井下特大规模爆破研究与实践*

欧任泽,宋嘉栋,曾慧明,张宗生

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012;2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司,湖南郴州市 423037)

井下特大规模爆破研究与实践*

欧任泽1,宋嘉栋1,曾慧明2,张宗生2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012;2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司,湖南郴州市 423037)

柿竹园多金属矿床经过多年开采后,井下存在大量的采空区与矿柱群。采用大规模爆破实施一次性同步回采矿柱与空区处理。介绍了爆破方案,总结了特大规模爆破实践的经验,为类似工程提供了成功范例。

特大规模爆破;爆破方案;矿柱回采;空区处理

1 工程概况

柿竹园多金属矿床存在大量的采空区与矿柱群,采用大规模爆破方式进行矿柱回采协同处理采空区。矿柱回采从采区西北角开始,呈北东向斜线向东南方向推进。自2006年,采区西北角成功实施“天窗大爆破”形成泄压天窗后,基本进入了正常的矿柱回采和空区处理。至2009年底,1盘区K1-1、K1-2、K1-3、K1-4,2盘区K2-1、K2-2、K2-3和3盘区K3-1等采场所对应的顶板矿体及其之间的间柱已全部回采,采空区被崩落矿石和围岩充填。

如继续按照原计划的采矿顺序推进,下一步的矿柱回采范围大致为:沿西北角大空场边界线,呈北东向斜线向东南方向推进一个矿房和一个间柱。但由于3盘区的K3-4、K3-5之间的房间矿柱已被抽采,形成暴露面积约3500m2、体积约30万m3的连续大空区;4盘区的K4-3、K4-4之间的房间矿柱已被抽采,形成暴露面积约3500m2,体积25万m3的连续大空区。大空场区域周围的P3、P4矿柱有明显的破坏,并在不断加剧。K3-4、K3-5、K4-3、K4-4大空场和西北角大空场之间的K3-2、K3-3矿柱犹如“千斤顶”,承受的压力越来越大,破坏程度越来越高(见图1)。

由于矿柱与采空区特殊的位置关系,如对K2-4、K3-2等矿柱进行大规模爆破回采,势必对邻近的大空区造成更严重的破坏,给后续的矿柱回收留下安全隐患。因此,需对大空区周围和西北角之间矿体:K2-4、K3-2、K3-3、K3-4、K3-5、K4-1、K4-2、K4-3、K4-4顶柱及其相邻盘间柱、房间柱558～603 m分段的矿体进行整体研究,确定下一步爆破回采范围及回采顺序。

图1 矿柱、空区位置关系

爆破回采区域位于原315m×313m范围的东北部,爆区主要为矽卡岩,夹有花岗岩,属难爆类型。地表为马鞍形陡峭山谷,东高西低,倾向西北,山坡角35°～42°,植被茂盛,主要为灌木林和小树林。距爆区中心700m内,未见矿山工业厂房及居民住房,只有少量临时工棚和简易公路。山下有东坡甘港河和柿竹园至多金属采场的公路。井下已形成380,490,514,536,558,586,610,620,630m等分段工程。爆区周围100m内无主要固定设施设备。

2 爆破方案

2.1 爆破方案选择

爆破的目的主要是回采矿柱和处理采空区。根据爆区各矿柱和空区的具体情况、相互关系,以及公司科学的施工组织管理水平,爆破方案主要有3种。

方案一:将整个爆破区域分4～5步骤实施。首先爆破崩落K3-2、K3-3顶板和盘间、房间矿柱;然后爆破回采K2-4顶板和房间矿柱矿体;再爆破崩落K3-4、K3-5顶板和盘间、房间矿柱矿体;最后爆破崩落4盘区的K4-3、K4-4以及K4-2、K4-1顶板和盘间、房间矿柱矿体(见图2)。

图2 爆破方案一

该方案每次爆破的炸药用量为200～300t,施工组织较为简单。但当K3-1、K3-2或K2-4区域爆破后,爆破振动的破坏以及地压的转移,将导致K3-4、K3-5大空场区域周围矿柱受到严重的破坏,特别是邻近大空区段的P3、P4段矿柱,分别布置有33#、34#和39#凿岩天井控制顶板矿体。该段矿柱一旦垮塌,将导致K3-4、K3-5大空场的顶板矿体无法回收。

