多空孔单螺旋掏槽一次爆破成井技术实践

史秀志,周英烈,邱贤阳

(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

多空孔单螺旋掏槽一次爆破成井技术实践

史秀志,周英烈,邱贤阳

(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

针对某矿采场切割天井施工需要,提出多空孔螺旋掏槽一次爆破成井技术,对该爆破成井技术的炮孔参数、装药量、装药结构和起爆方式进行计算和设计,采场爆破的成功试验为类似工程提供参考。

多空孔;螺旋掏槽;一次成井;天井爆破

0 前 言

在天井掘进过程中,传统的掘进方式多为浅孔爆破施工法,费工费时,作业面通风不良,且施工安全条件差。而一次成井技术沿井的全高钻凿一组平行的深孔,然后根据井的高度一次或分若干次装药爆破,从而完成符合设计要求的掘井工艺。与传统施工法相比,具有作业条件好、工效高、速度快、安全节约材料等一系列优点[1]。

中深孔爆破一次成井按照爆破工艺可以归纳为3类:掏槽法、分段法、漏斗法。其中掏槽法一次爆破成井工艺是沿着天井全长打一组平行炮孔,以空孔为自由面,借助掏槽孔将其扩大,利用辅助孔和周边孔最终完成掘井作业。这种爆破法对掏槽孔孔距参数设计及钻孔精度求较高,所需炮孔也较多。但其装药结构、起爆顺序比较简单,可操性强,易于掌握。一次成井高度不太大时,易于实现一次成井。对于螺旋掏槽及单空孔掏槽,国内外许多人士进行了大量的探索研究,并取得了一定的研究成果。然而对于多空孔掏槽一次爆破成井,国内外学者却研究较少。本文通过矿山实践,对多空孔掏槽爆破一次成井技术进行探讨,供以后类似工程参考[2～5]。

1 工程概况

某矿一采场位于深部矿体 Sh209#与 Sh214#之间。矿体赋存于 F3断裂及其上、下盘上泥盆统天子岭组灰岩和中泥盆统东岗岭灰岩中,矿体规模和形态变化较大,厚度较大,平均水平厚度 60 m,矿石品位 12.73%。矿区矿石类型以块状黄铁铅锌矿石为主,其次为块状黄铁矿石,均为硫化矿。矿石主要金属矿物有黄铁矿、闪锌矿、方铅矿,次要矿物有菱铁矿、黄铜矿、黝铜矿、淡红银矿、辰砂。脉石矿物主要有石英、方解石、绢云母,次要有白云母、重晶石、白云石等。矿体受 F3断裂控制,抗压强度为 133.64 MPa,岩石硬度系数 f为 8～12,抗拉强度为1.26 MPa,密度为 3825 kg/m3,弹性模量为 25.63MPa,泊松比为 0.28。近矿围岩一般为中等裂隙状的较完整岩体,从中等稳固到稳固,稳固性较好,f=8～10,局部较为破碎,支护难度大。

为改善采场通风条件和为该采场大规模落矿提供初始补偿空间,本次设计在该采场预控顶巷道一次爆破形成切割天井,切割天井规格 2 m×2 m×5.4 m。

2 爆破方案的选择

从爆破天井的方法来看,掏槽方式采用的都是直眼掏槽。直眼掏槽的基本形式有 3类:龟裂掏槽、桶形掏槽和螺旋掏槽。龟裂掏槽:掏槽眼布置在一条直线上,一般 3～7个炮眼,装药眼与空眼间隔布置,爆破后形成 1条槽缝;掏槽面积小,一般用在中硬岩石的小断面巷道,尤其适用于工作面有较软夹层时。桶形掏槽:各掏槽眼相互平行且对称分布,掏槽眼由 4～7个炮眼组成,其中有 l～4个空眼,经常采用的有三角柱掏槽、菱形掏槽和五心掏槽等。螺旋掏槽:掏槽眼呈螺旋状,各装药眼至空眼的距离依次递增,呈螺旋线分布,并按由近及远的顺序起爆扩出掏槽空间。

3种掏槽方式机理不同,工艺要求也不尽相同。龟裂掏槽法因掏槽体积小,目前已很少使用。桶形掏槽法应用较为广泛,但该法单位面积上需要的空孔数目多,对钻机的精确度要求较高。螺旋掏槽法炮眼利用率高,布孔方式简单,掏槽爆破受炮孔偏斜影响较小。本工程天井高度较小,综合采场地质情况和矿山凿岩设备情况,采用多空孔螺旋掏槽爆破。

