平行“直孔桶形”掏槽爆破一次成井技術(shù)

陳國輝，曾慧明，劉 奇

平行“直孔桶形”掏槽爆破一次成井技術(shù)

陳國輝1，曾慧明1，劉 奇2

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南 郴州市 423037；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

為解決爆破一次成井天井深度低、補(bǔ)償空間不足、自由面不夠的問題，提出了直孔桶形掏槽技術(shù)，并研究了掏槽裝藥孔和空孔間距等爆破成井主要參數(shù)。經(jīng)過對爆破機(jī)理詳細(xì)研究之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掏槽孔個數(shù)為8個（空孔和裝藥孔各4個）時，鑿巖施工容易且爆破效果好。以礦山一次爆破形成24 m天井為工程實(shí)例，證明該技術(shù)在超深孔爆破“一次成井”中可行，值得在其他類似礦山推廣應(yīng)用。

直孔桶形掏槽;爆破一次成井;高深天井

0 引 言

爆破一次成井技術(shù)指的是利用鑿巖臺車將爆破所需炮孔全部鉆鑿?fù)戤吅?，全斷面一次性爆破形成天井的技術(shù)，這是一種全新的天井施工方法，該方法與普通的天井方法相比，更加高效、經(jīng)濟(jì)和安全，因此該技術(shù)在工程運(yùn)用中得到一定的推廣[1]。如柿竹園多金屬礦前期采用爆破“一次成井”技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)兩個采場內(nèi)切割井全斷面一次成形，兩切割井高度分別為7 m與13 m。目前一次爆破成井的成井?dāng)嗝婕俺删叨戎饕茏杂擅婕翱灼氏拗?，?shí)現(xiàn)一次爆破形成深度超過20 m的天井還有一定的難度，因此，對爆破一次成井技術(shù)的研究非常有必要，意義重大。

為此，本文以柿竹園多金屬礦24 m高溜井爆破一次成井項(xiàng)目為依托，有針對性提出了直孔桶形掏槽技術(shù)，對掏槽原理進(jìn)行分析后，得到了合理的網(wǎng)孔參數(shù)，最后通過現(xiàn)場爆破成井試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明參數(shù)設(shè)計(jì)合理，爆破效果良好，為高深度一次爆破成井技術(shù)的推廣提供了一個典型的示范案例。

1 掏槽工藝

掏槽是一次成井的核心，掏槽孔的布置及裝藥孔、空孔的確定、掏槽孔與空孔間距相關(guān)主要參數(shù)是導(dǎo)致成井成功與否的主因。

爆破一次成井大多采用若干個空孔和頂?shù)撞肯锏雷鳛楸谱杂擅妫虼颂筒劭椎牟贾檬欠窈侠砭妥兊脴O為重要[2]。當(dāng)前，國內(nèi)外主要采用兩種掏槽方式，即螺旋掏槽和桶形掏槽。

螺旋掏槽的主要施工工藝是要先在井筒中心位置布置一個直徑不小于250 mm的空孔，然后在大直徑空孔四周呈螺旋方式施工若干個掏槽孔，爆破時，裝藥孔按照與大直徑空孔的距離由近及遠(yuǎn)順序爆破[3]。這種掏槽方式炮孔施工數(shù)量最少，但地下礦山中深孔鑿巖臺車鉆孔直徑一般都小于165 mm，直徑250 mm以上的空孔需要用更專業(yè)的鑿巖設(shè)備才能鑿出。

桶型掏槽的主要施工工藝是按照方形、圓形或者菱形的方式間隔布置若干個裝藥以及不裝藥的掏槽孔，爆破時，首爆孔均以其附近的空孔為自由面進(jìn)行爆破，其余炮孔各自附近的空孔和首爆孔爆破出的空間為自由面進(jìn)行掏槽爆破[4]。這種掏槽方式所需炮孔數(shù)量比其他兩種掏槽方式多，但這種掏槽方式對炮孔直徑大小及位置精度要求較低，施工最方便。

