軟破礦巖條件下無底柱分段崩落法拉槽方案研究及實踐

李彥龍，譚寶會，王永定，龔 臻，馬國虎，鐘立鵬

（1.金川集團股份有限公司二礦區(qū)，甘肅 金昌 737100；2.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010；3.金川集團股份有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100）

無底柱分段崩落法因具有安全性好、效率高、產能大、機械化程度高以及應用靈活等一系列優(yōu)點而被廣泛應用于地下金屬礦山［1-2］。通常來說，無底柱分段崩落法主要適用于開采地表允許塌陷、礦巖穩(wěn)固的急傾斜厚大礦體，但近年來隨著無底柱分段崩落法開采理論和開采工藝的逐步完善，再加之配套采礦設備的快速發(fā)展，使得無底柱分段崩落法的應用范圍得到進一步擴展，不少礦巖破碎的礦山也開始采用無底柱分段崩落法進行開采［3-5］。當無底柱分段崩落法應用于軟破礦巖條件時將在切割槽形成方面面臨嚴峻挑戰(zhàn)，按設計形成質量達標的切割立槽是確保無底柱分段崩落法礦石能夠正?；夭傻闹匾疤幔羟懈畈畚催_到設計要求，將在正常采礦過程中頻繁引發(fā)懸頂、推墻等生產事故，從而造成較高的礦石損失率。

傳統(tǒng)的切割槽形成方案為先在切割平巷中形成切割天井，再以切割天井為爆破補償空間形成切割立槽，但由于在軟破礦巖條件下形成切割天井難度較大、安全性差，因此近年來無井拉槽方法成為了在軟破礦巖條件下實現(xiàn)安全快速拉槽的重點研究方向。

為了便于礦山企業(yè)能夠快速確定適合自身生產條件的拉槽方案，本文首先分析了傳統(tǒng)“先形成切割天井、再形成切割立槽”的拉槽方案在軟破礦巖條件下的不適應性，進而歸納總結了當前常用于軟破礦巖條件的幾種無井拉槽方案以及這些方案的優(yōu)缺點和適用條件，最后，以龍首礦西二采區(qū)軟破礦巖條件下應用無底柱分段崩落法為工程背景，采用了一種“切割平巷＋楔形炮排掏槽＋直立平行炮排擴槽”的無井快速拉槽方案，并在實際應用過程中對該方案作出優(yōu)化和改進，以滿足不同的拉槽高度需求。本文研究成果有助于提升軟破礦巖條件下的拉槽效率和安全性，可為類似礦山在切割槽形成環(huán)節(jié)提供借鑒和參考。

1 傳統(tǒng)拉槽方案的不適應性分析

對于礦巖比較穩(wěn)固的無底柱分段崩落法礦山，通常采用“切割平巷＋切割天井”或“切割天井＋扇形炮孔”的方式來形成切割槽，如圖1所示。所謂“切割平巷＋切割天井”拉槽方法，即先在進路端部施工切割平巷，繼而在切割平巷中向上施工切割天井，再在切割平巷中施工與切割天井平行的上向炮排，最后以切割天井為爆破補償空間形成切割立槽，在該方案中可將幾條進路的切割平巷平直地連通在一起，這時只需施工一條切割天井便可完成這幾條進路的拉槽工作，該方案見圖1（a）所示；而“切割天井＋扇形炮孔”的拉槽方案，是先在進路端部形成一條切割天井，再在切割天井兩側布置扇形炮孔，為了保證后續(xù)炮排具有足夠的爆破自由面，拉槽扇形炮孔的崩落范圍不應小于正排炮孔的崩礦范圍，拉槽時扇形炮孔以切割天井為爆破補償空間形成切割槽，使用該方案時需要在每條進路端部均形成一條切割井，該方案見圖1（b）所示。