方案二:将整个爆破区域分4步骤实施。首先爆破崩落K3-4、K3-5和K4-3、K4-4两处大空区顶板及其盘间矿柱矿体;之后爆破回采K2-4顶板和房间矿柱矿体;再爆破崩落K3-2、K3-3顶板和盘间、房间矿柱矿体;最后爆破回采K4-1、K4-2顶板和盘间、房间矿柱矿体(见图3)。

图3 爆破方案二

该方案每次爆破的炸药用量为200～300t,施工组织较为简单。方案先处理了两处大空区及矿柱破坏相对较严重的区域,大空区顶板及其相邻矿柱爆破后形成了连续的大空场,使得大空区和西北角大空场之间的K3-2、K3-3顶板和盘间、房间矿柱犹如“千斤顶”,压力越来越大,破坏程度越来越高。最终可能导致K3-2、K3-3顶板和盘间、房间矿柱区域无法进入,此区域矿体将无法安全经济地回收。

方案三:将整个爆破区域分2步骤进行(见图4)。第Ⅰ步骤爆破回采区,包括:K3-4、K3-5、K4-3、K4-4(西半部分)两个连续大空场的范围及相应的房间和盘间矿柱,K2-4顶柱矿体及相应的房间和盘间矿柱,K3-2、K3-3矿块相应的房间和盘间矿柱3部分。一次爆破崩落矿石,处理采空区,避免了因某一处爆破对其他区域造成的影响,技术可靠。但一次爆破装药量大,初步估算为800～850t,施工组织管理困难。第Ⅱ步骤爆破回采区包括:K4-1、K4-2顶柱,K4-3、K4-4矿块(东半部分),P4盘间矿柱和C2、C3房间矿柱,总矿量约108.7万t,一次爆破装药量约400～450t。

图4 爆破方案三

综上所述,方案一和方案二,将整个爆破区域分4～5次实施,每次爆破的炸药用量控制在200～300 t。公司已多次组织实施了此规模的爆破,在技术和施工组织上积累了一些经验。但无论先爆破哪个位置,大规模爆破振动的破坏作用以及爆破后地压的转移,将对其他区域矿柱产生严重的影响,为后续的矿柱回采留下重大的安全隐患。方案三,通过精心设计和科学、严密的施工组织管理,可以确保在规定时间内完成装药、连线工作,按时施爆。一次爆破崩落矿石,处理采空区,将避免因某一处爆破而对其他区域造成的安全隐患,技术可靠。综合上述分析,方案三优点突出,因此推荐采用方案三。

2.2 爆破方案

(1)Ⅰ步骤爆破回采区,主要包括3个部分。第1部分:K3-4、K3-5、K4-3、K4-4(西半部分)两个连续大空区的范围,K3-4矿块570～610m矿体,K3-5矿块586～610m矿体及K3-4/5相应房间柱;K4-3、K4-4矿块558～603m分段西半部分矿体;C4(P3～P4)东半段及P4盘间柱K4-4矿块和C4所对应的矿体。第2部分:K2-4顶柱矿段及P2盘间柱的回采,558～603m分段P3盘间柱(K2-4～K2-3),558～603m分段2盘区及3盘区西半部分C4房间柱回采。第3部分:K3-2、K3-3矿块;P3盘间柱C3以北部分矿体,P4盘间柱K3-3矿块对应区域;3盘区C3房间柱及C4房间柱西半部分矿体。

(2)Ⅱ步骤爆破回采区:558～603m分段29#、30#凿岩天井控制的K4-1矿块及41#、42#凿岩天井控制的K4-2矿块;40#凿岩天井、加40#凿岩天井控制的K4-3、K4-4矿块558～603m东半部分矿体;P4盘间柱K4-1、K4-2矿块及C2、C3对应的区域;4盘区C2、C3房间柱。

各凿岩天井所控制顶板矿体采用QZJ-100B潜孔钻凿水平扇形孔以采空区为自由面爆破,房间、盘间矿柱回采采用YGZ-90钻上向扇形孔以采空区和切割槽为自由面爆破。水平孔、上向扇形孔各爆破区域相对独立,均以各自的自由面爆破(见图5、图6)。

图5 爆破方案平面

3 爆破设计与施工

(1)井巷工程主要有凿岩平巷、凿岩天井及其硐室、切割槽、切割平巷、切割井以及措施井、措施巷。

(2)根据矿山实际经验以及爆破漏斗试验,炸药单耗q=0.42～0.45kg/t。采用YGZ-90钻机施工上向扇形炮孔,直径d=60mm,抵抗线(排距)W=1.2m,炮孔最大孔底距a=2.0～2.6m,孔深8～15m。采用QZJ-100B型潜孔钻机施工水平炮孔,直径d=110mm,抵抗线W=2.0～2.2m,炮孔最大孔底距a=3.2～3.5m,孔深15～40m。

