鐵山礦區(qū)采場高階段礦房切割拉槽爆破技術(shù)實(shí)踐

馬彥軍 楊 俊

（中國華冶科工集團(tuán)有限公司邯鄲馬萬水分公司）

采用高階段深孔切割拉槽，可同時為中深孔拉底與深孔側(cè)向崩礦提供共用的自由面和補(bǔ)償空間，其施工安全有保障，工序簡單可靠，勞動強(qiáng)度較低，可節(jié)約施工成本。切割天井是形成切割槽的關(guān)鍵工藝，其形成的速度、質(zhì)量、位置都影響著后續(xù)生產(chǎn)［1］。舞陽鐵山礦-400 m水平采場深孔切割拉槽施工中常出現(xiàn)以下技術(shù)問題，一是切割井施工速度、質(zhì)量受地質(zhì)條件的制約，若選位不當(dāng)會影響爆破效率；二是受地質(zhì)條件、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件、鑿巖設(shè)備性能、工人操作技能等諸多因素影響，造成切割井深孔偏斜率大而出現(xiàn)穿孔、竄孔現(xiàn)象，井底部抵抗線大幅增加，限制了分段爆破成井高度，造成爆破效率低下；三是受到單一深孔拉擴(kuò)槽爆破的振動與沖擊，使得出礦橫巷頂板及眉線受到不同程度損壞，直接影響著出礦作業(yè)的安全，同時還會造成此出礦橫巷的底部結(jié)構(gòu)殘留礦量增加。通過對舞陽鐵山礦K13#礦房切割工程施工位置、爆破施工工序、主要爆破技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮VCR法和深孔爆破一次成井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高切割槽施工生產(chǎn)效率。

1 工程概述

舞陽礦業(yè)公司鐵山礦西區(qū)鐵古坑礦段-340～-400 m礦體賦存于條帶狀混合巖層之間，長1 300～1 400 m，礦層平均水平累計厚度約為60 m，傾角平均為36°，礦體以磁鐵礦為主，f=8～13，密度為3.52 t/m3，礦層硬度大、穩(wěn)定性較好。礦體局部地段受混合巖和閃長巖侵入，并切斷礦體?；旌蠋r與礦體接觸帶矽卡巖化較強(qiáng)，節(jié)理發(fā)育，有斷層破碎帶。上、下盤礦體圍巖均為大理巖，白色、粗粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

-400 m水平采用階段礦房VCR法深孔切割井、中深孔與深孔拉擴(kuò)槽，采用中深孔拉底與高階段深孔側(cè)向崩礦嗣后充填聯(lián)合采礦法開采［2］。礦房垂直礦體走向布置，長為礦體厚度，寬15 m，階段高45 m，底部拉底補(bǔ)償空間高度為15 m左右，側(cè)向崩礦高度為30 m左右。采用高階段深孔切割拉槽，貫穿整個階段，可同時為中深孔拉底與深孔側(cè)向崩礦提供共用的自由面和補(bǔ)償空間。采切工程的切割槽長15 m，寬約4 m，深度約為45 m，在深孔鑿巖硐室沿全段高從上向下用T-150型環(huán)形潛孔鉆機(jī)鉆鑿一組平行炮孔（孔徑130 mm），從下向上分別采用VCR法分段爆破技術(shù)和深孔爆破一次成井破頂?shù)墓に囆纬汕懈罹?，再沿切割橫巷采用中深孔與深孔從下至上側(cè)向爆破形成倒梯段來進(jìn)一步擴(kuò)大切割井自由面，將切割槽全斷面拉開（圖1）。

