn)，導(dǎo)致爆堆分散。鏟運機需要在采空區(qū)內(nèi)長距離作業(yè)，鏟礦效率低且容易被松石砸中。

6）上向扇形中深孔爆破后，會造成巷道眉線破壞，引起頂板破裂、變形甚至冒落，影響作業(yè)人員安全且容易砸壞鏟運機。

針對以上問題，謙比希銅礦開展了東南礦體中深孔爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，主要為中深孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、中深孔爆破爆堆控制技術(shù)、中深孔爆破眉線控制技術(shù)、中深孔爆破頂板控制技術(shù)、爆破震動控制技術(shù)等的研究。

3 中深孔爆破關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

3.1 上向扇形中深孔鑿巖糾偏

良好的炮孔施工質(zhì)量是后續(xù)作業(yè)的保證，因此鉆孔偏斜問題是需要解決的第一步。東南礦體鉆孔偏斜的原因是傾斜層狀礦體且夾層與巖體可鑿性差別比較大造成的。設(shè)計制作了DL、SIMBA1354上向扇形中深孔鑿巖專用穩(wěn)桿器（見圖4），為上向扇形中深孔鑿巖糾偏工作奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)場在1000-1-2上向扇形中深孔采場使用雙穩(wěn)桿器進(jìn)行的爆破成井鉆孔過程中，15 m深鉆孔偏斜1.0～1.5 m，并通過多次在該采場施工炮孔進(jìn)行了驗證，證明了穩(wěn)桿器的有效性。

3.2 爆破邊幫控制

邊幫控制是解決出礦安全、冒落大塊和二步驟回采問題的基礎(chǔ)，上向扇形中深孔爆破邊幫控制最佳的措施是布置工程時臨近邊幫采用垂直布孔。

東南礦體原上向扇形中深孔爆破設(shè)計參數(shù)為：孔距2.2～2.4 m，排距為2.2 m，設(shè)計中孔距是指兩孔孔底垂直距離，而實際中扇形中深孔孔底之間的距離往往大于其垂直距離，傾角比較大時，孔底之間的距離甚至可達(dá)5.0～6.0 m，如果炮孔偏斜率比較大，則孔底之間距離更大，邊幫屬不可控狀態(tài)。如果礦體比較破碎，經(jīng)常會導(dǎo)致邊幫垮落。原上向扇形中深孔炮孔設(shè)計剖面見圖5。

解決方案是在兩排扇形中深孔之間布置輔助排，施工2個或3個輔助孔（見圖6），這樣兩排間邊幫孔排距縮減為原排距一半，使邊幫孔實現(xiàn)小排距交錯布置，達(dá)到控制邊幫的目的。選擇在1020-1-3采場進(jìn)行試驗，爆破后對現(xiàn)場大塊進(jìn)行了統(tǒng)計，并與原設(shè)計方案效果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，原設(shè)計方案中爆破后大塊率為15 %～20 %，優(yōu)化后大塊率降為8 %～10 %，驗證了該優(yōu)化方案的可行性。

3.3 爆破塊度控制

炮孔直徑確定后，與爆破塊度相關(guān)的因素是：①巖石、巖體的性質(zhì);②排間距（最小抵抗線）、孔底距和填塞長度;③起爆方式與延期時間;④一次爆破量。

炮孔設(shè)計方面，在礦巖整體性比較好時，排間距2.2 m，孔底距2.4～2.5 m;整體性一般時，排間距2.0 m，孔底距2.3～2.4 m;整體性差時，排間距1.8 m，孔底距2.2～2.3 m。爆破方面，爆破規(guī)模增加使爆破自由面出現(xiàn)的次數(shù)減小，按照目前AEL提供的雷管，最大爆破規(guī)模一次可以增加到7排。減小排距可以降低爆破震動，增加填塞長度至2.5 m以上（炸藥發(fā)泡后）有利于眉線保護(hù)。

