地下礦平行中心大孔爆破一次成槽技術

李爭榮 馮興隆 劉華武 吳 明 崔曉東 劉明武

（云南迪慶有色金屬有限責任公司，云南 迪慶 674400）

隨著工業(yè)水平的提高，富礦的開采越來越少，中低品位礦體逐步成為礦山開采的主體，安全、高效、低成本的自然崩落采礦法的開采技術將是這類低品位厚大礦床的首選開采方法。自然崩落法利用巖體自重應力、次生構造應力的作用，僅通過底部已開鑿聚礦槽進行放礦，使上部的礦巖逐漸崩落，是能與露天開采相媲美的地下采礦方法。根據(jù)自然崩落采礦法工藝特點，底部放礦的聚礦槽爆破成形質(zhì)量，與崩落礦石流動性和出礦底柱的穩(wěn)定性密切相關，甚至直接影響該采礦方法的成敗。針對自然崩落法中的超前式拉底，該聚礦槽中的切割井始終在已拉底形成崩落松散礦石堆下的應力釋放區(qū)中進行施工，采用吊罐法、普通法、爬罐法等施工方法，需要人員進入，作業(yè)條件差，存在較大安全風險，施工成本較高，為確保采礦工藝能成功應用，聚礦槽須做到一次成槽。

切割井或盲豎井一次成井理論和試驗研究了一系列成井方法［2-8］，主要有平行空孔掏槽法［2］、平行空孔分段掏槽法［3］、球狀藥包倒置漏斗法［8］等，主要基于鑿巖設備直徑55～150 mm的中孔設備，從空孔數(shù)量（2-4孔）［2-6］、空孔與掏槽孔間距［6］、掏槽布置型式［8］（桶型［3］、菱形［4］等）等方面進行研究，而對于超大直徑中心空孔的深孔直眼掏槽微差爆破一次成槽方面的研究及應用尚少。本研究以某銅礦聚礦槽一次成槽為背景，進行了以單直徑762 mm的空孔為中心，平行空孔中深孔微差爆破一次成槽技術的研究，通過試驗取得良好的應用效果，對大斷面、高深井成井具有指導意義。

1 切割槽爆破成槽機理

在金屬礦山中，一次爆破成槽法重點是準確了解巖石特性、炸藥性能、炮孔參數(shù)相關參量，以及合理確定掏槽方式，避免爆破效果不達標導致增加后續(xù)處理的安全風險。

1.1 中心大空孔直孔掏槽爆破中巖石破壞機理

中心大空孔直孔掏槽爆破，是在極短時間內(nèi)利用爆破沖擊波、應力波和爆生氣體來破壞巖體。當炸藥爆炸時，快速生成的高溫、高壓和高速的沖擊波沖擊孔周圍的巖石，強度大大超過巖石抗壓強度而粉碎巖石。沖擊波繼續(xù)向巖石外層范圍傳播，沖擊波衰減為壓縮應力波，使粉碎區(qū)外圍巖石徑向裂隙和環(huán)向裂隙相互交錯發(fā)展。因大空孔與裝藥掏槽孔距離合適，爆炸應力波遇空孔后形成反射拉伸波，空孔與裝藥孔之間的破碎巖石相互貫穿。同時，由于爆轟氣體的靜壓作用，可使已破碎巖石膨脹為松散的巖渣，隨后被拋出槽腔。因此，為使直眼掏槽取得良好的掏槽效果，需滿足2個條件，一方面是第一起爆的裝藥掏槽孔與空孔之間的距離合適，爆炸后，裝藥孔與空孔之間的巖石形成連續(xù)貫通破碎，另一方面是大空孔能提供爆破巖石破碎膨脹的補償空間。

1.2 掏槽中空孔作用

直眼掏槽中空孔參數(shù)的選擇，是成槽成功的關鍵，為正確設置這些參數(shù)，必須明確空孔的作用?？湛滓环矫鏋檠b藥爆破提供自由面，另一方面為爆破體提供補償空間。