綜合考慮炮孔施工的難易程度以及盡可能利用礦山現(xiàn)有的鑿巖設(shè)備，本次一次爆破成井試驗(yàn)決定采用QZJ-100B型潛孔鉆機(jī)鉆鑿炮孔，鉆孔直徑110 mm，炮孔設(shè)計(jì)高度為24.0 m。QZJ-100B型潛孔鉆機(jī)一次性鉆好天井設(shè)計(jì)范圍內(nèi)全部平行炮孔，按照炮孔均衡排布擇優(yōu)選擇裝藥有效孔，裝藥孔及空孔對半均勻設(shè)置。

2 “直孔桶形”掏槽爆破一次成井技術(shù)

2.1 掏槽孔間距

不管采用何種掏槽方式，都需要空孔為裝藥孔爆破出來的礦巖提供補(bǔ)償空間，也就是說，每次爆破時，都必須保證要有足夠空間能容納被爆礦巖碎脹后的體積，被爆礦巖體積和補(bǔ)償空間之間存在如下關(guān)系公式：

式中：為礦巖的碎脹系數(shù)。

空孔和裝藥孔之間所需補(bǔ)償空間如圖1所示。

圖1 空孔和裝藥間所需補(bǔ)償空間

從圖1可以得知，掏槽過程中裝藥孔爆破下來的礦巖碎脹后的體積不能大于空孔和該部分礦巖原來體積之和，由此可以得到，空孔和裝藥孔之間所需要最小間距的計(jì)算公式：

式中，為空孔與裝藥孔之間的最小間距；為空孔的直徑，mm；為裝藥孔的直徑，mm。

柿竹園礦本次一次爆破成井試驗(yàn)，掏槽裝藥孔和空孔的鉆孔直徑均為110 mm，礦巖的碎脹系數(shù)為1.55，按式（2）可得出，本次爆破試驗(yàn)，空孔與裝藥孔之間的最小間距≤400.6 mm。

當(dāng)取值越小時，爆破一次成井試驗(yàn)掏槽爆破效果越好，但考慮到鉆機(jī)鉆孔時無法保證炮孔100%完成垂直，通常情況下，要求鉆孔偏斜率不超過0.5%，即鉆24 m長炮孔鉆孔底部最大可能產(chǎn)生120 mm偏斜，因此，取值不能小于240 mm。

空孔與裝藥孔間距需根據(jù)各裝藥孔爆破后所形成的碎漲空間大小來確定；在滿足碎漲空間的情況下，同時考慮到鉆鑿炮孔時不可避免會產(chǎn)生一定的偏斜，以及裝藥孔爆破后會在其周邊一定范圍（孔徑的4~6倍）內(nèi)產(chǎn)生破碎帶[5]，因此，裝藥孔和空孔間距既不能太大也不能太小，太大（＞400.6 mm）爆破空間不夠，太?。ǎ?40 mm）炮孔之間很有可能會相互貫穿。綜合考慮掏槽爆破質(zhì)量及鉆孔施工難易程度，初步取值為350~400 mm。

2.2 掏槽布孔方案

（1）掏槽布孔初步方案。根據(jù)空孔與裝藥孔的適宜距離，決定采用2種方案實(shí)施掏槽孔，并分別計(jì)算這2種方案的補(bǔ)償系數(shù)。

方案1和方案2均在天井中心位置布置1個空孔。方案1以中心空孔為中心，在距離其350 mm圓環(huán)上，均勻分布6個炮孔，這6個炮孔之間相距367 mm（見圖2）；方案2以中心空孔為中心，在距離其400 mm圓環(huán)上，均勻分布7個炮孔，這7個炮孔之間相距359 mm（見圖2）。

圖2 掏槽布孔方案

圖2中，中間空孔編號為K1（圖上未標(biāo)注），K2~K4為空孔編號，Z1~Z4為裝藥孔編號，S1~S4分別對應(yīng)裝藥孔Z1~Z4的礦巖預(yù)爆落面積。