在1020-1-3試驗采場采用優(yōu)化方案進(jìn)行了3次爆破試驗，分別試驗了上述3種不同的設(shè)計方案，由于該采場巖石完整性較好，炮孔設(shè)計參數(shù)采用第一種。3次試驗均取得較好的爆破效果，3次爆破大塊率較原設(shè)計方案平均降低一半，均為10 %以下，試驗證明可進(jìn)行下一步的驗證工作。其中，兩次爆破后爆堆情況見圖7，圖中測量桿長度為1 m。

3.4 切割井施工

上向扇形中深孔采場切割井原采用人工爬罐法施工，該方法施工周期長，成本高，安全系數(shù)低。為解決上述問題，采用平行空孔一次爆破成井方案，選擇1000-1-2采場進(jìn)行試驗，該采場切割井高度為15 m，直徑設(shè)計為2.5 m。

1）炮孔參數(shù)。采用Simba鑿巖臺車施工13個76 mm炮孔和5個152 mm的空孔。設(shè)計采用5個大孔，其中4個空孔正方形布置，中心布置1個空孔。周邊孔為光面孔，孔徑為76 mm。9個周邊孔布置在直徑為2.50 m的溜井?dāng)嗝孢吘?。炮孔設(shè)計見圖8。

2）實測炮孔偏斜情況。使用測斜儀對施工后的炮孔進(jìn)行測斜，實測結(jié)果見圖9。

3）爆破順序。切割井爆破雷管段位布置和裝藥結(jié)構(gòu)分別見圖10和圖11。采用柱狀藥包（藥卷規(guī)格：藥卷直徑56 mm，長670 mm，質(zhì)量3 kg）。每個孔裝4層藥，第一層裝3條藥，第二層裝3條藥，第三層裝3條藥，第四層裝5條藥;每層裝2個起爆藥，每層藥都為連續(xù)裝藥?？湛撞谎b藥。第一層孔底堵塞水泥塞，第一層裝藥到11.9 m，填砂1.0 m;再裝第二層，填砂至7.7 m處;第三層藥裝到位后，填砂至4.7 m處;第四層藥裝完后，頂部預(yù)留填砂高度為1.3 m。

4）爆破效果。爆破后現(xiàn)場效果見圖12。

由圖12可知，爆破后的切割井基本形成，邊孔大部分爆破成功，且可以看到明顯的半孔。使用全站儀對爆破后切割井進(jìn)行了實測，高度基本達(dá)到設(shè)計高度，說明爆破成井成功。

5）人工切割井與爆破成井對比。15 m切割井施工對比見表1。

由表1可知，爆破成井施工周期為人工施工的一半，成本將近一半。綜合對比得知，采用該爆破成井法施工周期短，成本低，安全系數(shù)高。

4 結(jié) 語

通過研究謙比希銅礦東南礦體上向扇形中深孔采場在爆破回采過程中存在的問題，提出不同設(shè)計方案，并在試驗采場進(jìn)行試驗，解決了爆破中存在的炮孔偏斜大、大塊率高、頂板及邊幫控制差、眉線破壞嚴(yán)重等問題，極大提高了自動化出礦效率，減少設(shè)備消耗成本，提高采場單次爆破礦量，縮短整個采場采出時間，有效地指導(dǎo)井下生產(chǎn)。

本次只針對鉆孔偏斜、邊幫控制、爆破塊度及爆破一次成井問題進(jìn)行了研究，且受現(xiàn)場生產(chǎn)條件限制，未進(jìn)行很多次的重復(fù)驗證，試驗方案只選取單個變量因素進(jìn)行，未針對多個變量進(jìn)行試驗，建議后續(xù)回采過程中從以上幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步研究驗證，并可嘗試將驗證結(jié)果推廣至下向中深孔施工和爆破中。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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[2] 汪劍.開陽磷礦中深孔回采爆破參數(shù)優(yōu)化試驗研究[D].長沙：中南大學(xué)，2004.

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