2 切割槽施工位置合理確定

切割井施工速度、質(zhì)量受地質(zhì)條件的影響頗大，若是選位不當(dāng)會影響爆破效果。由于-400 m水平礦體局部地段受混合巖和閃長巖侵入，在裂隙發(fā)育、巖層破碎的斷層帶地段，往往會使爆生氣體過早逸出，還會造成動壓失敏，對鄰孔產(chǎn)生不良影響，每次裝藥時切割井清孔困難甚至部分孔堵塞，爆破效率低下。切割槽施工區(qū)域選位應(yīng)根據(jù)采場現(xiàn)場礦巖地質(zhì)特性和參考探礦地質(zhì)編錄相結(jié)合的辦法，將其布置在礦巖成塊狀分布、堅硬穩(wěn)固、致密的巖性之中，雖然會降低分段高度，但是優(yōu)點(diǎn)顯著。

3 爆破施工技術(shù)工序與工藝優(yōu)化

良好的爆破技術(shù)與合理的爆破施工工序直接關(guān)系到高階段切割工程施工速度、質(zhì)量與效果。根據(jù)礦巖特性、孔偏斜率、孔徑、炸藥性質(zhì)、成井?dāng)嗝娉叽缪a(bǔ)償空間大小等相關(guān)因素，結(jié)合K22#、K19#、K16#等以往幾個礦房切割拉槽爆破技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定切割拉槽工程爆破施工分別采用VCR法切割井小斷面掏槽掘進(jìn)、沿切割橫巷采用中深孔與深孔從下至上側(cè)向爆破形成倒梯段來進(jìn)一步擴(kuò)大掏槽自由面（中深孔拉底15 m段高和深孔側(cè)向崩礦30 m段高的切割槽自由面補(bǔ)償空間），再使用深孔爆破一次破頂成井技術(shù)，將切割槽全斷面擴(kuò)開［3-4］。

充分利用井口、井底2個端部自由面的初始補(bǔ)償空間，來優(yōu)化起爆順序與裝藥結(jié)構(gòu)，提高爆破效率和功效。在井底端部，以各炮孔偏斜在井底端部的實(shí)際孔位而重新組合的炮孔布置結(jié)構(gòu)，充分利用以井底端部自由面的初始補(bǔ)償空間，優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)與起爆順序，解決因地質(zhì)條件、鑿巖設(shè)備性能與工人操作技能等諸多因素的影響；在井口端部，隨著切割井炮孔從下至上趨向達(dá)到設(shè)計炮孔布置結(jié)構(gòu)，實(shí)施深孔爆破一次成井，對井口端部剩余12 m左右厚的頂層進(jìn)行爆破破頂，來提高爆破作業(yè)功效。

采用中深孔與深孔從下至上形成倒梯段側(cè)向爆破技術(shù)，不僅解決了隨著切割井施工高度向上延伸井底部輪廓自由面縮小、爆破夾制力加大、爆破效率低下的技術(shù)問題，而且還克服了全部采用深孔擴(kuò)槽爆破的較大振動與沖擊力。

4 爆破技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

4.1 切割井掏槽形式和炮孔間距

由于切割井從下向上分別采用VCR法與深孔爆破一次成井破頂爆破技術(shù)，采用平行空孔掏槽形式較適宜，其裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序比較簡單，可操作性強(qiáng)。這種方法是在深孔鑿巖硐室沿全段高從上向下用T-150型環(huán)形潛孔鉆機(jī)鉆鑿一組平行炮孔（孔徑130 mm），以空孔為自由面，掏槽孔爆破將其擴(kuò)大，再利用輔助擴(kuò)槽孔和周邊孔最終完成爆破作業(yè)。此種爆破技術(shù)對掏槽孔間距參數(shù)設(shè)計及鑿巖鉆孔精度要求較高。

