洛鉬集團(tuán)礦山公司深孔爆破一次成井的試驗(yàn)研究

楊榮彥，穆永慶，劉廣興

（河南洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)礦山公司， 河南 洛陽市 471542）

洛鉬集團(tuán)礦山公司深孔爆破一次成井的試驗(yàn)研究

楊榮彥，穆永慶，劉廣興

（河南洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)礦山公司， 河南 洛陽市 471542）

根據(jù)礦山生產(chǎn)需要，對(duì)1條20m深的井進(jìn)行一次爆破成井試驗(yàn)。通過確定可行的掏槽方式、合適的裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)與爆破網(wǎng)絡(luò)，試驗(yàn)取得了成功，為40m以上深孔爆破一次成井提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該方案和技術(shù)參數(shù)可為露天礦山掘進(jìn)地下空區(qū)充填井筒提供參考。

地下采空區(qū)；一次爆破成井；布孔方式；裝藥結(jié)構(gòu)；爆破網(wǎng)絡(luò)

1 概 述

由于歷史原因，洛鉬集團(tuán)礦山公司露天開采境界內(nèi)留下了面積近2000萬m3的地下采空區(qū)，且未經(jīng)任何處理，大小不一，重疊交錯(cuò)，嚴(yán)重危及到礦山公司的正常安全生產(chǎn)。為將露天開采的廢石充填至地下空區(qū)，需要開鑿露天坑到空區(qū)的天井。為此試驗(yàn)了深孔爆破一次成井技術(shù)。深孔爆破一次成井是在大型空區(qū)頂板上方布置深孔，以下部空區(qū)為補(bǔ)償空間和自由面爆破，一次形成由空區(qū)通往地表臺(tái)階面的垂直天井。

公司與相關(guān)院校合作，通過一次爆破成井試驗(yàn)，確定了可行的掏槽方式、合適的裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)與爆破網(wǎng)絡(luò)，為40m以上深孔爆破一次成井試驗(yàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，并最終實(shí)現(xiàn)80m深孔一次爆破成井。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)位置及空區(qū)情況

試驗(yàn)區(qū)選擇在E區(qū)1354水平，因?yàn)榇藚^(qū)空區(qū)已探明，其場地有穿孔施工條件，該區(qū)巖性屬矽卡巖，為三道莊礦區(qū)主要含礦巖層，具有很好的代表性；其次，該區(qū)施工時(shí)不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成任何影響；此外，此區(qū)屬待處理空區(qū)，施爆成功與否，不會(huì)對(duì)下步空區(qū)處理帶來任何影響。爆區(qū)位置見圖1。

圖1 空區(qū)范圍與孔位布置

矽卡巖型礦石致密堅(jiān)硬，硬度系數(shù)14～16，松散系數(shù)為1.5，屬堅(jiān)韌難爆型礦巖。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)構(gòu)造帶出現(xiàn)，巖層穩(wěn)固性好。1354水平以下20m為1324水平空區(qū)，根據(jù)空區(qū)掃描分析，1324空區(qū)呈橢圓扁形，長28.91m，寬15.83m，高8.5m，面積約400m2，體積約3000m3。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)選擇

2.2.1 炮孔孔徑選擇

經(jīng)驗(yàn)表明，鑿巖時(shí)，成孔速度隨孔徑加大而下降，爆破時(shí)，每個(gè)炮孔負(fù)擔(dān)的面積比較小，在一定范圍內(nèi)，炮孔數(shù)不會(huì)隨孔徑的增加而明顯減少，采用潛孔鉆機(jī)施工，孔徑一般為Φ80～140mm。考慮炮孔成孔速度、爆破經(jīng)濟(jì)性和礦山公司實(shí)際，炮孔孔徑確定為Φ115mm。

2.2.2 掏槽方式與空孔孔徑選擇

為了一次爆破成井高度達(dá)到40m以上，必須選用大空孔作自由面的平行炮孔掏槽方式。空孔大小取決于成井高度和控偏能力，一般為掏槽孔面積的4～6倍，掏槽孔孔徑Φ115mm，空孔孔徑應(yīng)為Φ220～275mm，考慮到大直徑空孔具有掏槽面積大和有利于槽腔爆破的特點(diǎn)，選擇空孔孔徑Φ250 mm。

