基于水壓爆破理論疏通堵塞溜井技術(shù)研究

趙元培，李向東，姚松明，李強(qiáng)，李士超

(1.嵩縣前河礦業(yè)有限責(zé)任公司， 河南 洛陽市 471000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410000)

0 引言

前河金礦成因類型為構(gòu)造蝕變巖型中低溫?zé)嵋航鸬V床，葚溝礦床賦存于近東西向的 F4斷裂帶中，礦體產(chǎn)于斷裂特定的構(gòu)造部位，葚溝礦區(qū)南端礦體極不穩(wěn)固、上盤圍巖不穩(wěn)固、下盤圍巖不穩(wěn)固至中等穩(wěn)固，礦體傾角 70°左右，厚度較薄，為急傾斜薄礦體，礦石品位較高。礦體及其上下盤巖石受蝕變和構(gòu)造影響嚴(yán)重，礦體主要為軟弱性巖石，自穩(wěn)性差。

礦山主要開拓方式為明豎井+盲豎井+盲斜井聯(lián)合開拓，礦山目前的主要回采中段為120 m、80 m、40 m和0 m 4個(gè)中段，中段高度40 m，相鄰勘探線間距為40 m，礦山目前的日產(chǎn)量約為500 t。

2019年8月出礦時(shí)發(fā)現(xiàn)主溜井0 m中段～40 m中段范圍出現(xiàn)較長堵塞段，由于120 m、80 m、40 m中段為主要生產(chǎn)中段，主溜井堵塞嚴(yán)重影響采區(qū)主要生產(chǎn)中段采場施工進(jìn)度，為了不影響出礦，實(shí)現(xiàn)順利達(dá)產(chǎn)，需盡快疏通主溜井堵塞路段。

1 溜井堵塞原因分析

首先對溜井堵塞原因進(jìn)行檢查，頂部采用手電筒或探照燈照射，觀察溜井堵塞情況，底部采用氫氣球測出堵塞高度。結(jié)合礦山現(xiàn)場實(shí)際情況分析，主要有以下幾個(gè)方面造成溜井堵塞[1-2]。

（1）溜井基建施工質(zhì)量未達(dá)到要求，導(dǎo)致井壁凹凸不平，從而使溜井內(nèi)產(chǎn)生斷面較小的區(qū)域，出礦時(shí)礦石易堵塞該區(qū)域。

（2）當(dāng)井內(nèi)礦巖存放量較多，且存放時(shí)間過長時(shí)，底部的礦巖被長時(shí)間壓蓋，產(chǎn)生大面積結(jié)塊，因此在放礦時(shí)，礦巖與井壁摩擦力較大，同時(shí)堵塞物底部形成平衡拱，產(chǎn)生礦巖堵塞。

（3）井內(nèi)預(yù)留礦石較少，導(dǎo)致溜井卸礦時(shí)礦巖自由落體距離較大，造成井筒內(nèi)礦石被沖擊力壓實(shí)，產(chǎn)生結(jié)塊堵塞。

（4）由于前河金礦礦巖內(nèi)含水及黏性粉狀物較多，沉降壓力及沖擊壓力導(dǎo)致礦石產(chǎn)生的結(jié)塊黏聚力更強(qiáng)，與井壁間產(chǎn)生的摩擦力更大，因此造成主溜井內(nèi)堵塞礦巖底部形成懸拱，產(chǎn)生堵塞。

溜井堵塞后的安全有效處理是目前礦山亟待解決的大問題，本著安全、可靠、合理、有效的原則進(jìn)行溜井堵塞處理方法技術(shù)研究，提出可行的溜井疏通方案，并結(jié)合礦山實(shí)際情況加以改進(jìn)。

2 溜井堵塞處理

2.1 溜井堵塞處理方法

目前礦山常用的疏通堵塞溜井的方法有以下幾種[1-2]。

（1）竹竿捅落法。適用于堵塞高度低且堵塞范圍小的情況，處理過程中人員需要有好的安全位置，符合上述條件優(yōu)先采用竹竿捅落法，簡單高效。

（2）藥包支撐爆破。適用于堵塞物距井口底部高度較低，同時(shí)竹竿捅落效果較差的條件，采用竹竿支撐藥包至堵塞部位底部，通過炸藥爆炸產(chǎn)生爆破振動及沖擊波破壞堵塞物粘結(jié)作用，導(dǎo)致堵塞物失去應(yīng)力平衡，借由堵塞物自重應(yīng)力疏通井筒。

