地下采礦切割槽形成技術(shù)研究

羅 佳，柳小勝，宋嘉棟，林衛(wèi)星，詹 進(jìn)，歐任澤

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長沙410012）

地下采礦切割槽形成技術(shù)研究

羅 佳1，2，柳小勝1，2，宋嘉棟1，2，林衛(wèi)星1，2，詹 進(jìn)1，2，歐任澤1，2

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長沙410012）

切割槽爆破是采場回采前的最后一道工序，也是關(guān)鍵工序，由于施工條件復(fù)雜，一直是礦山開采的難點之一。綜合分析國內(nèi)外礦山現(xiàn)狀，根據(jù)有無切割天井對切割槽形成技術(shù)分為有切井拉槽和無切井拉槽兩大類，結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，對相應(yīng)的工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，對礦山切割形成技術(shù)具有積極的指導(dǎo)作用。裝備的發(fā)展和工藝的創(chuàng)新是切割槽形成技術(shù)的發(fā)展方向，移動式升降平臺、天井鉆機掘進(jìn)天井和多鑿巖中心的工藝可在類似礦山推廣應(yīng)用。

切割槽；切割天井；移動式升降平臺；天井鉆機；中深孔

采場回采時，一般先在采場端頭布置切割巷，以切割巷為起點全斷面豎直拉開采場形成切割槽，切割槽形成之后，后退式回采，后排炮孔依次爆破直至回采整個礦房［1］。切割槽的形成是礦房回采前的最后一道工序，也是相當(dāng)重要的一道工序，其目的就是為采場爆破提供自由面和足夠的補償空間，為大規(guī)模崩礦做好準(zhǔn)備。礦山多年的生產(chǎn)經(jīng)驗表明，切割槽成槽效果對采場大規(guī)模崩礦影響較大，切割槽爆破效果理想，采場回采就順利，礦石回收率高，爆破塊度均勻。反之，切割槽形成效果不好的采場，出現(xiàn)懸頂、懸?guī)?、爆破大塊多的情況較多，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)和采場各項經(jīng)濟指標(biāo)的完成［2］。

切割槽形成時由于所處位置位于采場端部，作業(yè)空間小，補償空間有限，環(huán)境復(fù)雜，施工難度大，周期長。采場垂直走向布置時，切割槽一般布置在礦巖交界的位置，由于巖性差異，節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎帶孕育，切割槽位置通常礦巖穩(wěn)定性較差。因此，作為礦房回采前的最后一道工序，有必要快速施工形成切割槽，減少爆破作業(yè)次數(shù)和施工時間，實現(xiàn)安全生產(chǎn)、快速達(dá)產(chǎn)的目的。

1 切割槽形成技術(shù)歸類

由于切割槽形成對采場回采的重要性，國內(nèi)外礦山對切割槽形成技術(shù)進(jìn)行了較多的研究，形成了適合各自特點的切割槽形成技術(shù)。礦山采用比較多的切割槽技術(shù)有無切井楔形拉槽、中深孔全斷面拉槽、切割天井拉槽、大直徑深孔拉槽、束狀孔球狀藥包拉槽等［3-5］。

采場回采前的切割作業(yè)主要施工的工程有切割巷道、切割天井，然后形成全斷面的切割槽。根據(jù)天井施工情況，切割槽的形成可以分為有切割天井拉槽和無切割天井拉槽兩大類。有切割天井拉槽是在先形成天井的基礎(chǔ)上，以天井作為切割槽爆破的中心并提供自由面和補償空間進(jìn)行切割槽作業(yè)；無切割天井拉槽不施工切割天井，采用爆破技術(shù)完成切割槽的施工。切割天井拉槽，根據(jù)所采用的爆破參數(shù)的不同，又可分為淺孔留礦法、中深孔、大直徑深孔拉槽方案；無切割天井拉槽主要是采用爆破技術(shù)拉槽，主要分為楔形拉槽和中深孔全斷面拉槽兩種。切割槽形成技術(shù)方法歸類及各方法技術(shù)要點和適應(yīng)條件對比見表1。