實(shí)踐表明，7m以下的天井采用單空孔，7～15 m的天井采用2個(gè)空孔，而15m以上的天井必須采用3個(gè)空孔，考慮到要滿足40m一次爆破成井要求，選用4個(gè)空孔，中心主掏槽孔與4個(gè)空孔按5孔桶形掏槽布置，周圍正方形布置4個(gè)空孔，見圖2。

圖2 炮孔布置

2.2.3 空孔與中心掏槽孔孔間距選擇

基于補(bǔ)償空間理論，中心主掏槽孔與空孔的孔間距a滿足：

計(jì)算為：a＝488mm。

基于破碎范圍理論，中心主掏槽孔與空孔的孔間距a滿足：

計(jì)算為a＝345～565mm。

由前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在a＝4d時(shí)，爆破能夠擊穿，對(duì)裝藥孔直徑d＝110mm擊穿范圍可達(dá)到500～600mm。

考慮到鉆孔時(shí)不可避免的偏斜，在偏斜率最大0.5%時(shí)，22m天井一次成孔，底部偏斜約100mm。

考慮以上3種情況，當(dāng)中心主掏槽孔與空孔孔間距取450mm時(shí)，中心主掏槽孔爆破的自由面系數(shù)f＝0.77＞0.5，故選取a＝450mm。

2.2.4 輔助掏槽孔位置確定

中心主掏槽孔爆破后，與每個(gè)空孔形成切割槽腔，總體呈蓮花形，槽腔空間較小，為擴(kuò)大槽腔，增加4個(gè)輔助掏槽孔，它們正方形分布在中心主掏槽孔周圍。

2.2.5 輔助孔位置

基于自由面系數(shù)原則，輔助孔布置在掏槽孔空孔連線的延長線上，避免掏槽孔爆破時(shí)對(duì)其造成沖擊。按輔助孔的設(shè)計(jì)位置，計(jì)算知：f10＝1.1/1＝1.1，f11＝3.21/1.95＝1.65，f12＝1.1/1.2＝0.92，f13＝3.21/2.25＝1.43，輔助孔爆破自由面系數(shù)滿足要求。

基于補(bǔ)償空間原則，掏槽孔爆破巖石較碎，要滿足n＞2.0；輔助孔爆破滿足n＞1.8。由表1可知，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足此要求。

表1 補(bǔ)償空間計(jì)算

2.2.6 分段高度的確定

當(dāng)n＞1.7時(shí)，分段高度可取7～10m，考慮到第1分段炮孔偏斜率大，取第1分段高度6.5m，其余作為第2分段，即第2分段高度為13.5m。

2.3 孔位布置

（1）總體考慮。由于空區(qū)為橢圓扁形，其底部寬度只有15.83m，若設(shè)計(jì)周邊孔，則一次成井?dāng)嗝娉叽?m×5m，成井高度20m，按1.60的松散系數(shù)計(jì)算，爆破后松散巖體的體積為800m3，按空區(qū)高度8.5m，其底部寬度15.83m、長28.91m，巖渣堆積角40°計(jì)算，當(dāng)落石填塞到空區(qū)頂板時(shí)，容納碎石量為1540m3，完全可以堆積下800m3的碎石，天井觀察效果明顯，一次爆破成井的補(bǔ)償空間滿足要求。

（2）掏槽孔布置。共布置9個(gè)掏槽孔，其中1?？诪橹行闹魈筒劭?，3＃、5＃、7＃、9＃孔為輔助掏槽孔，2＃、4＃、6＃、8＃為空孔。掏槽孔孔徑Φ115mm，孔深20m左右，下透空區(qū)，空孔孔徑Φ250mm，孔深20m左右，下透空區(qū)。4個(gè)空孔呈邊長為0.99 m的正方形布置，4個(gè)輔助掏槽孔呈對(duì)角線長1.4 m的正方形布置。