可以看出，在上述拉槽方案中切割天井的形成最為重要和關鍵，只要能夠形成質量合格的切割天井，一般都可按預期形成切割立槽。通常來說，切割天井的形成方法主要有普通法、吊罐法、爬罐法、深孔一次爆破成井法、天井鉆機成井法等等。當這些方法應用于礦巖穩(wěn)固條件下時通常可取得較好的成效，然而在軟破礦巖條件下使用這些方法形成切割天井時便會出現(xiàn)諸多不適應性。例如采用普通法形成天井時，需要搭設作業(yè)平臺，依靠人工從下至上掘進天井，當?shù)V巖穩(wěn)固性較差時，天井在掘進過程中極易垮塌或冒落，作業(yè)安全性極差；而吊罐法和爬罐法形成天井時，均需要安裝復雜的施工設備，同樣的采用從下至上的掘進順序，作業(yè)安全性也無法保障；而采用深孔一次爆破成井法時由于礦巖破碎成孔難度大加之爆破補償空間比較有限，爆破效果無法得到保障，一旦未能按預期形成切割天井，后期補救難度大；天井鉆機成井法的安全性和可靠性相對較高，但初期投資費用高，而且設備一旦需要維修，就會影響到正常的采礦生產。由此可知，當這些形成切割天井的方法應用于軟破礦巖條件時或多或少地表現(xiàn)出了一些不適應性，因此還需要結合破碎礦巖的特點制定更具針對性的拉槽方案。

2 軟破礦巖無井拉槽方案

經過多年的研究和嘗試，礦山領域的研究者和技術人員們相繼提出了誘導冒落拉槽方案、楔形深孔拉槽方案、平行扇形深孔拉槽方案、扇形孔逐排抬高拉槽方案、龜裂掏槽方案等等，這些無井成槽方法在軟破礦巖條件下取得了較好的拉槽成效。

2.1 誘導冒落拉槽方案

誘導冒落拉槽方案［6］的主要原理是通過擴大拉底面積誘導軟破礦巖自然冒落而形成切割槽，通過在切割平巷的邊幫上施工水平楔形擴幫炮排來擴大切割巷的頂板暴露面積（見圖2（a）所示），水平楔形炮孔以切割平巷為自由面進行擴幫爆破，擴幫爆破后及時進行出渣，以便頂板能夠順利冒落形成切割槽（見圖2（b）所示）。

圖2 某破碎礦巖金礦誘導冒落成槽法示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutting groove by induced caving for a broken rock gold mine

2.2 楔形深孔拉槽方案

在使用楔形深孔拉槽方案［7］時，首先需要將2～3條進路的切割平巷平直地連通在一起，再在切割平巷中布置楔形對稱炮排，楔形炮排的角度依次抬高，直至達到切割槽的高度，從而完成楔形掏槽爆破，繼而再采用陡立炮排進行擴槽，見圖3所示。楔形炮排爆破時以切割平巷作為補償空間，按炮排傾角由緩至陡逐排采用分段微差爆破，為確保拉槽成功，通常在楔形掏槽炮孔爆破后先放出部分崩落的礦巖，騰出一定的爆破補償空間后，再對后續(xù)直立平行擴槽炮孔進行爆破。該方法在小官莊鐵礦、金山店鐵礦等軟破礦巖礦山應用后取得了較好成效。

圖3 楔形深孔拉槽方案示意圖Fig.3 Cutting groove schematic by wedge deep hole

2.3 平行扇形孔拉槽方案

在使用平行扇形孔拉槽方案［8］時，先在回采進路末端施工小排距（排距一般為1.2～1.4 m）的上向平行扇形孔，扇形炮排每一排包含8～9個炮孔，拉槽炮孔施工結束后，再掘進切割平巷使各進路切割平巷貫通。爆破拉槽時以切割平巷為自由面，從扇形炮排的兩側邊孔開始逐炮孔依次分段微差抬高爆破形成切割槽，見圖4所示。金山店鐵礦等礦山采用該方法成功形成切割槽。

圖4 平行扇形孔拉槽方案示意圖Fig.4 Cutting groove scheme of parallel fan-shaped hole

2.4 扇形孔逐排抬高拉槽方案

采用扇形孔逐排抬高拉槽方案［9］時，先在進路端部向礦體上盤方向施工多排具有一定仰角的扇形炮排，這些炮排逐排依次抬高，直到達到切割槽高度，以便拉槽爆破具有更好的爆破補償空間，爆破時炮排從低至高微差爆破逐排抬高形成切割立槽，見圖5所示。該方案也可以與切割平巷配套使用，利用該方案形成切割槽后再在切割平巷中進行擴槽，從而為多條進路形成切割槽。該方法在魯中冶金礦業(yè)集團公司各礦山以及凡口鉛鋅礦等礦山成功應用。