（1）在等直徑孔的限定條件下，設(shè)計采用菱形掏槽方式，其中K1、K2空孔為中間1#孔提供初始補(bǔ)償空間，2#、3#孔擴(kuò)大槽腔。

（2）首響掏槽孔布置在粉碎裂隙圈半徑內(nèi)，可按照式（1）計算確定［5］。

式中，L為炮孔間距，mm；Rt為以炮孔為中心的粉碎裂隙圈半徑，一般Rt=（2.5～4.5）D，D為孔徑，mm。

（3）首響掏槽孔間距應(yīng)滿足初始補(bǔ)償空間距理論，可按照式（2）計算確定。

式中，D為孔徑，130 mm；K為礦巖碎脹系數(shù)，因?yàn)槭醉懱筒垩墼诜鬯槿?nèi)取1.2～1.3［6］。計算得出L≦610 mm。

（4）裝藥孔數(shù)的確定與天井的斷面尺寸、礦巖巖性條件等因素有關(guān)。切割井?dāng)嗝鏋? m×3 m，礦巖硬度系數(shù)f=10～13，屬于堅硬礦巖，同時考慮切割井深度大和巖體中有斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造，以及孔的偏斜誤差，所需炮孔數(shù)增多，仍然按照掏槽孔、輔助孔、周邊孔來布置炮孔數(shù)目?？砂凑展剑?）計算確定。

式中，N為裝藥孔總數(shù)目；K為斷面系數(shù)為1；S為切割井?dāng)嗝娣e，m2；g為炸藥單耗量，經(jīng)驗(yàn)值為12～18 kg/m3［1］；η炮孔裝藥系數(shù)，一般為0.6～0.8；r為每米炮孔裝藥量，kg/m。代入上式計算可得N=14～16個，其中掏槽孔3個、輔助孔4個、周邊孔8個，力求炮孔的位置在斷面內(nèi)分布均勻。拉擴(kuò)槽深孔、中深孔由于受空間夾制性大，排距分別按照1.5～2.0 m、1.2～1.5 m均勻布置。

4.2 裝藥結(jié)構(gòu)

切割井頂層破頂段高約12 m左右，分為2個分層，采用深孔爆破一次性成井爆破技術(shù)?？變?nèi)采用?110 mm、4 000 g/卷的2#巖石乳化炸藥+全長敷設(shè)導(dǎo)爆索，掏槽孔和輔助孔采用球狀藥包不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔采用球狀藥包不耦合空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)（1+1模式），空氣間隔使用長度為0.4～0.6 m的竹筒。分層間填塞1 m左右碎巖屑間隔，均為孔底起爆。最下層藥包進(jìn)置深度為0.4～0.8 m，炮孔下部堵塞材料用水泥塞子與巖粉堵塞。掏槽和輔助孔平均單孔裝藥量為90 kg左右，周邊孔平均單孔裝藥量為50 kg左右。單孔炮孔長12 m左右，實(shí)際裝藥長度平均為9 m，線裝藥密度分別為9和5 kg/m，炸藥合計用量為1 030 kg，爆破總方量為108 m3，炸藥單耗約為9.5 kg/m3。如圖2所示。

VCR法采用孔間微差爆破技術(shù)，由于先爆炮孔可能使后續(xù)炮孔處于高密集裂隙區(qū)域內(nèi)續(xù)爆，爆生氣體自裂隙很快逸出，使爆能利用不充分。解決的途徑是適當(dāng)加大炸藥單耗，靠增加的應(yīng)力波作用來完成破碎和拋射，從而創(chuàng)造一個良好的新自由面［4］?？紤]到分段每次爆破施工高度較大，除從井底始端的第一分段與拉底而擴(kuò)大井底自由面后的分段為7～9 m左右外，剩余各段均為5 m左右進(jìn)行一次爆破，因此所有孔裝藥采用球狀藥包不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，孔口起爆。最下層藥包進(jìn)置深度為0.4～0.8 m，炮孔下部用水泥塞子與巖粉堵塞。分段高度為5和9 m的單孔裝藥量分別為50和100 kg，炸藥合計用量分別為750和1 500 kg，爆破總方量分別為45和81 m3，炸藥單耗約為18 kg/m3。如圖2所示。

