预控顶下向中深孔逐孔起爆采矿工艺

苏红蕊

(莱钢集团莱芜矿业有限公司，山东 莱芜271100)

马庄铁矿隶属于莱钢集团莱芜矿业有限公司，是地下开采中型矿山，年产铁矿石68 万t，矿床属于高温热液接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿体产于闪长岩和大理岩的接触带上，沿接触带呈扁豆状、透镜状、似层状产出，总体走向20° ～40°，倾向SE，倾角40° ～60°，主矿体厚度15 ～60 m，f=8 ～10，矿体中等稳固，局部较为破碎，矿区上部有村庄，地表不允许塌陷。根据上述矿体赋存特点，马庄铁矿原采用长锚索预支护的上向水平分层进路充填采矿法，但采矿效率不高，为增加矿房开采强度，释放单体矿房产能，提高产量，在保障顶板安全前提下，马庄铁矿借鉴露天采矿爆破模式应用于地下矿山，研究探索在预控顶条件下的下向逐孔起爆工艺［1］，获得良好效果。

预控顶下向中深孔逐孔起爆采矿是首先在需要爆破的矿房顶部人工拉切，形成一较大的自由空间，然后在顶板打长锚索、挂网和喷浆支护，形成一个安全的人工顶板，再用下向潜孔钻机施工下向孔，采用高精度逐孔起爆雷管，将下部矿石一次性爆破的一种高效采矿方式。

1 矿房参数的计算与选择

1.1 拉切矿房高度选择

由于矿房爆破后作业人员需要进入空区内铲矿，根据矿房矿石条件、充填体自立程度、爆破后充填体外侧破坏程度以及方便观察和处理矿房两帮浮石等作业条件，根据经验和多个试验矿房情况，初步确定矿房高度为15 m。

马庄铁矿矿区地表不允许塌陷，所有矿房采用全尾砂充填，充填胶凝材料采用胶固粉，充填配合比为1∶ 4(胶固粉∶ 尾砂)。

根据充填体自立公式［1］进行验算:

式中，C1为充填体与围岩黏结强度，MPa;φ1为充填体与围岩摩擦角，(°);C 为充填体自身黏结强度，MPa;φ 为充填体内摩擦角，(°);α = 45° + φ/2;k 为侧压系数，k =1 －sinα;h 为充填体高度，m;胶结充填体密实固体密度为2.61 g/cm3。根据取样试验井下充填体7 d 强度为1.1 MPa，28 d 强度为3.5 MPa，充填矿房分4 次充填，为保证相邻矿房采准需要，矿房按揭露最后接顶充填最晚充填时间计算充填体强度，矿房长度按照25 m 计算，可以推出1.1 MPa 强度充填体自立高度55.6 m，远大于15 m 设计高度，充填体强度完全可以满足采矿需要。

1.2 矿房顶板暴露面积

暴露面积的大小直接关系到一次爆破的效率，单从采矿角度来说越大越好，但为保证安全必须选择合适的空顶面积。

根据顶板暴露面积经验公式［2］

(其中，S 为顶板暴露面积，m2;b 为矿房高度，m)，估算矿房顶板在极限平衡状态下暴露面积约为560 m2。

实际布置矿房尺寸为长×宽=25 m×12 m=300 m2＜560 m2，留有较大安全系数，能够满足安全需要。

2 矿房布置形式

预控顶单体矿房高度15 m，分为2 部分:最上一部分3.5 m 为拉切高度，满足潜孔钻机等凿岩设备凿岩要求，下边11.5 m 为深孔爆破高度;矿房宽度12 m，实际爆破宽度10.8 m，两侧各0.6 m 为设备施工预裂孔需要宽度;矿房长度25 m，根据矿体实际厚度做相应调整，50 m 以上矿房采用后退式分2 次爆破。

在矿房底部正中施工1 个穿脉，然后在矿房中部施工1 个2 m×2 m 切割天井，作为首次起爆自由面。

矿房内部布置下向主爆孔，矿房两侧为减少爆破对两帮矿石或充填体破坏，使用预裂爆破，预裂孔距离两帮0.6 m。

54 m 宽度矿房宽度划分为5 个矿房，交错布置，一采一备采。

矿房15 m 作为一分段水平，整体采用上向采矿，下侧矿房结束充填后，再采上一分段水平。预控顶矿房整体充填顺序及拉切支护布置方式见图1。

图1 预控顶矿房示意Fig.1 Schematic diagram of pre-controll roof room

3 预控顶矿房顶板支护

预控顶矿房上部首先拉切3.5 m 高的作业面，再对作业面进行预支护，支护与拉切作业同时进行。支护时首先施工网片大小2 m×1.5 m、网度15 cm×20 cm、直径6.5 mm 钢筋网，搭接宽度不低于20 cm，再在网片上施工网度1.5 m ×1.5 m、长度1.8 m 的管缝式锚杆，最后喷浆，喷浆厚度不低于10 cm，用以保证顶板安全。局部矿石不稳固地段补打长锚索进行支护，锚索长度不低于13 m。

