大頂山礦區(qū)炮孔變形破壞原因及應(yīng)對(duì)措施

朱 強(qiáng)，陳星明，孫文勇，葉 青

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010； 2.四川錦寧礦業(yè)有限責(zé)任公司，四川 西昌 615602)

大頂山礦區(qū)炮孔變形破壞原因及應(yīng)對(duì)措施

朱 強(qiáng)1，陳星明1，孫文勇1，葉 青2

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010； 2.四川錦寧礦業(yè)有限責(zé)任公司，四川 西昌 615602)

礦山在無(wú)底柱分段崩落法的回采過(guò)程中，炮孔的變形破壞，嚴(yán)重影響了礦山的爆破效果，不僅帶來(lái)大塊、懸頂?shù)葐?wèn)題，而且還惡化了放礦條件，制約了礦山的安全生產(chǎn)。本文針對(duì)大頂山礦區(qū)回采過(guò)程中炮孔變形破壞嚴(yán)重，礦山回采爆破效果以及礦石損失貧化指標(biāo)難以提高的問(wèn)題，在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了大頂山礦區(qū)炮孔堵塞、孔身錯(cuò)動(dòng)、孔口破壞、孔徑變小等主要變形破壞形式，并從巷道掘進(jìn)及支護(hù)方式、地壓管理及控制、炮孔保護(hù)、回采爆破方式以及生產(chǎn)管理等方面提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，在工業(yè)試驗(yàn)中取得了較好的效果，對(duì)目前國(guó)內(nèi)條件相似礦山具有重要的借鑒意義。

無(wú)底柱分段崩落法；炮孔；變形破壞；原因分析；應(yīng)對(duì)措施

大頂山礦區(qū)為四川錦寧礦業(yè)有限責(zé)任公司(原瀘沽鐵礦)的主要鐵礦石生產(chǎn)基地，年產(chǎn)鐵礦石50萬(wàn)t。礦床為中溫?zé)嵋航淮哝V磁鐵礦床，賦存于ptdn3-6白云質(zhì)大理巖中，Ⅰ號(hào)主礦體位于大理巖的底部；Ⅱ號(hào)礦體位于大理巖的頂部，其規(guī)模僅次于Ⅰ號(hào)礦體，Ⅰ號(hào)礦體傾角為26°，厚度11.4m；Ⅱ號(hào)礦體傾角為35°，厚度9.66m。大頂山礦區(qū)礦體厚度小、傾角緩、產(chǎn)狀復(fù)雜、礦體走向長(zhǎng)度短。Ⅰ號(hào)礦體下盤圍巖及Ⅰ號(hào)礦體中穩(wěn)固性較好，Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體礦巖接觸帶及Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體之間圍巖破碎，尤其Ⅰ號(hào)礦體底板及Ⅱ號(hào)礦體質(zhì)頂板的兩個(gè)主要破碎帶，穩(wěn)固性極差。

礦山自投產(chǎn)以來(lái)主要采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，其中2540以上各分段結(jié)構(gòu)參數(shù)為10m×10m(分段高度×進(jìn)路間距)，2525過(guò)渡分段結(jié)構(gòu)參數(shù)為15m×10m，2525以下各分段結(jié)構(gòu)參數(shù)為15m×12.5m，崩礦步距為1.8m；回采巷道斷面形式為圓弧拱面，支護(hù)方式為噴錨支護(hù)，局部特別破碎區(qū)域采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；鉆孔采用YGZ-90鉆機(jī)，炮孔形式為直立排面的扇形炮孔，炮孔直徑為70mm。目前，礦山已回采至2525及2510水平。然而隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大，炮孔變形破壞越來(lái)越嚴(yán)重，其對(duì)礦山爆破效果所帶來(lái)的影響也較原結(jié)構(gòu)參數(shù)變得更加突出，大塊、懸頂、隔墻、眉線破壞等現(xiàn)象頻發(fā)，不但惡化了放礦條件，增大了采礦成本，嚴(yán)重影響礦山出礦效率，而且還嚴(yán)重制約礦山正常安全生產(chǎn)以及礦石回采指標(biāo)的提高。因此，找出應(yīng)對(duì)大頂山礦區(qū)炮孔變形破壞的技術(shù)措施，提高炮孔質(zhì)量以及改善礦山回采爆破效果已成為大頂山礦區(qū)急需解決的重大生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題之一。