深孔拉擴(kuò)槽采用2#巖石乳化炸藥+全長敷設(shè)導(dǎo)爆索，采用球狀藥包不耦合空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)（1+1模式），使用長度為0.6 m竹筒空氣間隔。中深孔擴(kuò)槽采用粉狀膨化硝銨炸藥，密實(shí)柱狀連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，由于中深孔擴(kuò)井排布置在出礦橫巷側(cè)，為降低對出礦橫巷頂板震動，防止破壞眉線，確保裝運(yùn)礦作業(yè)的安全，每排爆破孔數(shù)和每孔裝藥量的長度要嚴(yán)格按照設(shè)計參數(shù)控制，使擴(kuò)槽爆破后形成的底部塹溝的溝幫坡面角與其毗鄰的受礦巷底部塹溝的溝幫坡面角相一致。

4.3 填塞長度

合理控制藥包埋深和填塞高度，基本可以杜絕沖孔反渣現(xiàn)象［7］。切割井炮孔上、下端部堵塞長度最優(yōu)值與礦巖地質(zhì)特性、炮孔質(zhì)量、孔徑、各炮孔間抵抗線距、裝藥量大小、施暴分段高度等因素密切相關(guān)，因此要根據(jù)切割工程施工條件的實(shí)際，確定合理的炮孔堵塞長度。

深孔爆破一次成井技術(shù)破頂?shù)纳隙瞬颗诳卓诤侠矶氯L度和良好填塞質(zhì)量，既能使爆炸沖擊波和爆生氣體應(yīng)力波在頂部巖層中合理分布，使巖石破碎塊度均勻，不發(fā)生大塊“懸頂”與大量巖渣上沖、上反的不良現(xiàn)象，又能使破碎的巖石在重力作用之下向下掉落，從而保證破頂?shù)谋菩ЧＩ羁妆埔淮纬删夹g(shù)破頂時，槽孔、輔助孔及周邊孔的上端部炮孔口堵塞長度不盡相同，與其功能要相符。確定原則：一是槽孔孔口堵塞長度應(yīng)不小于孔底堵塞長度的3倍；二是輔助孔、周邊孔口堵塞長度為該孔最小抵抗線距的0.6～1.0倍［6-8］。根據(jù)以上確定原則，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，槽孔孔口堵塞長度一般取值為1.5～2.0 m，輔助孔、周邊孔口堵塞長度取值為1.0 m左右。依次遞減掏槽孔、輔助孔、周邊孔孔口堵塞長度，逐次擴(kuò)大槽腔，防止出現(xiàn)反渣“懸頂”卡堵現(xiàn)象。

對于切割井VCR法爆破的上、下端部孔口堵塞，若長度過短，堵塞物就會過早沖出炮孔，這樣不僅會減少爆生氣體的作用時間，從而易產(chǎn)生大塊，尤其破壞上端部預(yù)留孔的完整性，給下次裝藥的清孔帶來困難，而且還會造成大量爆炸能量的浪費(fèi)。若長度過長，單孔裝藥量減少，因此爆破能量降低，不能順利形成槽腔，下端部還易造成鄰孔帶炮，同時上端部還易造成堵塞物壓縮，不能順利拋出孔外而形成“再生巖”滯留在孔內(nèi)，造成預(yù)留炮孔不暢通，給下次爆破裝藥帶來困難。

上端部孔口填塞長度（Ls）按照式（4）確定：

計算得出Ls=2.5～3.5 m，并根據(jù)礦巖地質(zhì)特性、炮孔質(zhì)量、孔徑、各炮孔間抵抗線距、裝藥量大小、施爆分段高度等因素及時調(diào)整。

深孔爆破一次成井技術(shù)和VCR法的掏槽孔、輔助孔與周邊孔孔底堵塞長度，分別按照各炮孔抵抗線距來確定。一般取值在0.4～0.8 m較為合理。

4.4 起爆順序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

深孔爆破一次成井技術(shù)破頂層，分上下2個分層，上分層段高稍大于下分層段高，下分層先起爆為上分層騰出補(bǔ)償空間，分層間填塞1 m左右?guī)r粉間隔，每孔底毫秒非電導(dǎo)爆管引爆+孔內(nèi)分段導(dǎo)爆索傳爆，上下分層段間延時≧150 ms，下分層孔間延時為50～90 ms，上分層孔間延時為60～80 ms，每分層只爆破掏槽孔與輔助孔，采用4個段別微差爆破技術(shù)。另外，為了降低生產(chǎn)成本，根據(jù)現(xiàn)場切割井槽腔形成的情況，盡量使切割井周邊孔與拉擴(kuò)槽孔一起爆破崩落。