表1 切割槽形成方法歸類Table 1 Method classification of cutting groove forming

2 無切割天井拉槽

無切割天井拉槽與有切割天井拉槽最主要的區(qū)別是不施工天井，主要是利用拉底巷或者鑿巖巷作為爆破的自由面，通過提高巷道空間高度滿足補償空間的需要，采用上向扇形孔逐孔抬高角度下壓式微差爆破，形成全斷面的切割槽，根據(jù)切割槽的長度和崩落礦石量的補償空間是否足夠確定一次爆破和分次爆破。綜合分析礦山切割工藝，一般礦山使用得比較多的有扇形孔逐角度抬高成槽法、平行扇形深孔爆破成槽、楔形拉槽三種方式。

圖1 扇形孔逐角度成槽法方案圖Fig.1 Project graph of cutting groove forming with fan shaped borehole

2.1 扇形孔逐角度成槽

扇形孔逐角度成槽法方案圖見圖1，爆破區(qū)域分為拉槽區(qū)和側(cè)爆區(qū)，拉槽區(qū)提供爆破自由面，側(cè)爆區(qū)崩落采場礦石。采場拉槽時，先在端部挑頂形成足夠的補償空間，然后逐角度布置上向扇形孔，以鑿巖巷為自由面，全斷面爆破形成切割槽。該方法方便靈活，成槽成本低，周期短，可操作性強，在小型采場和殘礦回采中使用比較常見。

凡口鉛鋅礦底柱礦體回采時［6］，采用中深孔落礦，礦體厚度8m，采場寬度7m，長度20～30m；由于礦體在充填體下作業(yè)，回采難度大，作業(yè)環(huán)境差，采場內(nèi)形成切割天井比較困難，因此采用扇形孔逐角度成槽法。先在采場端頭挑頂，高度4.5～5m，采用地質(zhì)鉆逐角度布置上向扇形傾斜中深孔，氣腿式鑿巖機施工拉底巷兩側(cè)鑿巖盲區(qū)炮孔，下壓式全斷面爆破形成切割槽，然后分次爆破整個采場，后退式回采，遙控鏟運機出礦。該方法解決了充填體下采場天井掘進(jìn)難題，施工簡單，成槽周期短，在礦山得到很好地應(yīng)用。

2.2 平行扇形孔成槽

平行扇形孔成槽方法是對扇形孔逐角度成槽方法的發(fā)展，在切割巷中部位置往兩側(cè)布置3～4排小排距上向孔，逐角度抬高扇形炮孔高度，以切割巷為爆破自由面，微差爆破形成切割槽。

金山店鐵礦［7］礦巖松軟破碎，礦體回采時巷道和炮孔變形破壞嚴(yán)重，回采十分困難，采用無底柱分段崩落法開采，切割槽施工量大，天井形成困難，礦山采用平行扇形孔成槽方法。在切割巷中部往兩側(cè)布置3排炮孔，炮孔排距1.3m，每排10個炮孔，鑿巖巷中間位置布置平行上向垂直孔，兩側(cè)炮孔呈軸對稱布置，逐角度抬高，爆破時從邊孔開始分段起爆，逐孔抬高1次切割成槽。該方法形成了長度16 m、寬度4m、高度15m的切割槽，在礦山得到了很好的應(yīng)用，解決了破碎礦體切割天井形成難題，成槽周期短，減少了巷道和炮孔的暴露時間，安全高效。

圖2 平行扇形孔成槽方案圖Fig.2 Project graph of cutting groove forming with parallel fan shaped borehole

2.3 楔形拉槽

楔形拉槽是無切井拉槽的一種特殊方式，以切割槽中間某個位置為中心布置多排上向?qū)ΨQ傾斜扇形孔，以切割平巷為自由面下壓式爆破形成切割井，然后利用逐排抬高的平行炮孔，逐次爆破形成全斷面切割槽。

楔形掏槽最關(guān)鍵的技術(shù)是炮孔布置，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，將整個炮孔分中深孔楔形掏槽區(qū)、深孔楔形擴槽區(qū)和深孔逐排抬高成槽區(qū)三部分，其炮孔設(shè)計如圖3所示。中深孔楔形掏槽區(qū)炮孔為1～4和1′～4′，上向扇形孔呈對稱布置，爆破后形成切槽高度h1；深孔楔形擴槽區(qū)炮孔為5～7和7′，將切槽高度增加到設(shè)計高度h；在前兩階段拉槽的基礎(chǔ)上，采用深孔逐排逐角度抬高切槽，見圖傾斜平行炮孔（9～12和8′～13′），逐排爆破使切槽面積加大，最后過渡到垂直排面扇形炮孔（13、14′），根據(jù)切割槽的長度要求增加炮孔形成全斷面切割槽。