1 炮孔變形破壞對(duì)礦山生產(chǎn)的影響

生產(chǎn)實(shí)踐表明，炮孔變形破壞是出現(xiàn)懸頂、隔墻、眉線破壞及礦石損失貧化大的主要原因[1]。大頂山礦區(qū)中深孔爆破主要采用孔內(nèi)敷設(shè)長(zhǎng)約1m導(dǎo)爆索、2號(hào)巖石硝銨炸藥耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，塑料導(dǎo)爆管雷管孔底起爆，齊發(fā)爆破方式。當(dāng)炮孔變形破壞后，不但往往使炸藥裝不進(jìn)炮孔或裝不到孔底，造成單孔裝藥量不足、裝藥不均，爆破對(duì)孔底及周邊礦巖作用不充分，產(chǎn)生懸頂、隔墻及大塊；而且還將造成炮孔孔口藥量過(guò)于集中或能裝藥的幾個(gè)炮孔裝藥過(guò)于集中，使得前排炮孔爆破對(duì)后排炮孔及眉線破壞嚴(yán)重，造成后排孔變形、錯(cuò)位、堵孔及眉線垮落。

眉線跨落將造成崩落礦石(或覆蓋巖石)沖入巷道內(nèi)，掩埋后排炮孔，使得后排炮孔無(wú)法進(jìn)行裝藥爆破作業(yè)，甚至有時(shí)為了出后排炮孔排位，不得不放出大量廢石，增大了礦石貧化。同時(shí)，由于眉線垮落較高，礦石將主要從垮落較高的地方涌出，這樣相對(duì)來(lái)說(shuō)出礦口變窄，影響放礦橢球體的發(fā)育，增大了礦石損失。并且有時(shí)爆破工人需進(jìn)人冒落空間內(nèi)裝藥，存在很大的安全隱患。

懸頂發(fā)生后，不僅將造成大量的礦石損失貧化，而且還將影響礦山的安全正常生產(chǎn)，制約礦山經(jīng)濟(jì)效益的提高。礦山發(fā)生懸頂后，礦山將不得不考慮處理懸頂?shù)募夹g(shù)措施，雖然目前大頂山礦區(qū)已掌握了較為成熟的利用相鄰兩進(jìn)路傾斜深孔孔底裝藥爆破的側(cè)向傾斜孔法(圖1)，以及利用進(jìn)路后排傾斜深孔孔底裝藥爆破的后排傾斜孔法處理懸頂技術(shù)[2]，極大地增大了處理懸頂?shù)某晒β始翱s短了處理懸頂?shù)臅r(shí)間，但礦山為處理懸頂仍必將影響礦山的正常生產(chǎn)，使礦山的產(chǎn)能難以提高。同時(shí)，為了處理懸頂，礦山不得不重新補(bǔ)孔，額外增加補(bǔ)孔費(fèi)用。而根據(jù)礦山提供資料，礦山單次補(bǔ)孔長(zhǎng)度均在200m以上，補(bǔ)孔費(fèi)10元/m，在不考慮人工費(fèi)及炸藥成本等的情況下，處理一次懸頂僅補(bǔ)孔費(fèi)就2000余元，這樣無(wú)形地增大了礦山的采礦成本，降低了礦山效益。

圖1 側(cè)向傾斜孔處理懸頂示意圖(單位：m)

2 炮孔變形破壞形式及原因分析

2.1 炮孔變形破壞形式

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大頂山礦區(qū)炮孔變形破壞主要發(fā)生在炮孔鉆好后的礦山生產(chǎn)階段，其炮孔變形破壞主要受地壓作用、爆破震動(dòng)、巷道支護(hù)形式及炮孔存在時(shí)間的影響，其變形破壞形式主要有以下幾種形式。

1)炮孔堵塞。炮孔孔壁在地壓及爆破震動(dòng)的作用下破壞塌落或掉塊堵塞炮孔，其主要發(fā)生在礦體上下盤礦巖接觸帶。

2)孔身錯(cuò)動(dòng)。炮孔在爆破震動(dòng)及地壓的作用下部分礦巖產(chǎn)生剪切變形和位移，使炮孔在軸線方向上沿?cái)鄬用?、?jié)理裂隙面或礦巖交界面產(chǎn)生移動(dòng)錯(cuò)位[3-4]。其主要發(fā)生在距孔口1～2m的巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)及礦巖接觸帶，礦體及圍巖內(nèi)部完整性較好，炮孔保留較為完好。

3)孔口破壞?？卓谄茐闹饕憩F(xiàn)為前排炮孔爆破時(shí)，由于孔口裝藥過(guò)度集中，造成眉線垮落，帶落及掩埋部分后排炮孔。目前大頂山礦區(qū)由于眉線跨落造成的孔口破壞已較為突出，常常由于前排炮孔爆破破壞后排炮孔眉線，使得在回采爆破過(guò)程中形成惡性循環(huán)。

