深孔分段爆破技术在天井掘进中的应用

任 江,刘天生

(中北大学化工与环境学院, 山西太原 030051)

深孔分段爆破技术在天井掘进中的应用

任 江,刘天生

(中北大学化工与环境学院, 山西太原 030051)

明利铁矿 5#矿体开采需要爆破的自由面,因此需要对该矿体进行天井掘进来形成爆破自由面。普通天井掘进方法成本高、效率低、安全性差,为此,采用上向深孔分段爆破技术掘进该天井。介绍了上向深孔分段爆破技术掘进该天井的爆破方案和施工技术。

上向深孔;分段爆破;天井掘进

天井掘进在金属矿的开采中占有一定的比重,传统的吊罐法、爬罐法和钻井法在天井掘进中不但效率低、安全性差,而且劳动强度比较大,成本也比较高,对于小型矿山难以承受。随着新材料、新技术和新工艺的不断发展,深孔分段爆破技术在工程实践中得到不断完善,逐步成为一种先进的天井掘进方法。本文运用深孔分段爆破技术对明利铁矿所需天井进行掘进,并对掘进过程中存在的问题进行探讨[1]。

1 矿山概况

明利铁矿位于山西代县,于 2001年 8月建成。为了完成对该矿 101巷与上部 102巷之间的 5#矿体进行开采,需要在 5#矿体各巷道的最里端开一个天井,作为 5#矿体开采的自由面。该矿体中段高为20～60 m,以 20 m中段为例 (见图1),岩石结构为磁铁石英岩,其硬度为 8～12。

图1 天井所在矿体截面

2 爆破方案的设计与施工

2.1 天井掘进设计

对于天井掘进,现在使用最多的是从上往下一次钻孔,然后再从下往上分段装药分段爆破的方法。然而由于 102巷支护不好,巷道坍塌严重,工作人员在里面打孔作业很危险。为了避免人员伤亡,减少事故的发生,因此采用从下往上一次钻孔,再从下往上分段爆破的方法。

2.1.1 炮眼组的设计

炮眼组的设计采用平巷炮眼组的原则,并采用中心空孔为自由面的掏槽方式,如图2中“○”为空孔,中心空孔穿过矿体,与上采空面相通,可以起到通风与掏槽的双重作用,其余炮眼应该预留 2～2.5 m不钻通上部。

炮孔数目及排列方式主要与天井断面、炸药种类和特性以及矿岩性质有关。本次掘进天井断面为1.8 m ×1.8 m,炮眼数目为 12个,角度为 90°(见图2)。

图2 炮孔布置

2.1.2 掏槽孔与空孔的距离 a由公式 (1)确定 a。

式中:D——中心空孔直径,mm;d——槽孔直径 ,mm。

钻孔设备采用安徽铜陵产中深孔台车 T-100,空孔和掏槽孔直径都为 80 mm。所以 a约为0.2 m。

2.1.3 分段高度

在每个循环作业时都要测量孔深和堵孔,花费时间比较多,所以确定每次爆破的最大分段高度,不但可以减少分段次数,同时也可以提高爆破效率。分段高度 H可以按《水利水电施工组织设计手册》推荐的经验公式计算:

通过计算 H=1.5 m。

由张电吉等[2]对深井掘进分段爆破试验研究可知,对于孔深 40 m,孔径 110 mm,分段高度为 2 m,装药长度为 1 m,下部和上部堵孔深度都为 1 m时,爆破效果是最理想的[2]。因此,孔径 80 mm时,可以将分度高度增加到 2.5 m。综合公式的计算和试验研究,本次设计分段高度采用 2 m,装药长度 1 m,下部和上部堵孔深度也为 1 m。