圖5 扇形孔逐排抬高拉槽方案Fig.5 Cutting groove scheme of fan-shaped holes blasted row by row

2.5 龜裂掏槽法

龜裂掏槽法［10］也稱之為縫隙掏槽法，使用該方法進行拉槽時不需要切割天井和切割平巷，直接在進路端部施工5～7排平行扇形炮孔，排距保持在0.5～0.8 m，扇形排面內中間部位的3～5個孔為垂直平行炮孔，拉槽時選取中間炮排為龜裂掏槽炮排。在掏槽孔周邊布置與其平行的空孔作為爆破補償空間，爆破時通過分段微差爆破先起爆掏槽炮排形成空腔，再以該空腔為自由面依次起爆周邊的炮排進行擴槽，從而形成切割槽，見圖6所示。該方法在東同礦業(yè)公司井下5號礦體破碎礦巖條件下中取得了較好的拉槽成效。

圖6 龜裂掏槽法示意圖Fig.6 Cutting groove schematic of crazing blasting

表1對以上幾種無井拉槽方案的優(yōu)缺點及適用條件進行了歸納總結。通過總結分析可知，無井拉槽方案是一種可以在軟破礦巖條件下便捷地形成切割槽的方法，但這幾種無井成槽方案各有優(yōu)缺點和適用條件，各礦山在實際應用時應結合礦巖條件、礦體形態(tài)、技術水平、設備能力以及組織管理能力等因素綜合考慮確定采用何種拉槽方案。

表1 常用幾種無井拉槽方案歸納總結表Table 1 Summary of several common non-raise cutting groove schemes

3 工程實例

3.1 工程背景

金川集團龍首礦是我國主要的鎳礦石生產基地之一，西二采區(qū)是龍首礦的主力采區(qū)，西二采區(qū)地表100 m以下見礦，礦體傾角60°～80°，厚度28～200 m，沿走向長300 m，礦巖均較為破碎，堅固性系數(shù)f為0.8～7。西二采區(qū)的礦石品位較低，僅為金川礦區(qū)富礦品位的三分之一左右，但由于鎳礦價值較高，為了控制礦石損失和貧化，礦山采用下向分層膠結充填法進行開采，布置有上下兩個中段同時回采，設計年產礦石165萬t。但在2016年左右，鎳價大幅下跌，采用生產成本較高的膠結充填法回采低品位礦石，使得西二采區(qū)的采礦生產瀕臨虧損，為了扭轉不利形勢，礦山決定將上部中段改為采礦成本較低的無底柱分段崩落法。經研究崩落法采場共可布置四個回采分段，分別位于1 595、1 580、1 565和1 546 m水平，西二采區(qū)無底柱分段崩落法采礦方案見圖7所示。經過一系列前期準備，西二采區(qū)上部中段無底柱分段崩落法采場于2018年5月正式投入生產。

圖7 西二采區(qū)無底柱分段崩落法采礦示意圖Fig.7 Schematic diagram of sublevel caving mining method in West Second Mining Area

3.2 無井拉槽方案的確定

無底柱分段崩落法采場在進行正常采礦之前，必須先在進路上盤端部形成質量合格的切割立槽。由于西二采區(qū)礦巖松軟破碎，不適合采用需要施工切割天井的拉槽方法。在參考類似礦山（如金山店鐵礦、梅山鐵礦、小官莊鐵礦等）應用楔形拉槽方案的實踐經驗基礎上，結合西二采區(qū)實際情況，研究提出了一種“切割平巷＋楔形炮排掏槽＋直立平行炮排擴槽”的無井快速成槽方案［11］。在該方案中首先需要將2～3條進路的切割平巷平直地貫通在一起，再在切割平巷頂板施工楔形炮排以及直立平行炮排。楔形炮排的作用是用于掏槽爆破，楔形掏槽爆破以切割平巷為自由面按分段微差逐爆破排抬高，直到達到切割槽設計高度，為了確保后續(xù)直立平行炮孔擴槽具有較好的爆破補償空間，在楔形掏槽爆破后需要放出崩落礦巖總量的30%～40%，同時對楔形掏槽效果進行評估，認為達到預期目標后，再采用直立平行炮排進行擴槽爆破。

由于楔形掏槽炮排的施工精度要求較高，炮孔也更不易維護，為了減少采場中楔形掏槽爆破的次數(shù)，可以將首次拉槽選擇在整個分段中礦體最為厚大的部位（即進路最長部位），這樣當最長的進路采用該方案完成拉槽后，退采至周邊相鄰進路切割平巷位置時，只需在周邊進路的切割平巷中布置好直立平行炮排，以最長進路已回采的區(qū)域作為爆破補償空間進行側向爆破即可形成切割槽，從而大幅度提高了整個分段的拉槽效率并降低了拉槽難度。