4 井下逐孔起爆工艺的实施

在下向孔爆破过程中借助于高精度雷管的准确延时，通过合理的时间组合，使炮孔由起爆点按顺序依次起爆，每个炮孔的起爆都是相对独立的，前一个炮孔为后一个炮孔创造了一个自由面，相邻炮孔间的矿岩在移动过程中会发生相互碰撞挤压，使岩石进一步破碎，从而能够保证较好的爆破块度。

(1)设备选型:设备采用T －100 高气压环形潜孔钻机，钻孔直径92 mm。

(2)炮眼参数:底盘抵抗线根据经验公式［3-4］

(式中，D 为炮孔直径)，取2.3 m;孔间距［4］a 取1.1W，为2.5 m;排间距b 取0.8a，为2 m;凿岩超深h= 0.2W，取0.5 m。凿岩深度分别为8 m 和12 m，下向凿岩在中部拉切进路上部的取8 m，其余取12 m，如果下向凿岩与拉切进路凿穿，装药前先用塑性材料堵塞下部炮孔，堵塞长度不低于1.5 m;预裂孔孔距取孔径10 倍，即1 m;由于上部已完全拉切，爆破补偿空间为26.4%。

(3)炸药雷管型号:主爆孔采用 φ80 mm 乳化炸药;预裂爆破不耦合系数取3，预裂孔炸药采用φ32 mm 乳化炸药。雷管采用导爆管雷管，孔内管采用MS400 型 号、孔 口 管 采 用SDD9、SDD17、SDD25、SDD42、SDD65 型号高精度导爆管雷管，爆破采用孔口延时，孔口总延时长度不超过400 ms。

(4)施工顺序:施工拉底巷道→T－100 钻机按照设计施工下向孔(包括主爆孔和预裂孔)→施工切割天井→装药→连线→整个矿房一次性爆破成型。爆破连线从一端开始按照设计网路逐次串联，逐孔起爆网络及矿石移动方向见图2。

图2 预控顶矿房逐孔起爆网络及矿石移动方向Fig.2 Hole-by-hole denotation network and ore moving direction of pre-control roof room

逐孔爆破后效果优势明显，与普通排间微差爆破相比，实施逐孔起爆时，先爆炮孔为后爆炮孔创造更多的自由面，爆破应力波反射充分，从而达到充分利用炸药能量的叠加作用，炸药用量最经济、合理，产生的爆破作业震动也最小。

5 结 论

(1)预控顶下向凿岩逐孔起爆工艺能够预先有效支护矿房顶板，保证了矿房内作业人员安全，减少了事故发生，同时大幅提高了矿房产能，提高了采矿效率，以走向长度54 m 矿房为例，采用上向水平分层充填采矿法每个矿房生产能力平均为3 500 t/月，新采矿方式可将产量提高至6 000 ～8 000 t/月，矿房产能大幅提高。

(2)连线爆破只采用4 ～5 个不同段别的延期雷管按逐孔起爆网络连接方式串联，简便易施工，不易出错。

(3)采用逐孔起爆破技术，单响药量控制在1 ～2个孔，这有利于周边巷道的保护，减少爆破震动带来的地压活动，特别是地表有居民的地下矿山。

(4)逐孔起爆技术由于增加了矿岩间的碰撞，改善了爆破块度，降低大块率，减少二次爆破频度，降低炸药消耗。

(5)预控顶中深孔逐孔起爆工艺实现采场一次爆破成型，减少安全维护，减少在采空区作业时间，同时能够扩大爆破规模、提高生产效率，提高矿山综合效益。

［1］ 孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术［M］. 北京:冶金工业出版社，2003.

Sun Henghu，Huang Yucheng，Yang Baogui.Contemporary Cemented Filling Technology［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2003.

［2］ 任吉明，董峻岭，权福华.试论金岭铁矿阶段矿房法的顶板暴露面积［J］.冶金矿山设计与建设，2001，33(1):5-7.

Ren Jiming，Dong Junling，Quan Fuhua. Jinling iron roof on stage room mining method in design and construction of an area of exposed［J］.Metal Mine Design ＆ Construction，2001，33(1):5-7.

［3］ 王 青，任凤玉.采矿学［M］.北京:冶金工业出版社，2011.

Wang Qing，Ren Fengyu.Mining Science［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2011.

［4］ 张德明，李少磊，徐恩华.新矿山采矿设计手册［M］. 徐州:中国矿业大学出版社，2007.

Zhang Deming，Li Shaolei，Xu Enhua. Design Manual of New Mine［M］. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2007.