空孔的表面就相當于自由面，對破碎巖石起到定向作用［1-2］?？湛字睆脚c裝藥孔直徑相同或較小時，應力波形成的反射波波面比入射波面更凸，發(fā)散程度更大，使爆炸能量很快衰減，空孔的自由面作用較小。為提高空孔的自由作用，充分利用炸藥和爆炸能量來破碎巖石，在直線掏槽中，應盡量增大空孔直徑或采用多個小直徑的空孔。空孔也是應力集中的地方，也是最容易發(fā)生破裂的部位?？湛诪槠扑閹r石提供膨脹空間，掏槽爆破不僅要將槽腔內(nèi)的巖石破碎，而且要將破碎的巖石拋出腔外，以便為后爆炮孔提供新的自由面。

1.3 裝藥孔與空孔間距

裝藥眼和空孔之間的距離合適，爆破作用所產(chǎn)生的破碎體才能完全拋出槽腔，才能取得良好的掏槽效果。當空孔與裝藥眼的間距過小時，槽腔內(nèi)破碎體中空隙體積所占比例較大，易對周邊炮眼進行破壞。間距過大，裝藥孔中的炸藥無法使巖石破碎，并將破碎巖石拋出。

1.4 微差爆破

根據(jù)井下補償空間的有限性，需有一定的爆破補償空間，為此需要采用微差爆破［1、7］。各裝藥孔采用微差起爆，有利于掏槽的形成，使自由面逐漸擴大，后續(xù)裝藥孔爆破可以充分利用前面裝藥孔爆破形成自由面作為補償空間。

2 工程應用

2.1 工程概況

某銅礦為成礦帶中控制規(guī)模最大的礦床，礦巖松散系數(shù)1.69，硬度系數(shù)f=6～8，礦石無自燃和粘結性。根據(jù)開采技術條件，礦山設計選用自然崩落采礦方法進行單中段開采，礦體平均崩礦高度為200 m，規(guī)模為年采原礦石1 250萬t。結合采礦工藝特點，設計從上向下由拉底水平、出礦水平、回風水平，運輸水平4個主要水平組成，其中拉底水平與出礦水平由聚礦槽連接，作為拉底松散礦石流動通道，高度16 m。聚礦槽長13 m，高度16 m，下寬4.2 m，上寬10 m。根據(jù)工藝要求，聚礦槽始終是在拉底水平已拉底爆破后形成的崩落松散礦石堆下進行施工，如圖1。因此，聚礦施工是采礦工藝成功的關鍵及難點工程，聚礦槽一次成槽的研究非常重要。

2.2 聚礦槽炮孔參數(shù)設置

平行中心大孔直孔爆破的掏槽方式是以超大直徑空孔為中心，距離中心空孔一定數(shù)值周圍布置掏槽孔，由中心向兩側順序起爆。因爆破補償空間因素，需采用微差爆破，首爆孔以空孔為自由面，首爆空間再為后續(xù)爆破孔提供自由面和補償空間，以此類推，各裝藥孔逐段起爆，最終形成聚礦槽。

平行中心大孔直孔爆破中空孔的容積，若能接近于最先一段起爆的掏槽眼所爆巖石膨脹增大的體積，會取得良好的成槽效果。為此，762 mm大孔臺車設備孔徑，開鑿聚礦槽中心空孔（孔徑762 mm），（孔深18 m），周邊布置8個直徑Φ76 mm的掏槽深孔，孔徑76 mm，每個孔深17.7 m，形成聚礦槽中的切割天井，尺寸2 m×2 m。如圖2。

切割槽是再以切割井為自由面，兩側各施工3排炮孔，每排設3個扇形炮孔，炮孔孔底距1.25 m、第一排距離切割井1 m，其余排距為1.5 m。正常排再以切割槽為自由面，同時起爆南（S）、北（N）各1排炮孔，間距為1.7 m。為了確保聚礦槽尺寸，切割井、切割槽、正常排位一次爆破形成，最后調(diào)整聚礦溝形狀的炮孔再作一次爆破，在此不作敘述，如圖3。

2.3 聚礦槽中炮孔施工

因掏槽孔均為上向平行孔，中心大直徑空孔Φ 762 mm采用Sandvik公司生產(chǎn)的Cubex Aries大孔臺車在切割槽中心施工，孔深18 m；周邊掏槽孔采用Atlas Copco公司生產(chǎn)的SimbaH 1354型中深孔液壓鑿巖臺車施工，孔深11～17.8 m。

