深井施工中反井鉆機(jī)導(dǎo)井與深孔擴(kuò)刷成井工藝應(yīng)用探討

周富誠　黃體興　余正方　王進(jìn)華

(玉溪大紅山礦業(yè)有限公司)

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深井施工中反井鉆機(jī)導(dǎo)井與深孔擴(kuò)刷成井工藝應(yīng)用探討

周富誠黃體興余正方王進(jìn)華

(玉溪大紅山礦業(yè)有限公司)

摘要玉溪大紅山礦業(yè)有限公司(下稱大紅山鐵礦)已形成多個(gè)采區(qū)同步開采的局面，采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)、溜礦系統(tǒng)均涉及到深井施工。目前，礦山采用的掘井方法已不能適用于深井施工，為此，結(jié)合反井鉆機(jī)施工與深孔爆破技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出在深井施工中反井鉆機(jī)導(dǎo)井與深孔擴(kuò)刷成井工藝，并應(yīng)用于西上進(jìn)風(fēng)井的施工中，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞反井鉆機(jī)深孔爆破導(dǎo)井?dāng)U刷高溜(天)井

目前，國內(nèi)地下金屬礦山溜(天) 井的施工方法主要有： 普通天井掘進(jìn)法、深孔爆破成井法、天井吊罐法、天井爬罐法、鉆機(jī)掘進(jìn)法[1]。根據(jù)掘進(jìn)斷面、掘進(jìn)工藝、施工順序的不同，在選擇開挖方法時(shí)有全斷面法、導(dǎo)坑擴(kuò)挖法、中心擴(kuò)孔法等[2]。大紅山鐵礦各采區(qū)在開采過程中，采場(chǎng)礦石主要通過溜井下放至采區(qū)底部運(yùn)輸中段，通過有軌電機(jī)車或汽車倒運(yùn)，將礦石運(yùn)送至溜破系統(tǒng)集中破碎后，通過膠帶或箕斗豎井將礦石提升至地表，各采區(qū)累計(jì)溜井建設(shè)約120條，溜井高度20～220 m。當(dāng)溜井高度小于20 m時(shí)，采用技術(shù)含量較低、易于組織的普通法施工。該方法每一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)都要采用錨桿吊掛法重新架設(shè)鑿巖工作平臺(tái)，隨著掘進(jìn)高度的增大，每隔6～8 m需向上移動(dòng)安全棚，施工過程中要安裝梯子間與放巖間，并接好風(fēng)、水、電管纜。該方法作業(yè)條件差、工期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低[3]，通風(fēng)效果差，易引起炮煙中毒事故，因此，常用于高度不大于20 m 的豎井施工中；當(dāng)溜井高度大于20 m時(shí)，采用反井鉆機(jī)掘進(jìn)φ1.4 m小井，吊罐法擴(kuò)刷，吊罐提升設(shè)備為礦用提升機(jī)、提升絞車等。

2013年9月6日，國家安全監(jiān)管總局發(fā)布“金屬非金屬礦山禁止使用的設(shè)備及工藝目錄(第一批)”，將φ1.2 m以下(不含φ1.2 m)用于升降人員的提升絞車等礦井提升設(shè)備強(qiáng)制淘汰。為確保施工安全，大紅山鐵礦開展了反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，后期擴(kuò)井采用深孔爆破成井的方法，即將深孔爆破成井法與鉆機(jī)掘進(jìn)法相結(jié)合。該方法施工中，首先由反井鉆機(jī)掘進(jìn)φ1.4 m導(dǎo)井，為深孔一次光面爆破提供良好的自由面和充足的補(bǔ)償空間；再用HT150潛孔鉆機(jī)自上而下或自下而上一次性沿溜(天)井?dāng)嗝嫒咩@鑿平行深孔，一次或分次爆破完成溜(天)井。該方法能夠很好的利用反井鉆機(jī)連續(xù)掘進(jìn)、成井速度快的優(yōu)點(diǎn)，并發(fā)揮深孔爆破作業(yè)條件好、安全、勞動(dòng)強(qiáng)度低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，避免了深孔爆破成井法技術(shù)要求高、掘井成功率低的問題。

1　爆破結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

1.1爆破補(bǔ)償空間

西上進(jìn)風(fēng)井(標(biāo)高340～200 m)位于大紅山鐵礦西上采區(qū)西端，設(shè)計(jì)井筒直徑2.8 m，主要承擔(dān)西上采區(qū)各個(gè)分段采場(chǎng)進(jìn)風(fēng)。按照爆破后巖石松散系數(shù)1.3計(jì)算，井筒內(nèi)補(bǔ)償空間達(dá)33.33%，符合爆破設(shè)計(jì)要求，可有效避免因補(bǔ)償空間不足造成的過擠壓現(xiàn)象，保證單次爆破成井效果。井筒尺寸見表1。

表1　井筒尺寸參數(shù)

1.2裝藥不耦合系數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)光面裂縫面，采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。要求作用在炮孔壁上的壓力小于巖石的抗壓強(qiáng)度σc，但大于巖石的抗拉強(qiáng)度σt。

(1)

式中,p2為爆炸作用于炮孔壁上的壓力，MPa；σc為巖石抗壓強(qiáng)度，輝長輝綠巖取160 MPa；kb為體積應(yīng)力狀態(tài)下的巖石強(qiáng)度提高系數(shù)，kb=10。

沿炮孔全場(chǎng)不耦合裝藥，有

(2)

式中,n為爆炸沖擊波炮孔壁引起的壓力增大系數(shù)，取n=8～11，本次爆破取n=8；ρ0為炸藥密度，本次爆破所使用的2#巖石乳化炸藥(φ35 mm，L=28 cm，m=0.3 kg),炸藥密度為1 114.19 kg/m3;D為炸藥爆速，取D=4.2×103m/s；dc、db分別為裝藥直徑和炮孔直徑，dc=35 mm，db=102 mm。

裝藥不耦合系數(shù)kd

(3)

代入各值，計(jì)算得kd=1.52，符合光面爆破(kd=2～4)要求。

1.3炮孔間距

參照井巷工程光面爆破孔距公式：

(4)

式中，a為孔距，m；Wn光面層厚度,m。

計(jì)算得a=0.42～0.56 m.