小官莊鐵礦［8］采用無底柱分段崩落法采礦，分段高度的提高加大了切割天井的難度，并且局部地方礦體破碎，提高了掘進(jìn)天井時的成本和難度，礦山設(shè)計采用楔形掏槽，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，試驗完成采場切割槽楔形掏槽高度20m，證明了方案的可行性。

楔形拉槽對炮孔的精度和爆破控制技術(shù)要求高，由于采用傾斜炮孔，成槽高度受切割槽寬度的影響較大，拉槽的跨度一般較大，適用與切割天井形成困難的厚大破碎礦體崩落法開采。

3 切割天井拉槽法

切割天井一般布置在采場端頭，作為切割槽爆破的補償空間，可以分為盲天井和貫通天井。當(dāng)?shù)V體比較傾斜，上下分段之間切割槽位置不能布置在一個平面時，需要在下一分段向上打切割天井到上一分段水平，但天井沒有與上一分段的切割槽貫通而形成盲天井；當(dāng)?shù)V體傾角比較大或近似垂直時，下分段設(shè)計的切割槽與上分段的切割槽在同一個平面上，此時下分段形成的切割天井能與上分段切割橫巷貫通而形成貫通天井。切割天井施工是切割槽形成技術(shù)的重點和難點。

3.1 切割天井形成技術(shù)

天井?dāng)嗝嫘螤钜话惴譃閳A形和矩形兩種，其中圓形斷面直徑一般為1.2～2.0m，矩形斷面一般為1.5m×1.5m～2.5m×2.5m。其高度一般為30～60m，最高達(dá)幾百米。目前國內(nèi)外天井掘進(jìn)方法主要包括普通法、吊罐法、爬罐法、深孔爆破法及天井鉆機法。

普通法掘進(jìn)天井需要人工逐步架設(shè)工作臺，勞動強度大、通風(fēng)時間長、掘進(jìn)速度慢、材料消耗多、成本高、工人作業(yè)安全性差；吊罐法鉆孔偏斜難以控制，吊罐作業(yè)平穩(wěn)性差；爬罐法前期投資大、操作技術(shù)要求高；深孔一次成井由于爆破空間小，一次成井高度低，炮孔施工周期長，爆破效果可靠性小。新興的移動式升降平臺法和天井鉆機法掘進(jìn)天井技術(shù)先進(jìn)，安全高效，下面將對這兩種方法進(jìn)行介紹。

1）移動式升降平臺法掘進(jìn)天井

移動式升降平臺法掘進(jìn)天井是從改進(jìn)普通法掘進(jìn)時工作平臺架設(shè)的角度出發(fā)，探索性地將在市政維修、物流運輸及建筑裝潢等行業(yè)運用十分成熟的移動式升降平臺應(yīng)用到地下礦山天井掘進(jìn)中，取代上述各類方法的工作平臺，以期能夠克服天井掘進(jìn)時存在的一些弊端，實現(xiàn)切割天井快速安全掘進(jìn)。

按照結(jié)構(gòu)和造型的不同，升降平臺可分為固定式、移動式、液壓式、曲臂式及套缸式等。地下礦山井下作業(yè)空間狹小，作業(yè)環(huán)境較地表差，且作業(yè)地點經(jīng)常更換，為便于移動運輸，移動式升降平臺更加適合在井下特定作業(yè)環(huán)境下使用。根據(jù)移動方式，可分為牽引式和自行式兩種，而升降動力則根據(jù)不同需求可選擇二相、三相電流或電瓶，特殊場所下還可以采用防爆電機、電器等。該類型升降機控制方式為電動上、下控制升降，采用手、電兩用或遙控器控制，在停電時仍能使用，具有移動靈活、升降平穩(wěn)、載重量大、操作方便等特點。其結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖如圖4所示。

圖4 移動式升降平臺Fig.4 The mobile lifting platform

李樓—吳集鐵礦礦體［9］屬于急傾斜型，礦體傾角65°～85°，垂直礦體走向布置采場，一般根據(jù)礦體的賦存情況，設(shè)計盲天井或貫通天井作為切割天井。針對礦山實際情況，選擇普通法、移動式升降平臺法和天井鉆機法作為礦山形成切割天井的備選方法，對各方案的技術(shù)要求和具體參數(shù)進(jìn)行分析，對比各方案的技術(shù)要點和優(yōu)缺點，最終選擇移動式升降平臺法掘進(jìn)天井。