（2）補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算。對碎漲系數(shù)為1.55的礦巖，只有當(dāng)爆破時炮孔的補(bǔ)償系數(shù)不低于0.55時才能確保爆破成井試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，補(bǔ)償系數(shù)越大，爆破效果越好。補(bǔ)償系數(shù)可以通過式（3）計(jì)算得到：

根據(jù)式（3）分別計(jì)算這2種掏槽布孔方案的補(bǔ)償系數(shù)，其結(jié)果見表1。

表1 2種掏槽布孔方案的補(bǔ)償系數(shù)

（3）掏槽孔最終方案確定。從表1可以看出，采用方案1時，Z1炮孔爆破時的補(bǔ)償系數(shù)只有0.51，采用方案2時，Z1炮孔補(bǔ)償系數(shù)為0.56且后續(xù)孔補(bǔ)償系數(shù)普遍比方案1大，爆破所需最小補(bǔ)償為0.55，也就是說，若采用方案1有可能把炮孔堵死從而導(dǎo)致掏槽爆破失敗，因此，最終推薦采用方案2布置掏槽炮孔。

2.3 布孔參數(shù)

本次爆破成井試驗(yàn)采用直眼平行炮孔桶形掏槽方式，8孔掏槽布置以1個炮孔為中心，內(nèi)圈周邊環(huán)繞7個炮孔。外圈孔（10個炮孔）以內(nèi)圈形成槽腔為自由面?zhèn)认虮七B續(xù)擴(kuò)大，最終一次爆破形成全斷面24.0 m深天井，天井設(shè)計(jì)斷面為2.0 m×2.0 m，爆破后形成天井?dāng)嗝鏋?.2 m×2.3 m。槽孔和空孔的布置如圖3所示。

圖3 炮孔布置

2.4 爆破效果

爆破后，所成天井效果如圖4和圖5所示。

圖4 溜井貫穿下表面爆破現(xiàn)場

后期通過二次爆破處理井筒內(nèi)大塊發(fā)現(xiàn)地表溜井口渣堆陷落現(xiàn)象，由此可以得知爆破成井效果不錯，此時天井已貫透地表，天井?dāng)嗝鎸?.3～2.5 m，天井高度24 m，與設(shè)計(jì)相符。

圖5 溜井貫穿上表面爆破現(xiàn)場

3 結(jié) 論

（1）爆破一次成井按掏槽方式、炮孔排布特點(diǎn)：以平行空孔為槽孔自由面進(jìn)行4空孔桶形直孔掏槽爆破；按照炮孔均衡排布擇優(yōu)選擇裝藥有效孔，且裝藥孔必須均衡分布在剩余設(shè)定空孔之間。

（2）首響的裝藥孔爆破時僅能以附近的空孔作為自由面和補(bǔ)償空間進(jìn)行爆破，因而其補(bǔ)償空間在所有裝藥孔中一般都是最小的，因此首響裝藥孔參數(shù)的確定尤為重要，首響裝藥孔質(zhì)量直接決定成井質(zhì)量。

[1] 李啟月,李夕兵,范作鵬,等.深孔一次成井技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013,32(4).

[2] 徐 敏.中深孔爆破一次成井技術(shù)研究與應(yīng)用[D].長沙:中南大學(xué),2012.

[3] 曹 斌,王 潔.中深孔爆破一次成井技術(shù)在豐山銅礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2016,16(06):40-42.

[4] 周傳波.深孔爆破一次成井模擬優(yōu)化與應(yīng)用研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2014.

[5] 于長軍,金 鵬.中深孔爆破一次成井技術(shù)在鎮(zhèn)沅金礦的應(yīng)用[J].黃金,2016(8).

(2019-08-16)

陳國輝(1985—)，男，江西鷹潭人，碩士，工程師，從事采礦工藝、爆破工程的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場管理工作，Email：345926583 @qq.com。