深孔爆破成井技術(shù)在某鈾礦天井掘進(jìn)中的應(yīng)用研究

張寶俊

(中核(廣東)科技有限公司，廣東 韶關(guān) 512029)

天井掘進(jìn)是礦山開(kāi)拓和采切工程中一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，天井掘進(jìn)工程量占礦山年掘進(jìn)總量的20%～25%[1]664。采用常規(guī)的普通法、吊罐法、爬罐法掘進(jìn)天井，作業(yè)人員工作環(huán)境惡劣、安全性差、成本高、效率低；采用鉆井法掘進(jìn)天井，雖然作業(yè)人員不在井內(nèi)施工，工作環(huán)境好、安全系數(shù)高；但施工機(jī)械龐大，設(shè)備購(gòu)置成本高，尤其是施工機(jī)械本身還有待完善，因而其應(yīng)用受到限制[2-5]。

相比之下，深孔爆破法成本為普通法的40%，鉆井法的30%；而效率則為普通法的141%，鉆井法的128%；另外在施工作業(yè)環(huán)境和技術(shù)操作方面，該方法也具有很大優(yōu)勢(shì)[6]。

深孔爆破法掘進(jìn)天井的研究始于20世紀(jì)50年代，研究人員對(duì)深孔爆破法成井技術(shù)進(jìn)行了研究[7-10]；但對(duì)深孔爆破法掘進(jìn)天井的技術(shù)應(yīng)用不夠成熟，有關(guān)參數(shù)的選擇主要基于經(jīng)驗(yàn)和工程類比，該方法一直沒(méi)能得到普遍推廣。

某鈾礦為了提高井下天井的掘進(jìn)效率、改善作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度并促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，參考國(guó)內(nèi)外類似工程實(shí)例與研究成果，開(kāi)展了深孔爆破法掘進(jìn)天井的應(yīng)用研究。

1 工程概況

礦床的含礦巖性主要為硅化碎裂巖、花崗碎裂巖，礦化巖性常發(fā)育絹云母化、赤鐵礦化、螢石化、碳酸鹽化、黃鐵礦化等。生產(chǎn)實(shí)踐表明，巖石的可爆性能較好。試驗(yàn)天井為某鈾礦-150 m的充填法采場(chǎng)的通風(fēng)天井，設(shè)計(jì)斷面規(guī)格2 m×2 m，高度為13.6 m。

2 爆破方案選擇

深孔爆破一次成井方案按裝藥結(jié)構(gòu)和掏槽形式可分為直孔掏槽成井和多孔球狀藥包爆破成井。直孔掏槽成井的主要特點(diǎn)：1)以平行空孔為槽孔自由面，進(jìn)行掏槽爆破；2)將天井劃分為若干分段，分段高度由炮孔偏斜率和空孔決定。多孔球狀藥包爆破成井的主要特點(diǎn)：1)采用球狀藥包爆破；2)將天井劃分為若干分層；3)分層高度由自由面寬度和孔徑?jīng)Q定。

爆破方案的選擇主要應(yīng)考慮巖性、孔偏大小、成井?dāng)嗝娲笮『统删叨鹊?表1)。當(dāng)巖石韌性大和孔偏大(超過(guò)1%)時(shí)，不適合采用直孔掏槽方案；當(dāng)成井?dāng)嗝孑^小(<4 m2)或成井高度超過(guò)40 m時(shí)，采用多孔球狀藥包爆破成井方案不經(jīng)濟(jì)。

表1 2種爆破方案的適用條件

根據(jù)礦巖地質(zhì)情況、試驗(yàn)天井規(guī)格，及礦山現(xiàn)有的鉆機(jī)設(shè)備與性能、爆破器材等條件，確定采用直孔掏槽爆破成井方案。為達(dá)到研究目的和保證試驗(yàn)效果，并確保爆下巖石有足夠的碎脹空間，將天井分為兩段、采取分次爆破，即第一次爆破5 m，第二次爆破8.6 m。

3 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 掏槽方式及相關(guān)參數(shù)確定

3.1.1 掏槽方式選擇

考慮到孔深和孔偏，采用桶形直孔掏槽。根據(jù)成井高度，選用若干空孔作為初始自由面和補(bǔ)償空間。有關(guān)資料表明，一次成井高度8 m以下時(shí)，采用單空孔；8～15 m時(shí)，采用雙空孔；15 m以上時(shí)，采用3個(gè)以上的空孔[1]667。本設(shè)計(jì)采用雙空孔補(bǔ)償方案。