2.4 炮孔間距

影響聚礦槽一次爆破成功的關鍵，是最先起爆形成的切割井質(zhì)量，即切割井中8個掏槽孔與中心大孔距離的合理性。結合炸藥性能和巖石性質(zhì)，合理的間距應具備2個“滿足”:炸藥爆炸時產(chǎn)生的能量滿足掏槽孔與空孔間巖石破碎要求，爆前空間滿足掏槽孔與空孔間巖石因碎脹作用增加的容積需要。為此，通過計算和反復實驗，以大直徑空孔為中心，切割井的掏槽孔炮孔數(shù)量為8個，見圖2。為滿足切割井爆破補償空間，避免爆破出現(xiàn)擠死現(xiàn)象，最先起爆切割井中1#、2#掏槽孔，距離空孔中心0.68 m，補償空間系數(shù)為（0.958/4）×100%=23.4%，隨后起爆距離空孔中心0.78 m的3#、4#掏槽孔，再順序起爆尺寸2 m×2 m 切割井角上 5#、6#、7#、8#掏槽孔，便于形成切割井。一、二、三、四、五、六排間距均為1.48 m，正常排S1、N1間距1.0 m。

2.5 裝藥長度

裝藥前，對裝藥的掏槽孔進行逐孔檢查，采用高壓風管對裝藥孔內(nèi)的巖屑吹凈，檢查確認無誤后，便開始裝藥。裝藥時，采用BQF-100型裝藥器對粒狀多孔銨油炸藥進行連續(xù)裝藥，設計孔底、孔口兩段同時起爆，孔底、距離孔口4.0 m位置時分別填塞一袋起爆藥包，起爆藥包為乳化炸藥，雷管反向插入后用膠布扎緊，距離孔口1 m處，采用炮泥堵塞，堵塞長度大于0.6 m。裝藥中嚴格控制裝藥長度和裝藥密度，裝藥炮孔長度為441 m，實際裝藥長度為416 m，爆破總炸藥量2 237 kg，每米炸藥量5.37 kg/m，炸藥單耗0.96 kg/t。

2.6 微差爆破時間

結合切割槽成槽特點，以中心大孔為起點，合理計算雷管延期時間，通過對各孔起爆時間的合理控制，不計爆破飛石水平碰撞對下降速度的損耗，礦巖爆破后的降落速度按自由落體公式計算（，考慮下一排炮孔的起爆時間。切割槽設計采用三段連續(xù)爆破，第一段爆破空孔周圍1#～8#炮孔，順序起爆后形成切割井；第二段以切割井為自由面，順序起爆切割井兩側擴井排四、三、五、六、二、一排炮孔，排間微差爆破，微差時間75 ms；第三段為正常排的南、北各一排，排間和空間采用微差爆破，間隔時間取75 ms，具體的雷管段數(shù)見表1，可根據(jù)生產(chǎn)爆破效果進行合理調(diào)整。

為達到一次爆破成槽的效果，起爆順序依然按照切割井→切割槽→正常排開展，在雷管延期時間的控制上，遵從電子雷管爆破的精確延期時間［7］，逐步創(chuàng)造補償空間。

3 應用效果

礦山自從2016年下旬拉底開始以來，一直采用平行中心大孔直孔爆破一次成槽技術，現(xiàn)已完成60多個聚礦槽，高度與上部直接貫通達到生產(chǎn)要求，未出現(xiàn)爆破擠死未爆通現(xiàn)象，一次成槽效果良好，見圖4。

4 結論

（1）采用此項一次成槽技術，為礦山采礦工藝提供了有力的技術保障，保證了施工的安全性，降低了施工成本費用。相比以往切割槽施工常用的普通法、吊罐法和爬罐法，安全風險小，爆破次數(shù)少，材料設備的消耗低。

（2）采用此項技術，不僅提高了切割槽的爆破質(zhì)量，還能有力地保護底部結構的穩(wěn)定性，減少對底部結構的破壞作用。