圖5 天井鉆機掘進(jìn)示意圖Fig.5 Diagram of tunneling with raise boring machine

2）天井鉆機法掘進(jìn)天井

天井鉆機掘進(jìn)天井，一般先采用潛孔鉆機沿天井全高先鉆一個導(dǎo)孔，然后再沿導(dǎo)孔用擴孔鉆頭擴大到天井全斷面，或直接采用鉆機沿天井全高進(jìn)行全斷面掘井，見圖5。利用天井鉆機掘進(jìn)天井的方式有兩種：一種是把鉆機安裝在天井上部，由上向下先鉆進(jìn)一個導(dǎo)孔與下部水平相同，再自下而上擴大至全斷面，即一般所稱的上擴法；該方法破碎的巖渣借助自重落下，無需洗井設(shè)備。另一種下擴法，即把鉆機安裝在待掘天井的下部水平，自上而下擴大至全斷面。

凡口鉛鋅礦主要采用VCR采礦法，需要在采場內(nèi)布置切割天井，天井?dāng)?shù)量多，高度大。由于上部鑿巖硐室已經(jīng)形成，天井鉆機布置天井技術(shù)成熟，礦山采用有色重機生產(chǎn)的AT-2000天井鉆機施工天井，斷面尺寸Φ2m，天井高度30～50m不等，取得了很好的效果［10］。

天井鉆機法掘進(jìn)天井具有作業(yè)安全、成井速度快、勞動效率高、成本低等優(yōu)點，且天井壁面平滑穩(wěn)定，支護(hù)工作量小。同時，由于機械設(shè)備龐大，鑿巖硐室尺寸較大，前期購置成本高。

3.2 切割天井拉槽基本方法

切割天井拉槽法形成切割槽技術(shù)，是以天井為爆破的自由面和補償空間，炮孔以切割天井為中心布開，根據(jù)現(xiàn)場條件和礦山自身的需要，采用淺孔、中深孔、大直徑深孔進(jìn)行爆破，形成切割槽。

淺孔爆破天井拉槽主要是采用淺孔鑿巖機（YT-27、YT-28或7655型鑿巖機），在切割巷鉆鑿上向或平行炮孔，炮孔深度2～3m，然后以天井為自由面爆破崩礦，每次出礦約崩礦量的30%，余下作為后續(xù)鑿巖爆破的作業(yè)平臺，最后再大規(guī)模出礦。

中深孔爆破天井拉槽，采用中深孔鉆機在鑿巖拉底巷鉆鑿上向扇形孔，以天井為自由面分次爆破或一次爆破成槽。中深孔爆破由于鑿巖效率高，爆破次數(shù)少，成槽效果好，工藝簡單安全性高，在礦山應(yīng)用比較廣。

大直徑深孔拉槽爆破，一般是在切割槽上部布置鑿巖硐室，從上向下鉆鑿大直徑深孔，然后以天井為自由面分次或一次爆破成槽。由于鑿巖爆破工作在上部硐室進(jìn)行，爆破作業(yè)安全，勞動強度低；但是，鉆鑿下向大直徑深孔鑿巖效率低，施工周期長，炮孔維護(hù)成本高。

4 切割槽形成技術(shù)發(fā)展方向

切割槽形成由于受到自身作業(yè)條件的限制，作業(yè)環(huán)境差，工人勞動強度大，拉槽周期長，效率低，安全性較差。隨著采礦技術(shù)裝備的發(fā)展，高分段大結(jié)構(gòu)采場已成為礦山發(fā)展的趨勢，對切割槽形成技術(shù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)工藝形成切割槽由于受到設(shè)備的限制，切割槽高度小，跨度不大，原來的小型設(shè)備和傳統(tǒng)工藝在一些礦山已不能滿足需要。因此，裝備的革新和工藝的創(chuàng)新發(fā)展是切割槽形成技術(shù)的發(fā)展方向。