3.1.2 裝藥孔數(shù)

裝藥孔數(shù)和天井的斷面尺寸、巖石的巖性等因素有關(guān)。一般天井?dāng)嗝嬖酱?，巖石堅(jiān)固性越高，所需炮孔數(shù)越多，裝藥孔數(shù)計(jì)算公式為[11]

(1)

式中：N—裝藥孔數(shù)；k—斷面系數(shù)，取1.0；S—天井?dāng)嗝婷娣e，m2，取4 m2；g—每m3巖石炸藥消耗量，取3.2 kg/m3；r—每m炮孔裝藥量，取3 kg/m；η—炮孔裝藥系數(shù)，一般為0.6～0.8，取0.75。

由式(1)計(jì)算得N=5.7。據(jù)此設(shè)計(jì)裝藥孔數(shù)為6個(gè)，其中布置1個(gè)掏槽孔(3#孔)，5個(gè)周邊孔(4#～8#孔)。

3.1.3 炮孔間距

根據(jù)現(xiàn)有的HGY-100型地質(zhì)取芯鉆機(jī)和采用的鉆頭(φ90 mm和φ75 mm)，掏槽孔與2個(gè)補(bǔ)償空孔成三角形布置；其中補(bǔ)償空孔直徑為90 mm，掏槽孔和周邊孔直徑均為75 mm。

掏槽孔與補(bǔ)償孔距離的計(jì)算公式為

(2)

式中：a—掏槽孔與補(bǔ)償孔距離，mm；D—補(bǔ)償孔的孔徑，mm；d—掏槽孔和周邊孔的孔徑，mm；K—巖石碎脹系數(shù)，取1.5。由式(2)計(jì)算得a=385.6 mm，取a=350 mm。

3.1.4 炮孔布置

根據(jù)以上計(jì)算，此天井深孔爆破成井炮孔數(shù)目共計(jì)8個(gè)(2個(gè)補(bǔ)償孔，6個(gè)裝藥孔)，炮孔布置設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 炮孔布置設(shè)計(jì)圖

3.2 深孔施工質(zhì)量控制

深孔施工質(zhì)量是深孔爆破成井技術(shù)的關(guān)鍵。深孔的偏斜會(huì)造成孔口和孔底的最小抵抗線不一致，進(jìn)而影響爆破效果。深孔的偏斜包括起始偏斜和鉆進(jìn)偏斜，鉆機(jī)性能、立鉆精確度和開(kāi)孔誤差是引起初始偏斜的主要因素[12]，巖層變化、鉆桿剛度和操作技術(shù)是引起鉆進(jìn)偏斜的基本因素。

根據(jù)HGY-100型地質(zhì)取芯鉆機(jī)性能和爆破方案，確定控制深孔施工偏斜率<1%。

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)

3#掏槽孔采用連續(xù)柱狀裝藥；4#～8#周邊孔采用軸向空氣間隔裝藥(間隔材料為0.30 m或0.35 m長(zhǎng)的竹筒)。采用2#號(hào)巖石乳化炸藥，設(shè)計(jì)裝藥單耗3.2 kg/m3。炮孔全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索，采用秒延期非電導(dǎo)爆管雷管起爆。

由于深孔為上下貫通狀，為此進(jìn)行孔底封堵?？椎椎姆舛路椒ǎ?)將鐵絲在炮孔內(nèi)由上向下放到底部，并用鐵絲綁好裝有細(xì)沙的編織袋；2)將編織袋提到孔底并拉緊，然后將上口鐵絲固定牢。完成孔底封堵后，倒入細(xì)沙進(jìn)行堵塞，堵塞深度為0.8 m；按設(shè)計(jì)完成裝藥后，再倒入細(xì)沙進(jìn)行上部堵塞，堵塞長(zhǎng)度為1.6～2.0 m。裝藥結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 孔底封堵示意圖