（3）礦用火箭炮。通過發(fā)射筒內(nèi)爆炸物的爆炸氣流將火箭彈發(fā)射到溜井堵塞物底部，采用引爆裝置引爆火箭彈，同樣是通過爆破振動疏通井筒堵塞物。

（4）淺孔爆破法。適用于大塊堵塞溜井口，有良好的打孔裝藥爆破條件，將大塊堵塞物破碎處理。

（5）高壓風(fēng)（水）射流處理方法。適用于距溜井口堵塞部位較近的情況，采用高壓風(fēng)流或水流進(jìn)行沖擊，采用水的溶解作用以及沖擊應(yīng)力破壞堵塞物的應(yīng)力平衡，從而疏通井筒堵塞物。

對于一般常用處理方法不具備處理?xiàng)l件，或不具備設(shè)備加工條件時(shí)，采用一些特殊方法進(jìn)行處理，主要有以下4種[3]。

（1）座炮法。主要有挖坑埋炸藥以及打管埋炸藥兩種方法，通過將炸藥埋設(shè)在堵塞礦巖頂部，采用毛石填埋藥包頂部或堵塞藥管，進(jìn)行起爆。

（2）下挖法。在溜井上部安裝提升設(shè)備，采用人工下挖的方式將堵塞物向上提升，但是此方法效率低、安全性差，因此該方法使用情況較少。

（3）灌水法。通過井口向井內(nèi)灌水，通過水流沖刷堵塞礦巖黏結(jié)物，同時(shí)使易溶于水的堵塞物溶解，從而疏通堵塞溜井。

（4）氫氣球懸掛藥包法。利用氫氣球的懸浮能力，通過將藥包捆綁在氫氣球底部，接近堵塞物，采用爆破疏通溜井。

2.2 溜井堵塞處理技術(shù)研究

在主溜井0 m～40 m中段堵塞前，中段天井、溜井同樣發(fā)生過堵塞，從適用性來看，礦山采用的解決方法主要采用藥包支撐爆破法、人工下挖法、灌水法、座炮法等。

在主溜井堵塞段采用以上方法進(jìn)行施工設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)：由于堵塞長度較長，藥包支撐爆破法只能解決溜井口附近少量堵塞物，難以較好地解決問題；采用人工下挖效率低、安全性差，因此不建議使用；采用灌水法進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)溜井堵塞情況沒有明顯好轉(zhuǎn)；同時(shí)采用座炮法，從上部打爆破筒埋設(shè)炸藥進(jìn)行崩礦，由于爆破產(chǎn)生的炮煙及有毒氣體需通風(fēng)，上覆礦塊毛石重新形成堵塞物，以及溜井內(nèi)堵塞物較長，導(dǎo)致疏通效率低，耗時(shí)較長，因此放棄該方法疏通溜井。

由于常規(guī)方法難以盡快解決溜井堵塞問題，考慮到堵塞物堵塞長度較長，且堵塞密實(shí)程度較大，因此主體解決方法仍采用爆破法。由于常規(guī)爆破未能起到良好的爆破效果，施工效率較低，不能連續(xù)放炮，因此決定引入水介質(zhì)，使爆破沖擊波應(yīng)力集中，采用水壓爆破的原理以及水的溶解作用解決溜井堵塞問題。

根據(jù)上述分析結(jié)果設(shè)計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)方法如下：下放人員至溜井上部堵塞處；從上部堵塞處下挖藥坑，埋設(shè)6.0 kg藥包；藥包上面用塑料膜裝水覆蓋藥包，塑料薄膜上覆水深1.0 m左右；引爆藥包，觀察堵塞段是否下沉，多次操作若保持下沉情況則說明現(xiàn)場試驗(yàn)成功，現(xiàn)場試驗(yàn)藥包埋設(shè)示意見圖1。

實(shí)際操作過程中，第1次水壓爆破崩礦，井內(nèi)堵塞物下沉1.3 m，溜井下口落礦量為16 m3，說明試驗(yàn)方案產(chǎn)生較好的效果；第2次爆破崩礦，堵塞物又下沉0.9 m，溜井下口落礦量為8 m3，堵塞段持續(xù)下沉，但落礦量減少；第3次崩礦，堵塞物下沉0.7 m，溜井下口落礦量為10 m3。經(jīng)過3次水壓爆破，通過觀察底部堵塞物情況，判斷堵塞物黏結(jié)力已經(jīng)被大幅破壞。考慮操作方便性，采用竹竿支撐藥包進(jìn)行嘗試性爆破，最終通過爆破振動產(chǎn)生的沖擊波將松動未塌落的堵塞物震落，最終疏通了溜井。現(xiàn)場試驗(yàn)情況說明引入水壓爆破疏通溜井的技術(shù)產(chǎn)生了良好的效果。