3.3 現(xiàn)場應用

3.3.1 1 595 m分段應用效果

西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場1 595 m首采分段于2018年5月28日進行首次拉槽爆破，采用的是“切割平巷＋楔形炮排掏槽＋直立平行炮排擴槽”的無井快速拉槽方案，拉槽地點選擇在了礦體較為厚大的4＃～6＃進路位置，圖8為本次拉槽方案設計示意圖，其中共包含14排楔形掏槽炮孔（1～7及1～7'排）、20排直立平行擴槽炮排（8～22及8～12'排），每一排包含4個炮孔，設計拉槽高度13 m（從切割平巷頂板算起），為了確保楔形掏槽爆破具有最夠的爆破補償空間，適當加大了切割平巷尺寸，其寬度為4.6 m，高度為5 m。拉槽爆破分兩步進行，第一步先對14排楔形掏槽炮孔進行分段微差爆破，爆破后進行松動出礦并對掏槽效果進行評估；第二步是當楔形掏槽爆破達到設計標準后，再對直立平行炮排進行分次擴槽爆破，為了保證擴槽爆破效果，每次崩3～5排炮孔直立平行炮孔，每次爆破后均線進行松動出礦，再繼續(xù)進行擴槽爆破，直至拉槽完成。

圖8 1 595 m分段無井成槽方案施工設計圖Fig.8 The non-raise cutting groove scheme in 1 595 m sublevel

本次拉槽爆破采用巖石膨化粉狀硝胺炸藥，孔口1.5 m范圍內不裝藥，為提高爆破可靠性，沿孔全長鋪設導爆索并利用導爆索將各炮孔串聯(lián)在一起，采用導爆管雷管＋卷裝乳化炸藥制成起爆藥包在孔口位置進行起爆，圖9給出了本次楔形掏槽所采用的爆破連線方式。

圖9 楔形掏槽爆破連線方式Fig.9 Connection mode of wedge cutting groove blasting

楔形掏槽爆破后，經現(xiàn)場測量本次掏槽爆破形成了寬度為4.6 m、高度約為13 m（從切割巷頂板算起）、長度為15 m的掏槽空間，符合設計要求。在判斷掏槽爆破達到設計標準后，繼而分4次對直立平行炮排進行了擴槽爆破，在整個拉槽過程中陸續(xù)放出拉槽總崩落量的51%，最終在4＃～6＃進路位置按設計形成了質量達標的切割立槽。本次拉槽共施工中深孔136個，消耗炸藥6 258 kg，歷時11天分5次爆破（1次楔形掏槽爆破＋4次擴槽爆破）形成切割槽，拉槽過程中隨時對周邊炮孔及進路進行觀測，未發(fā)現(xiàn)這些工程因拉槽爆破而受到嚴重損害，拉槽崩落的礦石爆堆較為集中，四周基本看不到散落的飛石，崩落的礦石塊度主要集中在0.3～0.6 m，基本沒有超過0.6 m的大塊。此外，經爆破振動監(jiān)測，本次拉槽爆破在崩落法采場測點（爆心距125 m）所產生的最大振動速度為1.50 cm／s，在下部1 486 m水平充填采場測點（爆心距370 m）產生的最大振動速度為0.35 cm／s，均沒有超過《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）中規(guī)定的爆破振動速度安全允許值。生產實踐證明，該方案具有工藝簡單、安全可靠、拉槽效率高等一系列優(yōu)點。

在1 595 m分段隨后回采過程中，當4?！?＃進路退采至周邊其他較短進路的切割平巷位置時，以4＃～6＃進路的回采區(qū)域作為爆破補償空間，在這些進路的切割平巷中利用直立平行炮排進行側向爆破形成了切割槽。總體來說，本文所提的拉槽方案在1 595 m分段取得了較好的應用成效。