4)孔徑變小。炮孔在地壓的作用下使得孔徑較原孔徑縮小，其發(fā)生主要在完整性較好的礦體及巖體中，多見(jiàn)于礦山支撐壓力帶內(nèi)。

2.2 炮孔變形破壞原因分析

文獻(xiàn)[5]指出松軟破碎礦體開(kāi)采中，影響中深孔破壞主要因素有礦山地質(zhì)及巖性條件、巷道支護(hù)形式、炮孔存在時(shí)間、回采爆破、礦山回采的空間狀況、區(qū)域地壓及地下水。而根據(jù)大頂山礦區(qū)實(shí)際情況，大頂山礦區(qū)炮孔變形破壞主要受巷道支護(hù)形式、炮孔存在時(shí)間、回采爆破、礦山回采的空間狀況及區(qū)域地壓作用的影響。

1)巷道變形對(duì)炮孔變形破壞的影響。大頂山礦區(qū)回采巷道受巷道掘進(jìn)方式的影響使得巷道周邊礦巖超、欠挖及破壞嚴(yán)重，巷道自承能力低；加之受礦山回采的影響，礦山地壓顯現(xiàn)明顯、回采爆破頻繁，而相應(yīng)的巷道支護(hù)方式(噴錨支護(hù)及噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù))并沒(méi)有起到很好的作用，使得巷道成巷后持續(xù)變形量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成巷道周壁松動(dòng)圈內(nèi)巖塊間仍發(fā)生相對(duì)位移，不但致使巷道周邊混凝土噴射層開(kāi)裂脫落，而且炮孔也發(fā)生相應(yīng)的錯(cuò)動(dòng)破壞。

2)地壓及炮孔存在時(shí)間對(duì)炮孔變形破壞的影響。大頂山礦區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)由于種種原因，如對(duì)礦山開(kāi)采引起的地壓活動(dòng)規(guī)律不夠了解，未能實(shí)現(xiàn)地壓的有效管理；礦山在回采過(guò)程中由于巷道冒落及懸頂?shù)仍蛟斐烧；夭身樞蚱茐漠a(chǎn)生較大范圍的次生支撐壓力；礦山缺少放頂及覆蓋巖層的補(bǔ)充措施；對(duì)分段及礦塊的回采順序重視不夠，未能實(shí)行“卸壓開(kāi)采”等，使得大頂山礦區(qū)在回采過(guò)程中地壓顯現(xiàn)明顯。而長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)大地壓必將引起巷道及炮孔周邊巖體的不斷蠕變而使巷道及炮孔發(fā)生變形破壞。同時(shí)，回采爆破過(guò)程中爆破沖擊應(yīng)力在孔壁上反射形成的半波損失拉應(yīng)力與作用在炮孔壁巖體上的垂直應(yīng)力相互作用，也將使得炮孔壁處巖塊受到交變的拉應(yīng)力作用，其時(shí)間愈長(zhǎng)，作用次數(shù)愈多，越易使炮孔產(chǎn)生類似疲勞形式的破壞。

3)回采爆破對(duì)炮孔變形破壞的影響。大頂山礦區(qū)回采爆破對(duì)炮孔變形破壞的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是頻繁的中深孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波及爆破地震波對(duì)炮孔的持續(xù)破壞；二是不合格的炮孔施工質(zhì)量及部分區(qū)域不正確的切割方式所造成的回采爆破對(duì)炮孔的間接破壞?；夭杀七^(guò)程中，同段起爆藥量越大，產(chǎn)生的爆破沖擊應(yīng)力遇炮孔壁自由面后反射形成的半波損失拉應(yīng)力越大，爆破越頻繁，炮孔越易發(fā)生持續(xù)作用破壞；而頻繁的爆破地震波將引起巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)使得巖體內(nèi)原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，削弱巖體完整性，加劇炮孔破壞。同時(shí)，炮孔施工過(guò)程中由于施工原因造成同排扇形炮孔不在同一排面上以及前后兩排扇形炮孔不平行，亦將造成局部排距的減小，從而增大回采爆破時(shí)炮孔破壞幾率。而礦山為解決礦體上盤接觸帶礦巖破碎所造成的切割質(zhì)量差問(wèn)題而設(shè)計(jì)的礦體內(nèi)部切割方式(圖2)，也將由于切割過(guò)程中同段爆破藥量大給切割槽周邊炮孔造成極大的破壞。