VCR法各孔起爆順序根據(jù)各炮孔偏斜在井底端部的實(shí)際孔位，以端部自由面的初始補(bǔ)償空間來確定，由于各炮孔抵抗線距大小不規(guī)則，應(yīng)因地制宜，常以類似“螺旋狀”由近及遠(yuǎn)順序起爆。以每孔口毫秒非電導(dǎo)爆管引爆+孔內(nèi)導(dǎo)爆索傳爆，采用多個段別微差爆破技術(shù)網(wǎng)絡(luò)。

中孔擴(kuò)井排炮孔采用孔底反向起爆，每個孔底起爆藥包采用0.5 m左右長度的導(dǎo)爆索+毫秒非電導(dǎo)爆管聯(lián)接引爆，段間延時25～250 ms，一次性爆破多排炮孔。以上爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計均采用孔外毫秒非電導(dǎo)爆管簇聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，專用起爆器起爆。

5 爆破試驗(yàn)效果

13#礦房切割工程通過安全高效的施工，使切割槽底部的出礦橫巷頂板圍巖穩(wěn)固性好、眉線未受破壞，確保了鏟運(yùn)礦作業(yè)安全，減少了殘留礦的損失量。

通過統(tǒng)計分析13#礦房切割井施工費(fèi)用，從炮孔鑿巖施工至爆破結(jié)束，總施工費(fèi)用約為10.9萬元。與K25、K19等礦房切割井施工費(fèi)用相比較，其中人工裝藥費(fèi)用與爆破器材費(fèi)用分別降低約40%與10%，而且提高了爆破功效，進(jìn)一步降低了勞動強(qiáng)度、縮短了工期。如果與反井鉆機(jī)施工相比較，反井鉆機(jī)施工?3 m或?2 m成井，總費(fèi)用分別約33萬元和20萬元，降低成本分別為70%與45%，而且鑿巖設(shè)備利用率高，作業(yè)人員還不存在停窩工現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

6 結(jié) 語

（1）切割槽施工區(qū)域選位，應(yīng)在同等礦巖地質(zhì)條件下，布置靠近礦房中部上盤側(cè)，這有利于回采裝運(yùn)礦的安全。鑿巖前要清理平整作業(yè)面，使鉆機(jī)能夠橫平豎直站立在堅硬的原巖上，保證鉆機(jī)水平和鉆桿垂直，力求炮孔偏斜率控制在設(shè)計范圍內(nèi)。

（2）在鉆孔時，要留有詳細(xì)的鉆孔巖性記錄，詳細(xì)記錄某段高部位出現(xiàn)斷層、溶洞等地質(zhì)特性資料，便于裝藥時采取爆破技術(shù)措施，順利“渡過”地質(zhì)條件差的部位。

（3）由于大部分炮孔偏斜率較大，尤其在第1～2分段爆破裝藥時，需要依據(jù)孔底部各炮孔偏斜的實(shí)際孔位現(xiàn)場重新設(shè)計、布置各孔裝藥結(jié)構(gòu)和起爆順序，在切割井底端部進(jìn)行偏斜測定做標(biāo)記、“掛孔”封堵時，需要1人監(jiān)護(hù)1人作業(yè)，加強(qiáng)切割井底端部頂板的安全管理。

（4）一次爆破技術(shù)破頂時出現(xiàn)“懸頂”卡堵現(xiàn)象，利用就近的擴(kuò)槽孔耦合連續(xù)裝藥爆破，使“懸頂”卡堵段擠壓破壞。

（5）VCR法切割井與拉擴(kuò)槽在高階段礦房采場施工中，具有安全高效、節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。