3.3.2 1 565 m分段應用效果

2022年3月份西二采區(qū)1 565 m分段投入生產，同樣的采用“切割平巷＋楔形炮排掏槽＋直立平行炮排擴槽”的無井拉槽方案形成切割槽，首次拉槽部位選擇在整個分段礦體最為厚大的7?！?＃進路位置，設計拉槽高度為17.5 m（從切割平巷頂板算起）、寬度為4.6 m、長度為30 m，其中楔形拉槽長度15 m，拉槽方案見圖10所示。為了確保拉槽成功，將本次拉槽爆破分3步進行，第一步先進行楔形掏槽炮排（即1～6及1～7'排）爆破，第二步對7＃進路一側的直立平行炮排（即7～11排）進行爆破擴槽，第三步對8＃進路一側的直立平行炮排（即8～12'排）進行擴槽爆破。

圖10 1 565 m分段無井成槽方案施工設計圖Fig.10 The non-raise cutting groove scheme in 1 565 m sublevel

楔形掏槽爆破后對爆破效果進行測量發(fā)現(xiàn)，本次楔形掏槽的高度僅有13～15 m（從切割平巷頂板算起），并未達到設計要求的17.5 m。由此可知，盡管本次楔形掏槽采用了和1 595 m分段楔形掏槽基本一致的爆破方案，但本次掏槽并未達到預期目標，分析認為這是由于本次楔形掏槽的高度（17.5 m）較1 595 m分段楔形掏槽高度（13 m）有了明顯增加，但掏槽空間的長度依舊保持在15 m，掏槽高度明顯大于掏槽長度，使得更多的掏槽炮排具有較為陡立的角度，增加了楔形掏槽爆破的夾制作用，因此未能達到設計掏槽高度，建議在后續(xù)分段拉槽時對該方案進行適當優(yōu)化，確保掏槽爆破效果。

3.3.3 1 546 m分段拉槽方案優(yōu)化

在1 546 m分段開采時，分段高度將增加至19 m，此時拉槽高度也會增加至24 m左右（從切割平巷頂板算起），這將會使拉槽難度進一步增加。在總結1 595、1 580以及1 565 m三個分段使用“切割平巷＋楔形炮排掏槽＋直立平行炮排擴槽”無井拉槽方案的經驗基礎上，為了在1 546 m分段拉槽高度顯著增加的情況下確保拉槽質量，對楔形掏槽方案進行了改進，具體是擴大了楔形掏槽的范圍，保證楔形掏槽的長度不小于掏槽高度，推薦至少在2條進路切割平巷范圍進行楔形掏槽，即楔形掏槽長度不小于30 m，如此可使更多的楔形掏槽炮孔有較緩的傾角，從而具有更佳的爆破自由面。同時采用分次爆破完成楔形掏槽，建議將楔形掏槽爆破分2～3次完成，如第一次爆破1～5及1'～5'排，第二次爆破6～11及6'～11'排，從而減少掏槽爆破的夾制作用，為了減少先爆炮排對后續(xù)炮排產生破壞而導致其無法裝藥，可對拉槽炮排采取預裝藥，而且每次爆破后都應進行適當?shù)乃蓜映龅V，以便為后續(xù)炮排提供更好的爆破補償空間。此外，為了確保楔形掏槽具有良好的爆破條件，將切割平巷高度增加至5 m，同時在切割平巷上預先利用淺孔爆破形成深度為2～3 m的挑頂小井，優(yōu)化后的拉槽方案見圖11所示。

圖11 建議的1 546 m分段無井拉槽方案示意圖Fig.11 The proposed non-raise cutting groove scheme in 1 546 m sublevel

4 結論

1）在軟破礦巖條件下，傳統(tǒng)的“先形成切割天井、再形成切割立槽”的拉槽方案由于難以安全高效地形成切割天井，導致此類拉槽方案不能完全適用于軟破礦巖條件，因而在軟破礦巖條件下更適合采用無井拉槽方案。

2）生產實踐證明，“切割平巷＋楔形炮排掏槽＋直立平行炮排擴槽”的無井快速拉槽方案在龍首礦西二采區(qū)取得了較好的應用成效，該方案具有施工工藝簡單、安全可靠、應用靈活以及拉槽效率高等一系列優(yōu)點。

3）在西二采區(qū)崩落法采場后續(xù)拉槽過程中，建議使楔形掏槽爆破范圍的長度（即沿切割平巷方向的長度）不小于楔形掏槽的高度，以使楔形掏槽炮孔具有更好的爆破自由面，同時還可將楔形掏槽爆破分2～3次完成并進行松動出礦，以提供更好的爆破補償空間，從而取得更好的拉槽效果。