3 爆破参数计算

为保证有足够的初始补偿空间,本次爆破提出多空孔掏槽方案,分别为三空孔掏槽、四空孔掏槽和五空孔掏槽方案。经过补偿空间计算后,决定采用五空孔掏槽方案。

3.1 装药孔数

装药孔数目按式(1)计算:

式中,N——装药孔的总数目;

k——断面系数;

g——每立方米岩石炸药消耗量,根据采场矿石特性,初取 3.0 kg/m3;

η——炮孔装药系数,一般为 0.6～0.8,取0.75;

r——每米炮孔装药量,根据药卷取 2.4 kg/m。

计算得:N=7.7。据此设计装药孔数目为 8个。其中布置掏槽孔 2个,辅助孔 2个,周边孔 4个。

3.2 炮孔间距

根据使用的 ZQS100B潜孔钻机知炮孔直径Ф70 mm。根据空孔提供的初始补偿空间计算相关参数见表1。最终绘制天井断面炮孔布置见图1。

表1 多空孔掏槽爆破参数

图1 五空孔掏槽一次爆破成井炮布置示意(单位:mm)

3.3 装药量计算

首响掏槽孔药量按式(2)计算:

式中,Q为首响炮孔每米装药量,a为炮孔至空孔切线夹角的一半,L为首响炮孔至空孔距离,D为空孔直径。

其他掏槽孔药量按式(3)计算:

式中:Qi为第 i号炮孔装药量,βi第 i号炮孔中心到槽腔切线的一半,Li第 i号孔至槽腔的孔距。

由此计算每个掏槽炮孔装药量见表2。

表2 掏槽炮孔装药量计算

4 装药与起爆

装药使用 2#岩石乳化炸药,药卷直径 Ф50 mm,单卷长 0.5 m。1#～5#孔不装药,6#～13#孔采用连续装药。连续孔装药方式为先把导爆索用胶布缠在第 1个药卷上,再把药卷和导爆索绑在竹片的一端,导爆索贴在竹片内侧;顺着竹片每隔 50 cm再绑 3个药卷,2个起爆管雷管都放在离孔口第 1个药卷里,绑好后立起竹片缓慢放到炮孔中。周边孔 10#～13#装药方法为:首先把导爆索用胶布缠紧第 1个药卷,然后手拽导爆索慢慢把药卷放入孔中,接着顺着孔壁连续慢慢放 7个药卷,导爆管雷管放在自孔底第 5个药卷上。为确保炸药送到孔底,应确保堵塞长度。掏槽孔堵塞 1.2 m,辅助孔和周边孔堵塞1.4 m。

采用非电导爆管雷管与导爆索复式起爆,6#～9#孔分别用 2,6,8,10段毫秒导爆管雷管微差起爆;10#～13#孔分别用 2,3,4,5段半秒导爆管微差起爆。炮孔装药堵塞工序完成后,按设计的爆破顺序联线。

5 结 语

该矿利用多空孔螺旋掏槽一次爆破成井技术掘进切割天井,现场爆破试验效果良好,天井超挖欠挖不明显,作业安全高效可靠,劳动强度低,节省材料。实践证明,多空孔螺旋掏槽爆破一次成井技术是可行的,为以后类似工程提供参考。

[1] 毕卫国,等.井下煤仓全深度分段爆破成井技术 [J].爆破,2003,20(4):34-37.

[2] 刘优平,陈寿如.直眼掏槽爆破参数设计探讨[J].采矿技术,2005,5(3):65-66.

[3] 袁再武,刘能国,石帮乾.天井深孔分段爆破掘进试验 [J].矿业研究与开发,1985,(4).

[4] 林大能,陈寿如.空孔直眼掏槽成腔模型理论与实践分析[J].岩土力学,2005,26(3):479-483.

[5] 郑祥滨,璩世杰,等.单螺旋空孔直眼掏槽成腔过程数值模拟研究[J].岩土力学,2008,(9).

[6] 廖世金.一次爆破成井掏槽法探讨 [J].矿业研究与开发,1994,(1).

[7] 姜 科.切割井一次爆破成井实践[J].金属矿山,2003,(1).

[8] 张 强.中孔一次分段爆破成井技术的探讨[J].云南冶金,1996,(4).

[9] 张艳涛,金 焰.大直径螺旋掏槽爆破施工技术应用[J].重庆建筑,2010,(9).

2011-06-26)

史秀志(1966-),男,河北沙河市人,教授,博士,主要从事爆破与采矿技术安全方面的研究。