深孔分段爆破成井技術(shù)在謙比西銅礦東南礦體的應(yīng)用

易洪武

(中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞 435100)

0 引 言

天井掘進(jìn)是礦山采切施工過程中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其工程量約占整個礦井年總掘進(jìn)量的四分之一。由于掘進(jìn)工程量大，如何做到安全而經(jīng)濟(jì)地加快掘進(jìn)施工進(jìn)度，對保證礦山實現(xiàn)均衡生產(chǎn)有重要意義[1]。目前，豎井(天井、切割井)掘進(jìn)方法主要有四種：普通法、爬罐法、機(jī)械鉆井法和深孔爆破成井法。普通法、爬罐法掘進(jìn)都需要作業(yè)人員進(jìn)入井內(nèi)作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，安全性差，勞動強(qiáng)度大，施工效率低[2]。機(jī)械鉆井法優(yōu)點是作業(yè)環(huán)境安全，作業(yè)人員無需進(jìn)入井內(nèi)施工，缺點是施工機(jī)器大、移動困難、準(zhǔn)備周期長、設(shè)備造價高，尤其是鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能還存在諸多問題，因此難以廣泛應(yīng)用。深孔爆破成井法具有安全高效、施工進(jìn)度快、成本低等優(yōu)點，一直是井巷掘進(jìn)的研究熱點，許多學(xué)者對此展開研究，并取得豐碩成果，值得工程技術(shù)人員借鑒。徐敏[3]研究了影響深孔爆破一次成井的多項參數(shù)，并給出了理論計算方法；李啟月等[4]對一次成井方案提出多孔球狀藥包爆破和直孔掏槽爆破兩種模式，分別研究其存在的難題，并提出相應(yīng)的解決措施；曹斌等[5]針對豐山銅礦天井掘進(jìn)過程提出深孔爆破一次成井技術(shù)，并采用多空孔掏槽的方式，在現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；胡洪文等[6]從掏槽方式、補(bǔ)償空間系數(shù)、延期時間等方面對沙溪銅礦采場切割井掘進(jìn)工程的爆破設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，并結(jié)合現(xiàn)場實驗達(dá)到了預(yù)期效果；金開玥[7]對深孔爆破方案的裝藥結(jié)構(gòu)、掏槽方式、爆破參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)研究，成功完成了切割天井的掘進(jìn)工作，經(jīng)濟(jì)效益提升顯著。

本文基于深孔直孔掏槽爆破破巖機(jī)理，以謙比西銅礦東南礦體井下深孔采場切割井掘進(jìn)為依托，結(jié)合現(xiàn)場施工情況設(shè)計豎直深孔爆破成井方案，經(jīng)過現(xiàn)場多次數(shù)據(jù)整理分析，選擇合理的爆破延時參數(shù)、炮孔布孔參數(shù)，采用高精度雷管實現(xiàn)直孔掏槽爆破成井，最終成功爆破形成了斷面為3 m×3 m、高度15 m的切割井。

1 工程概況

謙比西銅礦由主礦區(qū)、西礦區(qū)和東南礦區(qū)3部分組成，礦床賦存于泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖中，受地層控制明顯。東南礦區(qū)礦體呈層狀、似層狀，與圍巖整合接觸，傾角5°～15°，礦體均產(chǎn)于同一含礦層位中。東南礦區(qū)典型礦石銅礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、斑銅礦等及少量原生的硫銅鈷礦、硫鈷礦、含銅黃鐵礦。東南礦區(qū)礦體和頂?shù)装寰鶠閳杂矌r組，巖石質(zhì)量較好。井巷圍巖巖體質(zhì)量中等，圍巖穩(wěn)定性好。礦區(qū)上部地層褶皺構(gòu)造帶工程地質(zhì)條件為復(fù)雜型，礦體上部巖層為強(qiáng)富水含水層，區(qū)域褶皺構(gòu)造強(qiáng)烈。下部礦體及頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)條件為簡單型，綜合為中等復(fù)雜類型。

2 深孔爆破破巖機(jī)理

了解深孔爆破破巖機(jī)理對于研究深孔一次成井技術(shù)有重要的意義，空孔能為破巖創(chuàng)造自由面，是決定成井質(zhì)量好壞的重要因素。深孔掏槽爆破時，空孔能夠引起掏槽孔周圍應(yīng)力集中，為槽腔的形成提供自由面。當(dāng)炸藥孔起爆以后，裝藥孔與空孔之間的巖石首先被破碎，并向空孔方向移動?？湛讓?yīng)力波的傳播具有導(dǎo)向作用，裝藥孔與空孔的連線區(qū)域會發(fā)生較多的裂紋擴(kuò)展，從而形成層裂[8]。隨著層裂不斷發(fā)生，漏斗范圍內(nèi)的巖石逐漸被完全拉裂。