圖3 軸向空氣間隔裝藥示意圖

4 深孔爆破成井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 深孔施工

為保證鉆孔施工質(zhì)量，在鉆孔施工過(guò)程中采取了以下措施：1)加設(shè)孔口套管，保證開(kāi)孔時(shí)位置準(zhǔn)確；2)將鉆機(jī)底柱固定在枕木上，并將鉆機(jī)底座用混凝土澆筑固定，保證在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)不會(huì)移位；3)施工過(guò)程加強(qiáng)測(cè)量校核檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾偏；4)調(diào)配鉆機(jī)熟練操作人員，減少人員操作誤差。

鉆孔測(cè)孔記錄見(jiàn)表2，實(shí)測(cè)鉆孔上下口位置如圖4所示。

表2 鉆孔測(cè)孔記錄結(jié)果

圖4 實(shí)測(cè)鉆孔上下口位置示意圖

由表2和圖4可看出，除6#、8#孔外，其余炮孔的偏斜率均<1%。6#、8#孔為周邊孔，且偏斜后未增大最小抵抗線，不會(huì)影響后續(xù)爆破實(shí)施。通過(guò)質(zhì)量控制，鉆孔偏斜率基本滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行下一步爆破。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破

4.2.1 裝藥

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有專門(mén)定制炸藥，采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長(zhǎng)度為0.3 m，藥卷質(zhì)量為0.3 kg。由于裝藥孔徑為75 mm，所以將3節(jié)2#巖石乳化炸藥藥卷用膠帶纏綁后作為裝藥的單節(jié)藥柱。

裝藥時(shí)，隨時(shí)測(cè)量孔底堵塞段、裝藥段、空氣間隔段、上部堵塞段的高度，保證裝藥質(zhì)量。

4.2.2 起爆順序

炮孔起爆順序：掏槽孔3#→周邊孔4#→周邊孔5#和6#同段→周邊孔7#和8#同段。雷管段別分別采用秒延期的3段、5段、7段和9段導(dǎo)爆管雷管，跳段選擇雷管段的目的是使前段爆破的巖石有充分的時(shí)間下落，為下段炮孔爆破騰出充足的補(bǔ)償空間。有空孔掏槽爆破槽腔的形成過(guò)程大致可以分為巖石破碎階段，巖石渣拋擲充滿槽腔階段，以及巖石碎渣軸向排棄形成有效槽腔階段[13]。雷管跳段起爆是保證爆破效果的有效措施。

兩段分次爆破成井試驗(yàn)的裝藥參數(shù)見(jiàn)表3?？諝忾g隔長(zhǎng)度按節(jié)長(zhǎng)0.30 m或0.35 m的竹筒在孔中均勻布置。

表3 爆破成井試驗(yàn)裝藥參數(shù)

4.2.3 爆破效果

第一次5 m段爆破后，實(shí)測(cè)天井?dāng)嗝鏋?.6 m2，爆破效果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求；爆破炸藥單耗為3.85 kg/m2，單耗較高。分析認(rèn)為炸藥單耗較高的主要原因是沒(méi)有根據(jù)炮孔直徑專門(mén)定制炸藥，而且因考慮夾制作用適當(dāng)增加了裝藥用量。

總結(jié)第一次爆破試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行第二次爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。此次爆破成功將剩余天井段貫通，實(shí)測(cè)天井?dāng)嗝娉叽缂s為3.3 m2，炸藥單耗為3.17 kg/m3，較第一次的炸藥單耗有所下降。雖然第二次爆破天井?dāng)嗝孑^第一次爆破成井規(guī)格略小，但仍能滿足要求。天井貫通效果如圖5所示。

4.3 爆破成井效果評(píng)價(jià)

通過(guò)兩次現(xiàn)場(chǎng)深孔爆破成井試驗(yàn)，驗(yàn)證了2 m×2 m天井深孔爆破成井的炮孔布置參數(shù)、堵孔方法、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的可行性，確定了深孔爆破成井分段爆破高度在5～8 m，基本達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求。

圖5 天井貫通效果圖

5 結(jié)論

深孔爆破成井技術(shù)的一次爆破成井高度可達(dá)8 m，深孔爆破成井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了此工藝技術(shù)和參數(shù)在該鈾礦的應(yīng)用效果。深孔爆破成井技術(shù)安全可靠、技術(shù)可行，本研究為下一步開(kāi)展深孔爆破一次成井技術(shù)研究與實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。