本次爆破孔徑為102 mm，孔距為0.67 m，采用13孔布置形式，孔間間隔裝藥方式。炮孔布置見圖1。

圖1　炮孔布置平面(單位：mm)

1.4裝藥量計(jì)算

本次爆破巖體為輝長輝綠巖，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=8，炸藥單耗取0.56 kg/m3[4]，工程實(shí)際中情況有所差異。本次“導(dǎo)孔+中深孔爆破擴(kuò)刷”方案在大紅山鐵礦尚屬首次應(yīng)用，炸藥單耗應(yīng)合理提高，確保爆破能夠達(dá)到目的。為此，本次爆破選取炸藥單耗1.61 kg/m3，線裝藥密度0.6 kg/m，空氣柱間隔長度0.44 m/m，裝藥長度0.56 m/m。

本次爆破單炮孔長度36 m，采用上下炮泥堵孔，每頭堵孔長度0.8 m，兩頭各綁扎3卷藥卷作為首要卷，其余僅為單節(jié)藥卷。單孔裝藥量為22.2 kg，總裝藥量288.6 kg。炸藥參數(shù)見表2。

表2　炸藥參數(shù)選取

1.5裝藥結(jié)構(gòu)

為避免炮孔局部過載而出現(xiàn)壓碎，或局部受載不足，影響光爆層巖石的破壞，使得后期出現(xiàn)無法清除的浮石隱患，應(yīng)盡可能使炮孔全長范圍內(nèi)巖石受到的爆炸載荷趨于合理均勻。同時(shí)，還要求光面爆破的裝藥結(jié)構(gòu)不能過于復(fù)雜，以免增加施工難度。本設(shè)計(jì)采用不耦合空氣柱間隔裝藥，如圖2所示。

1.6起爆網(wǎng)路

為確保爆破順利實(shí)施，本次采用單孔雙導(dǎo)爆索并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)起爆方式，磁電雷管采用反向起爆連接。連線過程中務(wù)必做好綁扎操作(見圖3)。

1.7爆破耗材表

爆破耗材見表3。

2　反井鉆機(jī)導(dǎo)井與深孔擴(kuò)刷成井施工工藝及應(yīng)用效果

(1)掘井施工工藝。本次施工采用BMC300反井鉆機(jī)，于井筒上方的340 m分段直接鉆鑿形成導(dǎo)井φ1.4 m，鉆孔偏斜率控制在1%以內(nèi)，施工效率為8～10m/d。導(dǎo)井施工后，將底部積渣清除干凈，再選用深孔鑿巖臺(tái)車進(jìn)行深孔施工。此次施工中由于風(fēng)井底部為進(jìn)風(fēng)聯(lián)道，巷道尺寸為4.2 m×3.8 m，選用CK150潛孔鉆機(jī)，鉆鑿最大深度超過100 m，且垂直孔的偏斜率較低。施工過程中，嚴(yán)格按照深孔設(shè)計(jì)的機(jī)高、方位、傾角、孔深進(jìn)行施工，機(jī)心合格率100%，傾角誤差不得超過±2°，保證深孔合格、井筒成型良好。裝藥時(shí)，必須保證藥卷間距、堵孔長度、連線等均符合設(shè)計(jì)要求，確保爆破效果良好。此次爆破耗材見表3。

圖2　裝藥結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

圖3　起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

(2)掘井效果。爆破后一次成井2.8 m，井筒成型良好，塊度均勻，達(dá)到設(shè)計(jì)目的；該工程施工工期僅為10 d，大大縮短了施工工期，為西上采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的建立創(chuàng)造了良好條件。

表3　本次爆破耗材

3　結(jié)　語

(1)采用深井施工工藝，為大紅山鐵礦或類似的地下金屬礦山深溜(天)井施工提供了解決方案，該方案具有安全、高效、低成本的特點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

(2)通過本次探索，基本掌握了深溜(天)井的反井鉆機(jī)導(dǎo)井與深孔擴(kuò)刷成井技術(shù)，但炮孔、炸藥單耗等爆破參數(shù)仍可進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，取得最佳爆破效果。

(3)本方案僅是反井鉆機(jī)導(dǎo)井與單排深孔組合的擴(kuò)刷成井工藝，是建立在補(bǔ)償空間足夠的前提下的組合，在更大直徑井筒中應(yīng)用此方案則必須進(jìn)一步增加擴(kuò)井深孔排數(shù)，并分段爆破，所涉及的補(bǔ)償空間計(jì)算和選取、爆破參數(shù)調(diào)整等問題將更加復(fù)雜，仍需進(jìn)一步探討和試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張炳奏.高溜(天)井施工與應(yīng)用的有關(guān)問題探討[J].采礦工程，2012，33(2):27-28.

[2]李曉峰.反井鉆機(jī)在豎井工程施工中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù)，2009(4)：4-5.

[3]張建威.深孔爆破法掘進(jìn)天井在天(溜)井施工中的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015(22)：52-53.

[4]戴俊.爆破工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

(收稿日期2016-04-26)

周富誠(1989—)，男，助理工程師，653405 云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)。