2.1.4 装药工艺

由于是从炮孔的下部往上装药,与传统的上部装药不一样,因此堵孔技术也不一样。通过实验,采用以下堵孔方法:加工一个直径为 60 mm左右的木楔,在木楔中间穿一根绳,然后用一根细棍将木楔顶入孔内,控制好木楔的高度,并在往炮孔中填入炮泥的同时往下拽着绳,使木楔和炮泥能够紧密的结合在一起。这时再取出木棍,往孔里填入炮泥并压实。当炮泥达到所需高度后,再用喷射式装药器将所需炸药喷入孔中,同时装入相应的起爆雷管和导爆索,最后再用炮泥将孔堵上,其结构见图3。爆破采用 2号岩石乳化硝铵炸药,装药密度为 0.9 g/cm3。

图3 装药结构

2.1.5 起爆方法

采用非电导爆网络,正向起爆。起爆网络采用导爆管雷管和导爆索双重起爆方式,共分成 3段起爆,时差为 50 ms。其爆破分段见图2中炮孔编号。

2.2 扩天井

由于 101巷道规格为 4.8 m×4.5 m(三心拱巷道:R=3.321 m,r=1.257 m,墙高 2.9 m)。完成天井的掘进后,需要对天井进行扩展,才能形成后期爆破所需的自由面。扩天井采用深孔装药一次爆破,炮眼深度均为 17 m左右,每孔装药量为 69 kg左右,炮孔下部堵塞长度为 2～2.5 m,炮眼角度为向上垂直 90°(见图4),起爆顺序按图4中炮孔编号顺序,微差时间为 50 ms。

3 问题探讨

3.1 钻孔精度

对于中段高度为 20 m的 5#矿体东部,使用中深孔台车能够保证其钻孔精度,施工过程中,孔位偏差很小,然而当中段高度为 50～60 m时,孔位偏差就很大。出现这种情况,首先是由台车自身的钻孔误差产生的。其次就是当钻头穿过软岩向硬岩钻进时,钻头的方向不易和硬岩的层面垂直,容易沿层面钻进,从而出现偏差。所以施工人员要熟悉矿体的地质情况,施工时要实时调整钻进速度,减少偏差。

3.2 爆破后炮孔堵塞

各个分段爆破后,经常会出现炮孔被堵塞的情况。造成堵孔的原因主要是出现拒爆、上部孔内掉下石块、炮孔堵塞太高等等。为了防止堵孔,应该采取以下措施:采用双雷管或者导爆索辅助起爆,防止拒爆;准确测定矿体水平构造,适当的控制爆破分段高度,同时控制好装药高度,使所有的装药高度保持在同一水平,防止孔内掉块。出现堵孔后,需要钻机进行清孔,以保证下次顺利装药。

3.3 装药密度

装药密度是影响爆破效果好坏的一个重要因数。为了达到所需密度,采用喷射式装药器进行装药。由于粉状 2号岩石乳化硝铵炸药喷射到炮孔时,受自身重力影响不能和炮孔顶部很好粘结,从而影响了装药的质量,使装药不均匀,不能达到所需的密度。所以在装药前,在不影响炸药性能的情况下,应该往炸药中加入少许的柴油,增加炸药的粘度,使炸药和岩石能很好粘结在一起,达到所需的密度。对于扩天井的炮孔,装药量很大时,应该采取一次少装、多次装药的方法。

4 结 论

运用深孔分段爆破技术,完成了 5#矿体所需天井的掘进。通过爆破试验证明,深孔分段爆破技术不但安全性好、劳动强度低、掘进效率高,而且降低了掘进成本。其价值会随着新的爆破材料和爆破设备的运用,得到更大的体现,运用也会越来越广。

[1]刘天生,陈爱武,王凤英.近代爆破技术 [M].北京:兵器工业出版社,2007.

[2]张电吉.深井掘进一次成孔分段爆破试验研究 [J].爆破,2002,19(3):36-37.

2010-08-28)

任 江 (1985-),男,四川绵阳人,在读硕士生,主要研究方向为现代爆破技术,Email:woshirenjiang112@163.com。