（3）輔助孔布置。10＃、11＃、12＃、13＃孔為輔助孔，孔徑Φ115mm?？咨?0m左右，下透空區(qū)。4個(gè)輔助孔呈近似菱形布置在中心掏槽孔周圍，10＃輔助孔與2＃空孔之間中心距為1m，11＃輔助孔與4?？湛字g中心距為1.5m，12＃輔助孔與6?？湛字g中心距為1.2m，13＃輔助孔與8?？湛字g中心距為1.8m。

（4）周邊孔布置。14＃、15＃、16＃、17?？诪檩o助孔，孔徑Φ115mm?？咨?0m左右，下透空區(qū)。4個(gè)周邊孔呈邊長為5m的正方形布置。

孔位坐標(biāo)如圖1所示，炮孔布置見圖2。

2.4 炮孔施工

首先利用GPS確定孔口位置，并用紅油漆定點(diǎn)。用潛孔鉆機(jī)鉆鑿Φ115mm炮孔，用牙輪鉆機(jī)鉆鑿Φ250mm空孔?？咨?0m左右，鉆孔偏斜率應(yīng)小于0.5%。

鉆孔過程中要進(jìn)行孔位偏斜的實(shí)時(shí)監(jiān)測，要嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行施工，確保孔位偏斜率滿足要求。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)炮孔巖性的記錄，特別記錄每個(gè)孔的虛碴厚度。

2.5 炸藥及裝藥結(jié)構(gòu)

（1）炸藥。選用河南前進(jìn)化工廠生產(chǎn)的2＃巖石露天乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ90mm×400mm，每卷藥重3kg。

（2）裝藥結(jié)構(gòu)。為減小掏槽孔對(duì)附近炮孔的破壞，根據(jù)各孔線裝藥密度，確定掏槽孔分段內(nèi)采用分段間隔裝藥，裝藥0.5m，間隔0.3m，用Φ100mm塑料管間隔，分段內(nèi)敷設(shè)導(dǎo)爆索；輔助孔分段內(nèi)連續(xù)柱狀裝藥，第一段裝藥5.4m，第二段10.8m；周邊孔分段內(nèi)連續(xù)柱狀裝藥，第一段裝藥5.4m，第二段10.3m。對(duì)4個(gè)補(bǔ)償空孔，在第一分段不同高處各懸空吊裝一卷3kg炸藥，藥卷用編織袋包裹成200 mm的圓柱，加強(qiáng)對(duì)空孔壁的保護(hù)，同時(shí)通過此藥卷爆炸所產(chǎn)生的爆炸氣體沿空孔上下作功，加速破碎巖體的拋渣，為該分段輔助掏槽孔提供足夠的補(bǔ)償空間。藥包所懸吊的位置可通過圖3計(jì)算求得，炸藥破碎角按標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗算取45°，則h＝0.45m，H＝0.75m，取 H＝0.8m，即2＃懸吊藥包底部到第一分段頂面0.8m 的高度，4＃、6＃、8＃一次往上增加0.5m的高度懸吊。對(duì)于空孔采取不耦合裝藥。選取裝一卷3kg炸藥，按照聲學(xué)及氣壓學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算，不會(huì)對(duì)孔壁造成破壞。每分段裝藥中各裝藥孔均裝入一發(fā)1kg起爆彈。

（3）起爆藥包、導(dǎo)爆索位置。為了排碴，將起爆藥包裝于各分段上部距填塞巖粉0.21～0.74m處。要求布置導(dǎo)爆索在孔內(nèi)遠(yuǎn)離空孔的那一側(cè)，有利于加速破碎巖體和排渣。