3 爆破試驗方案設(shè)計

試驗采場選擇在謙比西銅礦東南礦體北采區(qū)-960 m水平1#盤區(qū)、2#盤區(qū)和5#盤區(qū)，該水平深孔采場多采用預(yù)切頂下向平行深孔落礦，單個深孔采場寬度為9 m，上分層切頂層全斷面施工，下分層施工底部出礦巷和底部槽區(qū)。

深孔爆破成井對深孔施工質(zhì)量和精度要求非常高，而深孔施工的偏斜是普遍存在的。為了進(jìn)一步提高深孔施工質(zhì)量和施工精度，深孔施工過程中使用導(dǎo)向鉆桿和雙穩(wěn)桿器。爆破前使用KXP-4QZT全姿態(tài)數(shù)字羅盤測斜儀對炮孔進(jìn)行測斜，從而可以獲得更加真實的鉆孔數(shù)據(jù)，根據(jù)真實的測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行裝藥設(shè)計和爆破網(wǎng)路設(shè)計。

3.1 孔網(wǎng)參數(shù)選擇

3.1.1 掏槽孔孔徑選擇

深孔施工設(shè)備為Raptor55XP，該設(shè)備可施工76 mm孔徑鉆孔、89 mm孔徑鉆孔，通過擴(kuò)孔可實現(xiàn)127 mm孔徑鉆孔和152 mm孔徑鉆孔。研究表明，鑿巖時的成孔速度隨孔徑加大而下降，炮孔偏斜隨孔徑加大而增大。結(jié)合以上兩點，并考慮爆破經(jīng)濟(jì)性，掏槽孔孔徑選擇76 mm。

3.1.2 掏槽方式與空孔孔徑選擇

切割井?dāng)嗝鏋? m2，斷面較小，高度為7～18 m。考慮到直孔掏槽具有爆破振動小、成井高度高、小斷面成井?dāng)嗝尜|(zhì)量好等優(yōu)點，以及公司設(shè)備現(xiàn)狀，因此選擇直孔掏槽方式。

空孔直徑的選擇對爆破效果有至關(guān)重要的影響。當(dāng)空孔直徑較小時，作用到空孔表面的應(yīng)力波向四面八方發(fā)散，導(dǎo)致巖石內(nèi)部應(yīng)力集中程度弱，不利于形成空孔與槽孔之間的破碎漏斗；當(dāng)空孔直徑較槽孔直徑大時，自由面作用大，巖石內(nèi)部應(yīng)力集中使空孔與槽孔之間的巖石破碎并形成破碎漏斗。因此，為保證爆破效果，選取的空孔直徑要大于掏槽孔直徑。例如，徐樓鐵礦在切割井爆破中進(jìn)行了諸多研究，掏槽孔直徑選擇為76 mm，并布置了3個直徑為100 mm的空孔，取得了良好的爆破效果[9]。根據(jù)謙比西銅礦東南礦體的實際情況，空孔直徑可由式(1)計算得到[6]。

D/d≥(1+sinα/2)/(1-sinα/2)=1.7

(1)

式中：α為爆破破碎角，一般最小值取30°；D為空孔直徑；d為槽孔直徑，取76 mm。

由式(1)得出D≥129.2 mm，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和目前東南礦體設(shè)備參數(shù)，取D=152 mm。

3.1.3 炮孔布置方式和參數(shù)確定

基于單空孔補(bǔ)償空間理論，中心主掏槽孔與空孔的孔間距a應(yīng)滿足式(2)。

(2)

式中，K為巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)東南礦體巖石物理力學(xué)性質(zhì)，取1.65。通過計算得到a≤252 mm。

根據(jù)破碎范圍理論，中心主掏槽孔與空孔的孔間距a應(yīng)滿足式(3)。

a=(2～4)d+D/2

(3)

計算得a=228～380 mm，由前期爆破擊穿試驗得知，在a=500 mm時，爆破能夠擊穿，因此，a=228～500 mm。

在前期鑿巖試驗中，鉆孔時不可避免存在偏斜，偏斜率最小為2.5%，切割井最高為15 m，底部偏斜約375 mm，考慮到偏斜，中心主掏槽孔與空孔的孔間距400 mm這一取值不符合單空孔補(bǔ)償空間理論，為了彌補(bǔ)單空孔補(bǔ)償空間不足，選擇6個空孔和1個中心掏槽孔的布孔方式。通過核算，孔間距a=400 mm，6個空孔和1個中心掏槽孔的布孔方式滿足補(bǔ)償空間理論[10]。綜合考慮，中心主掏槽孔與空孔孔間距a取400 mm。

中心掏槽孔爆后，與6個空孔形成切割槽腔，總體呈六瓣蓮花形，槽腔空間較小，為了增大槽腔，增加8個輔助掏槽孔，其中C2～C7為主輔助孔，C8和C9為加強(qiáng)輔助孔，目的是為周邊孔創(chuàng)造良好的自由面。切割井平面投影為3 m×3 m的正方形，由于是切割井，周邊孔不采用光面爆破設(shè)計，具體炮孔布置如圖1所示。