1）裝備的革新

裝備的革新是現(xiàn)代采礦技術(shù)發(fā)展的直接驅(qū)動力，現(xiàn)代科技日新月異，越來越多的先進(jìn)設(shè)備應(yīng)用到采礦中。天井鉆機法是目前最先進(jìn)的天井成井方法，由于其安全性和高效性，廣泛應(yīng)用于礦山切割天井的施工中。鑿巖臺車的普及，使得鑿巖效率得到大大提高，炮孔精度有了保障，縮短了鉆孔形成周期。先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，使得原來的傳統(tǒng)工藝勞動強度大大降低，設(shè)備的優(yōu)越性彌補了工藝的不足。

2）工藝的創(chuàng)新發(fā)展

礦山經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了一系列的成績。但是，工藝的創(chuàng)新發(fā)展緩慢，跟不上設(shè)備的發(fā)展步伐。傳統(tǒng)的工藝是經(jīng)過幾十年歷史發(fā)展沉淀下來的，其優(yōu)越性和安全性毋庸置疑，但是隨著設(shè)備的發(fā)展，一些工藝不能很好地滿足現(xiàn)代采礦的需要，因此有必要對現(xiàn)有的工藝進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展。

傳統(tǒng)的中深孔鑿巖設(shè)備移動性較差，切割槽爆破時一般采用一個鑿巖中心，導(dǎo)致孔口炮孔密度大，成槽效果不好，并且容易造成懸頂和懸?guī)偷那闆r，對后續(xù)采場爆破產(chǎn)生不利的影響。一些礦山采用先進(jìn)的鑿巖臺車，創(chuàng)新了鑿巖方法，變一個鑿巖中心為多個鑿巖中心，炮孔布置更加合理，炸藥分布均勻，炮孔塊度成槽效果好。該工藝在大紅山鐵礦、李樓—吳集鐵礦等得到了很好的應(yīng)用，有必要對其進(jìn)行推廣應(yīng)用。

由于礦山現(xiàn)場條件的差別，沒有通用的切割槽形成技術(shù)，因此有必要針對不同的情況，形成相對應(yīng)的切割槽快速形成技術(shù)，發(fā)展豐富其工藝。無切割天井拉槽、天井掘進(jìn)、快速成槽技術(shù)等都是切割槽形成技術(shù)的發(fā)展方向，有必要進(jìn)一步不斷發(fā)展和完善。

5 結(jié)論

采場切割槽由于其所處的特殊位置，和對回采的重要作用，是采場開采的關(guān)鍵工序?，F(xiàn)有的切割槽形成技術(shù)，根據(jù)有無切割天井可分為切割天井拉槽和無切割天井拉槽，結(jié)合礦山實際分別對這兩種情況進(jìn)行總結(jié)分析，對指導(dǎo)礦山切割槽形成技術(shù)具有指導(dǎo)作用。

采礦設(shè)備的發(fā)展應(yīng)該引起礦山工作者的重視，天井鉆機掘進(jìn)天井的優(yōu)越性已在礦山得到很好的證明，采用多個鑿巖中心中深孔爆破形成切割槽也在一些礦山得到了很好的應(yīng)用。采礦裝備的發(fā)展和切割槽形成工藝的創(chuàng)新是切割槽技術(shù)的發(fā)展方向。

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Study on cutting groove forming technology of underground mining

LUO Jia1，2，LIU Xiaosheng1，2，SONG Jiadong1，2，LIN Weixing1，2，ZHAN Jin1，2，OU Renze1，2
（1.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；2.National Engineering Research Center for Metal Mining，Changsha 410012，China）

Cutting groove blasting is the last step before mining，and it’s also the key process.Due to complicated construction conditions，it has always been a stumbling block for mining.According to the comprehensive analysis of mining situation at home and abroad，cutting groove forming technology can be divided into two types，with and without incise courtyard.Combined with the actual production of the mine，it makes a detailed analysis of the corresponding technology and has played a positive role in guiding mining cutting.The improvement of equipment and technological innovation has become the development direction for cutting groove forming technology.Thus，the technology of mobile lifting platform，raise boring machine drilling patio，and multi-drilling center can be popularized in similar mines.

cutting groove；incise courtyard；mobile lifting platform；raise boring machine；medium-length hole

TD803；236

Α

1671-4172（2015）06-0014-06

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2013BAB02B04；2013BAB02B06）

羅 佳（1987-），男，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從事礦山開采技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.004