圖1 藥包安裝示意

2.3 水壓爆破試驗(yàn)理論研究

炸藥的爆炸過程是一個(gè)能量迅速釋放的過程，水介質(zhì)的作用能夠使炸藥爆破產(chǎn)生的能量均勻分布在水介質(zhì)周圍[4]。由于水介質(zhì)頂部為最小抵抗線方向，因此爆破能量傳遞方向主要為頂部水介質(zhì)方向，相對于常規(guī)座炮法采用毛石覆蓋在藥包頂部進(jìn)行爆破，水介質(zhì)具有不可壓縮的特性，這種不可壓縮的特性使水介質(zhì)具有良好的緩沖效果及能量收束效果。爆炸產(chǎn)生的沖擊波首先接觸底部和兩側(cè)的堵塞物，以及頂部的水介質(zhì)，由于水介質(zhì)與堵塞物的不同物理屬性，爆破產(chǎn)生的沖擊波會在水、巖分界面產(chǎn)生反射及透射作用[5]。堵塞物的松散性較高，反射作用較弱，透射沖擊波進(jìn)入堵塞物內(nèi)。對于水介質(zhì)而言，爆炸產(chǎn)生的沖擊波會使水介質(zhì)產(chǎn)生反射向心沖擊波，以及透射的爆炸沖擊波。向心沖擊波會重新傳導(dǎo)至底部堵塞物內(nèi)，側(cè)向的透射沖擊波到達(dá)溜井井壁后，由于井壁相對底部松散堵塞物及水介質(zhì)強(qiáng)度較大，同時(shí)井壁相對光滑，認(rèn)為沖擊波與井壁的碰撞為彈性碰撞，即不產(chǎn)生壓碎區(qū)，因此沖擊波沖擊井壁會再次產(chǎn)生反射作用，形成反射波，導(dǎo)致爆炸沖擊波能量主要釋放在下部堵塞物、水介質(zhì)頂部暴露面2個(gè)方向，減少了對溜井井壁的損壞，同時(shí)增大了對底部堵塞物的沖擊壓力。

雖然水的密度與空氣不同，但是炸藥爆炸沖擊波傳播理論同樣遵循3大守恒定律，滿足爆炸沖擊波的3個(gè)基本關(guān)系式[6]：

式中，E0、0ρ、P0、v0分別為水介質(zhì)初始條件下的內(nèi)能、密度、壓力和速度，其中初始速度v0=0；E1、1ρ、P1、v1分別為沖擊波通過瞬間的水介質(zhì)的內(nèi)能、密度、壓力和速度；D為沖擊波的波速。

2.4 水壓爆破處理堵塞優(yōu)勢

水壓爆破相比頂部壓蓋毛石的座炮法具有較大優(yōu)勢，可以提高爆炸能量利用率，降低爆破振動對井壁的破壞，由于上部覆水，可有效降低有害煙塵和氣體擴(kuò)散，縮短爆破循壞周期。同時(shí)，爆破對堵塞物產(chǎn)生沖擊作用，導(dǎo)致松散堵塞物內(nèi)部產(chǎn)生大面積裂隙，頂部水流入裂隙內(nèi)沖刷和溶解黏結(jié)物，提高堵塞物的松散性。用水代替壓覆毛石可以避免上部壓蓋毛石堵塞增加出渣量和反復(fù)出渣問題。與常規(guī)方法相比，水壓爆破技術(shù)提高了疏通效率，大幅縮短了作業(yè)時(shí)間，降低了勞動強(qiáng)度，提高了安全系數(shù)。

3 結(jié)論

將前河金礦主溜井堵塞案例作為現(xiàn)場試驗(yàn)對象，對疏通堵塞溜井技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。首先對溜井堵塞原因進(jìn)行了分析，在多種常規(guī)處理溜井堵塞技術(shù)方案未能解決問題的條件下，以座炮法為技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行了方案優(yōu)化，提出了基于水壓爆破技術(shù)疏通溜井堵塞的新方法，并結(jié)合相關(guān)資料，給出了水介質(zhì)提高爆破效果的理論依據(jù)。