圖2 礦體內(nèi)部切割布置圖

3 主要技術(shù)措施

結(jié)合大頂山礦區(qū)炮孔變形破壞形式及原因，大頂山礦區(qū)從巷道掘進(jìn)及支護(hù)方式、地壓管理及控制、炮孔保護(hù)、回采爆破方式以及生產(chǎn)管理等方面對(duì)應(yīng)對(duì)炮孔變形破壞主要技術(shù)措施進(jìn)行了詳細(xì)研究及相應(yīng)的工業(yè)實(shí)驗(yàn)，其具體措施有以下方面。

1)光面爆破+無(wú)噴射混凝土支護(hù)工藝掘進(jìn)及支護(hù)回采進(jìn)路。無(wú)底柱分段崩落法是在回采巷道內(nèi)進(jìn)行鑿巖、崩礦及出礦的一種高效采礦方法[6]。回采進(jìn)路規(guī)格質(zhì)量好壞，直接影響到整個(gè)礦石回采過(guò)程。采用光面爆破掘進(jìn)回采進(jìn)路，不但可以減少進(jìn)路掘進(jìn)時(shí)頻繁爆破對(duì)進(jìn)路幫壁的破壞，提高回采進(jìn)路穩(wěn)定性，保證較好的規(guī)格質(zhì)量，提高礦山支護(hù)質(zhì)量，而且還可避免超、欠挖產(chǎn)生的應(yīng)力集中，從而減少炮孔的變形破壞幾率。同時(shí)，利用無(wú)噴射混凝土支護(hù)工藝中的TECCO高強(qiáng)度格柵網(wǎng)防護(hù)系統(tǒng)(圖3，圖4)形成抑制回采巷道周邊局部巖體移動(dòng)或在發(fā)生局部位移或破壞后將其裹縛(滯留)原位附近的預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防護(hù)功能，提高回采巷道支護(hù)強(qiáng)度，降低炮孔的變形破壞幾率以及對(duì)爆破過(guò)程中眉線起到一定的保護(hù)作用[7]。

圖3 TECCO高強(qiáng)度格柵

圖4 TECCO網(wǎng)布置方式與錨桿間排距

2)實(shí)現(xiàn)礦山地壓的管理及控制，降低對(duì)炮孔變形破壞的影響。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)回采過(guò)程中過(guò)大的地壓進(jìn)行管理及控制，防止過(guò)大的地壓對(duì)炮孔變形破壞的影響。大頂山礦區(qū)主要采取了以下措施：①對(duì)礦區(qū)的地壓現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查分析，摸清地壓在整個(gè)礦區(qū)的分布規(guī)律以及與開(kāi)采方法之間的關(guān)系，并且找出礦山地壓管理上的漏洞，進(jìn)行改進(jìn)；②及時(shí)處理巷道冒落及懸頂造成的回采中斷，實(shí)現(xiàn)礦山的正常有序回采(上分段回采超前于下分段)，使采場(chǎng)地壓有序的均勻轉(zhuǎn)移，消除突然升降現(xiàn)象；③及時(shí)建立放頂及覆蓋巖層的補(bǔ)充制度與技術(shù)規(guī)范(圖5)，并通過(guò)必要的工程技術(shù)措施(如采取邊放頂邊回采的方式) 實(shí)現(xiàn)及時(shí)放頂及覆蓋巖層的及時(shí)補(bǔ)充，從而防止礦體上盤礦石回采過(guò)程中空?qǐng)銮闆r的出現(xiàn)，造成回采地壓不僅不能及時(shí)釋放而且還逐步積聚；④及時(shí)調(diào)整各分段及礦塊的回采順序?qū)崿F(xiàn)“卸壓開(kāi)采”[8]。在各分段采用由南部的不穩(wěn)固礦段向北部的穩(wěn)固礦段的推進(jìn)方式，從而盡量縮短南部不穩(wěn)固礦段的炮孔存在時(shí)間以及避免先兩翼后中央的開(kāi)采方式造成的礦體中央部位應(yīng)力反復(fù)疊加，以免炮孔發(fā)生變形破壞；同時(shí)，在各礦塊回采過(guò)程中形成梯段式回采工作面(圖6)，即相鄰回采工作面保持一定的超前關(guān)系，以使地壓均緩作用在同時(shí)回采進(jìn)路上，從而降低各回采進(jìn)路炮孔破壞幾率。