圖3 空孔藥包位置的確定

（4）填塞要求。分段間隔必須滿足4個(gè)條件：大于藥包粉碎圈半徑；大于炸藥殉爆距離；確保后爆藥包不受過分積壓；小于藥包抵抗線。如圖4所示，為了保證在中心主掏槽孔爆破時(shí)不破壞臨近裝藥孔的堵塞，而導(dǎo)致輔助孔炸藥下落影響試驗(yàn)效果，輔助掏槽孔的堵塞高度應(yīng)高于0.4m，輔助爆破孔的堵塞高度應(yīng)高于0.5m。本次爆破孔深20m左右，裝藥孔分兩段，第一分段高6.5m，第二分段高13.5 m。根據(jù)以上要求，確定掏槽孔分段間隔0.8m，中心主掏槽孔下部堵塞0.5m，上部堵塞1.2m；輔助掏槽孔上部堵塞1.5m，下部堵塞0.8m，并在堵塞部位的上端和下端各加一堵孔塞；輔助爆破孔上部堵塞2m，下部堵塞0.8m，同樣在堵塞部位的上端和下端各加一堵孔塞；周邊孔上部堵塞2.5m，下部堵塞0.8m，同樣在堵塞部位的上端和下端各加一堵孔塞?？紤]到第一分段起爆后會(huì)在本分段藥頂部水平的基準(zhǔn)上爆下0.3m，故分段間堵塞長度在底部堵塞長度的基礎(chǔ)上再加長0.3m，即中心主掏槽孔堵塞0.8m；因?yàn)榈诙侄伪茣r(shí)夾擊性變大，所以，輔助掏槽孔、輔助爆破孔和周邊孔堵塞長度與中心主掏槽孔一致，堵塞0.8m，為了保險(xiǎn)，同樣在0.8 m堵塞尾砂的上端也加一30cm堵孔塞，以防止在炮孔堵塞尾砂泄漏時(shí)炸藥掉落。底部、上部、各分段間均用尾砂充填。為了保證掏槽爆破的爆炸氣體不上沖，在4個(gè)空孔的孔口均用炮泥堵塞1.0m。

圖4 裝藥孔堵塞長度示意

2.6 起爆順序與微差時(shí)間

2.6.1 起爆順序

起爆順序根據(jù)自由面系數(shù)和補(bǔ)償空間計(jì)算確定。首先，在自由面系數(shù)滿足f＞0.5的前提下，f值越大爆破效果越好。由孔位尺寸知，按1＃－3＃－7＃－5＃－9＃－10＃－12＃－11＃－13＃順序起爆最理想。

其次，從補(bǔ)償系數(shù)n＞2.0的要求考慮，從圖5和表1知：當(dāng)中心主掏槽孔起爆后，形成一個(gè)蓮花形槽腔，3＃、7＃孔起爆，補(bǔ)償系數(shù)2.02，滿足起爆要求；3＃、7＃孔爆破后，擴(kuò)大的槽腔可以滿足5＃、9?？淄瑫r(shí)起爆；掏槽孔爆破后，形成一個(gè)完整的槽腔，輔助孔10＃、12?？灼鸨?，補(bǔ)償系數(shù)2.08，滿足起爆要求；輔助孔10＃、12?？灼鸨螅倨鸨?1?？?，補(bǔ)償系數(shù)2.29；11＃孔起爆后，再起爆13?？?；13?？灼鸨?，再起爆周邊的15＃和17?？?；15＃和17＃孔起爆后，最后起爆14＃和16?？住?/p>

圖5 炮孔起爆順序

2.6.2 微差時(shí)間

考慮到補(bǔ)償空間問題，在分段內(nèi)輔助掏槽孔起爆前必須保證中心主掏槽孔爆破的蓮花形空腔內(nèi)碎石已經(jīng)完全下落到底部裝藥水平以下，即必須保證所爆出空腔內(nèi)碎石下降7m的高度，其它各延時(shí)起爆孔微差時(shí)間間隔同此要求。

根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算，在本次試驗(yàn)中選取：第一分段選取微差間隔時(shí)間t1＝700ms；第二分段選取微差間隔時(shí)間t2＝900ms。

3 試驗(yàn)材料消耗

炮孔孔徑Φ115mm，采用Φ90mm藥卷裝藥時(shí)，根據(jù)前期試驗(yàn)得出孔內(nèi)的裝藥密度1.2g/cm3，每米炮孔裝藥量為12.46kg。