圖1 炮孔布置圖Fig.1 Layout of blast hole

3.2 補(bǔ)償系數(shù)

各孔補(bǔ)償系數(shù)見表1。由表1可知，中心主掏槽孔的補(bǔ)償系數(shù)大于巖石碎脹系數(shù)，進(jìn)一步驗證了布孔參數(shù)的合理性。 中心主掏槽孔與空孔孔間距a取400 mm，6個空孔與中心主掏槽孔呈六瓣蓮花形。

表1 各孔補(bǔ)償系數(shù)Table 1 Compensation coefficient of each hole

3.3 爆破成井分段高度的確定

爆破分段高度的合理選取對成井效果有至關(guān)重要的影響。巖石的碎脹性系數(shù)，以及巖石的堅固程度和爆破條件是影響分段高度的重要因素[11]。

為了確定合理的分段高度，分別在960 m水平1#盤區(qū)8#采場、13#采場，以及960 m水平2#盤區(qū)3#采場、7#采場、11#采場進(jìn)行5次一次爆破成井試驗。 試驗表明一次爆破成井合理的高度為7～9 m。為了保證15 m的切割天井成井效果，將15 m高度分為兩段爆破，考慮到孔底偏斜較大，底部第一分段高度取保守值6.5 m，第二段分段高度取8.5 m。

4 現(xiàn)場施工

為了最終成功爆破形成斷面3 m×3 m、高度15 m的切割井，結(jié)合1#盤區(qū)和2#盤區(qū)的實驗結(jié)果，確定了底部第一分段高度6.5 m、第二段分段高度8.5 m的深孔分段爆破方案。

4.1 炮孔施工

炮孔施工質(zhì)量是直接影響深孔爆破效果的主要因素。為了保證炮孔施工質(zhì)量，從技術(shù)上采取如下措施：由于下向孔施工需要更高的壓力，更容易導(dǎo)致炮孔偏斜，因此不從上分層切頂層施工下向孔，采用從下分層鑿巖巷施工上向孔的方案；炮孔施工過程中，鉆頭在不同硬度的巖層中破巖，鉆頭前進(jìn)方向會朝軟巖層法線方向，這也是導(dǎo)致炮孔偏斜的重要因素，為了減小炮孔偏斜，鑿巖中使用糾偏，很大程度上減小了炮孔偏斜；為了鑿巖過程中避免炮孔與炮孔間貫通，先施工76 mm炮孔，最后進(jìn)行擴(kuò)孔。

4.2 起爆方法和起爆網(wǎng)路

爆破器材主要有起爆彈、堵孔器、導(dǎo)爆索、AEL導(dǎo)爆管雷管、乳化炸藥等。采用AEL導(dǎo)爆管雷管，中心主掏槽孔采用雙雷管起爆，自下而上分兩層兩次爆破，底部第一分段高度為6.5 m，第二段分段高度為8.5 m，下分層爆破出渣后再進(jìn)行上分層爆破。各孔雷管延期時間如圖2所示。

圖2 雷管延期時間圖Fig.2 Detonator delay time diagram

4.3 爆破效果

采用深孔分段爆破成井技術(shù)，最終成功爆破形成了斷面為3 m×3 m、高度15 m的切割井。實際施工爆破達(dá)到了預(yù)期效果，成井質(zhì)量較好，能夠滿足礦山的開采要求。爆破成井情況如圖3所示。

圖3 爆破成井照片F(xiàn)ig.3 Photo of blasting raising

4.4 安全措施

嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程的要求，將炸藥和爆破器材領(lǐng)取、運輸?shù)阶鳂I(yè)場所；施工地點要保證通風(fēng)順暢；起爆時必須確認(rèn)作業(yè)點人員全部撤離；爆破后必須保證充分通風(fēng)，待炮煙吹散，確認(rèn)安全后方可進(jìn)入作業(yè)。

5 結(jié) 論

1) 針對謙比西銅礦東南礦體采場15 m深井制定底部第一分段6.5 m與第二段分段8.5 m的深孔兩段分次爆破方案，較好地解決了切割井掘進(jìn)效率低下的問題，安全條件好，施工進(jìn)度快，勞動強(qiáng)度低，成井質(zhì)量好，可為類似的切割井爆破工程提供借鑒。

2) 采取1個中心掏槽孔、6個空孔、8個輔助掏槽孔與若干周邊孔的直孔掏槽方式，掏槽孔孔徑取76 mm、空孔直徑取152 mm，中心主掏槽孔與空孔孔間距取400 mm，較好地滿足了爆破補(bǔ)償空間。

3) 在打孔過程中使用導(dǎo)向鉆桿和雙穩(wěn)桿器，能夠很大程度減小炮孔的偏斜；嘗試加大空孔孔徑或數(shù)量，可提高分段高度和加快施工速度。