图6 爆破方案剖面

(3)炮孔总量:304972m。其中:Φ60mm钻孔186248m;Φ110mm钻孔118724m。

(4)Ⅰ步骤爆破回采区,爆破设计炸药总消耗量821291kg,雷管19045发,崩矿量188.6万t;Ⅱ步骤爆破回采区,爆破设计炸药总消耗量465506 kg,雷管9273发,崩矿量108.7万t。

(5)水平扇形孔,按照每排炮孔一段雷管的原则,从下往上依次爆破,采用澳瑞凯双雷管,孔内全长敷设导爆索;上向扇形中深孔,558～603各分段,下分段超前上分段1～2段爆破,即上下分段微差间隔时间为25～50ms。采用导爆索-导爆管微差雷管复式起爆系统。孔中或孔底单雷管、YGZ-90钻炮孔前排及靠近切割槽的前后两排孔内需全长敷设导爆索起爆。

(6)爆破危害控制。井下大规模爆破产生的有害效应主要有:爆破震动、爆破空气冲击波、爆破有毒气体。

为降低爆破震动影响,合理地分布了各段别雷管炸药量,尽量减少同段起爆药量。采用爆破质点振动速度公式计算验证爆破附近各建筑物质点振动速度,重要建筑物及工程均为安全。

井下爆破空气冲击波超压计算结果表明:爆破的空气冲击波超压均会对爆破区100m范围内的工程及设施造成一定危害。设计在主要巷道建阻波墙、采空区预留缓冲垫层等措施控制,减小爆破空气冲击波超压,保护敏感设备设施。

爆破后井下加强通风,在出矿运输巷及出矿穿,根据需要安装局扇,对空区强制吹风,使有毒气体低于安全规程规定的最大允许浓度,在井下巷道空气质量检验合格后,方可进行工作。

(7)在爆破工程施工过程中,针对爆区周围进行了大量地压控制技术工作,建立了声发射监测、微震监测等矿山地压监测预报系统,确保了项目实施过程的安全可靠。

(8)在充分总结以往大规模爆破成功经验的基础上,对爆破施工组织进行了更严谨、更细致、更周密的设计和安排。两次爆破分别在6d和3d内完成装药、联线作业,顺利实施爆破。

4 爆破效果与体会

爆后检查,爆区无拒爆现象,爆破崩落矿石块度好,大块率低,成功处理了该区域空区存在的安全隐患。微震监测系统监测结果表明,爆破后30min内,有大量的事件数,30min后则事件数急剧下降,爆区周边范围趋于稳定。爆破地震效应检测结果表明,各重要建筑物及工程附近振速均小于允许最低标准,达到了预期的爆破效果。此次特大规模爆破实践的体会如下:

(1)大规模爆破一次性同步进行矿柱回采与空区处理的回采区,各爆区为独立的回采单元,爆破抵抗线方向各异,崩落矿石相互挤压、碰撞破碎,各爆区形成的爆破空气冲击波、爆破震动波相互抵消衰减;

(2)爆破方案、施工组织应精心设计、周密的部署,并严格按照设计进行,防止安全事故;

(3)爆破采用的技术合理、有效、综合成本较低、效果显著,可在类似工程中推广使用。

[1]袁节平,宋嘉栋,欧任泽.地下中深孔大规模爆破的研究与实践[J].矿业研究与开发,2008,28(1):76-80.

[2]曹华锋.分层矿柱回采及天井采矿的爆破工程实践[J].采矿技术,2010,10(1):77-78.

[3]长沙矿山研究院.国家十一五科技攻关项目专题“特大空区环境下安全开采技术研究”报告[R].长沙:长沙矿山研究院,2010.

[4]长沙矿山研究院.柿竹园多“多金属矿床连续开采方案研究”报告[R].长沙:长沙矿山研究院,2003.

[5]杜邦公司.Blisters’Handbook1[M].USA,1983.

[6]李爱兵,李庶林,陈际经,等.柿竹园多金属矿床开采地压研究[A].第八届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京:中国科学技术出版社,2004.

[7]《采矿手册》编辑委员会.采矿手册[M].北京:冶金工业出版社,1991.

“十一五”国家科技支撑计划(2006BAB02B05).

2012-03-22)

欧任泽(1982-),男,湖南郴州人,工程师,主要从事采矿工艺和爆破技术研究、设计工作。