根據(jù)裝藥及堵塞充填結(jié)構(gòu)計(jì)算出：

（1）中心主掏槽孔總裝藥量Q1為144.41kg，線裝藥密度7.22kg/m；

（2）輔助掏槽孔總裝藥量Q2為548.24kg，線裝藥密度6.85kg/m；

（3）輔助爆破孔總裝藥量Q3為807.4kg，線裝藥密度10.01kg/m；

（4）周邊孔總裝藥量Q3為782.5kg，線裝藥密度9.78kg/m；

（5）4空孔中各懸吊一個(gè)3kg藥卷，裝藥量總量為12kg。

經(jīng)計(jì)算，本次爆破總藥量Q為2295kg，爆破總方量V＝20×25＝500m3。炸藥單耗Q/V 為4.59 kg/m3。

奧瑞凱導(dǎo)爆管、鐵絲、導(dǎo)爆索、起爆彈等材料根據(jù)實(shí)際需要備用。

4 起爆方法和起爆網(wǎng)絡(luò)

采用奧瑞凱導(dǎo)爆管雷管，炮孔內(nèi)層間采用雙雷管起爆。爆破網(wǎng)絡(luò)見圖6。

圖6 起爆網(wǎng)絡(luò)

自下而上分兩層爆破，第一分段孔內(nèi)全部采用5000ms孔內(nèi)雷管，第二分段孔內(nèi)全部采用7000ms孔內(nèi)雷管，第一分段內(nèi)孔外延時(shí)微差間隔均取700 ms，第二分段內(nèi)各個(gè)微差間隔均取900ms，分層間微差時(shí)間取700ms。

5 安全措施

（1）爆破飛石的安全距離。計(jì)算爆破飛石的距離為460m，由于爆區(qū)周邊500m沒有建筑物，不會(huì)對(duì)地表建筑物造成影響，但爆區(qū)周邊300m范圍內(nèi)的設(shè)備需移走，對(duì)爆區(qū)周邊300～500m范圍內(nèi)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

（2）爆破地震效應(yīng)。最大段別藥量為135kg，通過計(jì)算，爆區(qū)周圍50m質(zhì)點(diǎn)振速達(dá)到1.48cm/s。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》“礦山井下巷道、硐室工程允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為15～30cm/s”，所以本次爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)周邊50m以內(nèi)的空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

（3）施工期間，在距試驗(yàn)區(qū)20m內(nèi)安置地壓監(jiān)測點(diǎn)，以便于監(jiān)測，確保施工安全。深孔成井成功后，應(yīng)在地表圈出范圍，做好標(biāo)記，人員設(shè)備不能擅自進(jìn)入。在深井周邊20m范圍內(nèi)對(duì)下部圍巖進(jìn)行不間斷監(jiān)測，確保安全。

6 結(jié) 論

該項(xiàng)試驗(yàn)歷時(shí)兩周，完成了鉆孔的精確施工，經(jīng)驗(yàn)收各項(xiàng)質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。并于2012年5月嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了爆破作業(yè)。

爆破后，形成了一個(gè)近似5.5m×5.5m，較為規(guī)則的垂直柱狀井筒，井壁較為光滑，實(shí)現(xiàn)了一次爆破成井設(shè)計(jì)的目的，并為今后類似工程提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

［1］ 鄧三才，唐其林.垂直深孔中部間隔裝藥技術(shù)在露天灰?guī)r采石場的應(yīng)用［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31（3）：94－96.

［2］ 羅 勇.聚能效應(yīng)在巖土工程爆破中的應(yīng)用研究［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

［3］ 潘輝霞.爆破工程設(shè)計(jì)施工常用數(shù)據(jù)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范速用速查手冊(cè)［M］.北京：中國知識(shí)出版社，2006.

［4］ 于亞倫.工程爆破理論與技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

2012－06－29）

楊榮彥（1966－），男，河南洛陽人，工程師，從事礦山開采技術(shù)工作，Email：lcyangry＠163.com。