3)增加炮孔保護(hù)措施，提高炮孔質(zhì)量。為了防止回采過(guò)程中炮孔在地壓及回采爆破的影響下進(jìn)一步變形破壞，大頂山礦區(qū)采取了以下炮孔保護(hù)措施。①采用大直徑錨桿護(hù)孔[9]。為防止距孔口1～2m巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)，特別是礦體上下盤礦巖接觸帶炮孔發(fā)生錯(cuò)位，設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)約2m的大直徑管縫式摩擦錨桿安裝于炮孔下部(圖7)，在保護(hù)炮孔的同時(shí)起到加固巷道及保護(hù)眉線的作用。②采用PVC塑料管護(hù)孔。在礦巖局部破碎地帶、礦體上下盤礦巖接觸帶以及存在時(shí)間較長(zhǎng)的備采炮孔中采用比炮孔直徑略小的防靜電的PVC塑料管作為炮孔的保護(hù)材料，在起到防止炮孔塌落、堵塞以及變形破壞的同時(shí)在回采爆破過(guò)程中降低沖擊應(yīng)力的強(qiáng)度以及對(duì)后排炮孔及礦體的損傷程度。③鉆鑿減震孔保護(hù)眉線及后排炮孔。在礦體完整性較好，未采取PVC塑料管護(hù)孔地段的每?jī)膳排诳组g鉆鑿3～5個(gè)深為2～3m的減震孔作為“保眉孔”(圖8)，孔內(nèi)不裝藥，以使孔口高度密集，爆破端壁整齊，降低爆炸應(yīng)力波對(duì)后排炮孔及“眉線”的破壞，從而達(dá)到保護(hù)“眉線及后排炮孔的目的[10]。

圖5 放頂位置示意圖

4)優(yōu)化回采爆破方式及參數(shù)。大頂山礦區(qū)為了取得更好的回采爆破效果，同時(shí)降低回采爆破對(duì)后排炮孔的影響，對(duì)其相應(yīng)的回采爆破方式及參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要有：在裝藥過(guò)程中嚴(yán)格控制各個(gè)炮孔裝藥量、裝藥長(zhǎng)度和不裝藥長(zhǎng)度；實(shí)施孔底起爆、微差爆破進(jìn)行崩礦；增大炮孔直徑至80mm,崩礦步距至2m等。

圖6 各礦塊階梯式回采工作面示意圖

圖7 大直徑錨桿護(hù)孔示意圖

圖8 減震孔護(hù)孔鉆孔排面布置示意圖

4 結(jié)論

回采過(guò)程中炮孔質(zhì)量的好壞直接影響到礦山回采爆破效果以及礦石的損失貧化指標(biāo)，進(jìn)而影響到礦山的整體經(jīng)濟(jì)效益,必須予以足夠的重視。而礦山生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)炮孔變形破壞起主導(dǎo)作用的是地壓及回采爆破的影響，必須采取必要的應(yīng)對(duì)措施，以降低炮孔發(fā)生變形破壞的幾率。同時(shí)，應(yīng)對(duì)炮孔變形破壞是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須根據(jù)礦山回采過(guò)程中不同地段的不同實(shí)際情況制定出最優(yōu)的應(yīng)對(duì)措施，從而取得最佳的應(yīng)對(duì)效果。

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The reasons analysis and countermeasures of the blasthole deformation and damage in Dadingshan mine area

ZHU Qiang1，CHEN Xing-ming1*，SUN Wen-yong1，YE Qing2

(1.School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China; 2.Sichuan Jinning Mining Limited Liability Company，Xichang 615602，China)

In the mining process of pillarless sublevel caving，the deformation and destruction of blasthole have a strong impact on the blasting effect of mine.It not only bring the problem of big block and hanging arch，but also worsen the ore drawing conditions.Thus it go against the safety production of mine.With the serious destruction of blasthole in the mining process of Dadingshan Mine and the problem of blasting effect and ore dilution loss index can hardly be improved，the main form of deformation and destruction of blasthole such as blasthole plugging，dislocation of blasthole，porhole destruction and diminish of aperture are elaborated based on large number of investigation.Solutions are proposed from the aspects of roadway excavation and supporting way，ground pressure management and control，porthole protection，blasting method and production management.They have acquired good effects in industrial test and they can be significant references in similar mine at present in China.

pillarless sublevel caving；blasthole；deformation and damage；reason analysis；countermeasures

2014-06-23

西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：14ycx052)

朱強(qiáng)(1989-)，男，四川德陽(yáng)人，西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院碩士研究生，礦業(yè)工程專業(yè)。E-mail：zhuqiang1188@126.com。

陳星明(1972-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院教授，博士，主要從事工程力學(xué)、采礦技術(shù)及工程方面的研究。E-mail：cxm@swust.edu.cn。

TD853

A

1004-4051(2015)07-0078-05