地下采矿切割槽形成技术研究

罗 佳，柳小胜，宋嘉栋，林卫星，詹 进，欧任泽

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心，长沙410012）

地下采矿切割槽形成技术研究

罗 佳1，2，柳小胜1，2，宋嘉栋1，2，林卫星1，2，詹 进1，2，欧任泽1，2

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心，长沙410012）

切割槽爆破是采场回采前的最后一道工序，也是关键工序，由于施工条件复杂，一直是矿山开采的难点之一。综合分析国内外矿山现状，根据有无切割天井对切割槽形成技术分为有切井拉槽和无切井拉槽两大类，结合矿山生产实际，对相应的工艺进行了详细的分析研究，对矿山切割形成技术具有积极的指导作用。装备的发展和工艺的创新是切割槽形成技术的发展方向，移动式升降平台、天井钻机掘进天井和多凿岩中心的工艺可在类似矿山推广应用。

切割槽；切割天井；移动式升降平台；天井钻机；中深孔

采场回采时，一般先在采场端头布置切割巷，以切割巷为起点全断面竖直拉开采场形成切割槽，切割槽形成之后，后退式回采，后排炮孔依次爆破直至回采整个矿房［1］。切割槽的形成是矿房回采前的最后一道工序，也是相当重要的一道工序，其目的就是为采场爆破提供自由面和足够的补偿空间，为大规模崩矿做好准备。矿山多年的生产经验表明，切割槽成槽效果对采场大规模崩矿影响较大，切割槽爆破效果理想，采场回采就顺利，矿石回收率高，爆破块度均匀。反之，切割槽形成效果不好的采场，出现悬顶、悬帮、爆破大块多的情况较多，严重影响矿山安全生产和采场各项经济指标的完成［2］。

切割槽形成时由于所处位置位于采场端部，作业空间小，补偿空间有限，环境复杂，施工难度大，周期长。采场垂直走向布置时，切割槽一般布置在矿岩交界的位置，由于岩性差异，节理裂隙发育，破碎带孕育，切割槽位置通常矿岩稳定性较差。因此，作为矿房回采前的最后一道工序，有必要快速施工形成切割槽，减少爆破作业次数和施工时间，实现安全生产、快速达产的目的。

1 切割槽形成技术归类

由于切割槽形成对采场回采的重要性，国内外矿山对切割槽形成技术进行了较多的研究，形成了适合各自特点的切割槽形成技术。矿山采用比较多的切割槽技术有无切井楔形拉槽、中深孔全断面拉槽、切割天井拉槽、大直径深孔拉槽、束状孔球状药包拉槽等［3-5］。

采场回采前的切割作业主要施工的工程有切割巷道、切割天井，然后形成全断面的切割槽。根据天井施工情况，切割槽的形成可以分为有切割天井拉槽和无切割天井拉槽两大类。有切割天井拉槽是在先形成天井的基础上，以天井作为切割槽爆破的中心并提供自由面和补偿空间进行切割槽作业；无切割天井拉槽不施工切割天井，采用爆破技术完成切割槽的施工。切割天井拉槽，根据所采用的爆破参数的不同，又可分为浅孔留矿法、中深孔、大直径深孔拉槽方案；无切割天井拉槽主要是采用爆破技术拉槽，主要分为楔形拉槽和中深孔全断面拉槽两种。切割槽形成技术方法归类及各方法技术要点和适应条件对比见表1。

表1 切割槽形成方法归类Table 1 Method classification of cutting groove forming

2 无切割天井拉槽

无切割天井拉槽与有切割天井拉槽最主要的区别是不施工天井，主要是利用拉底巷或者凿岩巷作为爆破的自由面，通过提高巷道空间高度满足补偿空间的需要，采用上向扇形孔逐孔抬高角度下压式微差爆破，形成全断面的切割槽，根据切割槽的长度和崩落矿石量的补偿空间是否足够确定一次爆破和分次爆破。综合分析矿山切割工艺，一般矿山使用得比较多的有扇形孔逐角度抬高成槽法、平行扇形深孔爆破成槽、楔形拉槽三种方式。

图1 扇形孔逐角度成槽法方案图Fig.1 Project graph of cutting groove forming with fan shaped borehole

2.1 扇形孔逐角度成槽

扇形孔逐角度成槽法方案图见图1，爆破区域分为拉槽区和侧爆区，拉槽区提供爆破自由面，侧爆区崩落采场矿石。采场拉槽时，先在端部挑顶形成足够的补偿空间，然后逐角度布置上向扇形孔，以凿岩巷为自由面，全断面爆破形成切割槽。该方法方便灵活，成槽成本低，周期短，可操作性强，在小型采场和残矿回采中使用比较常见。

凡口铅锌矿底柱矿体回采时［6］，采用中深孔落矿，矿体厚度8m，采场宽度7m，长度20～30m；由于矿体在充填体下作业，回采难度大，作业环境差，采场内形成切割天井比较困难，因此采用扇形孔逐角度成槽法。先在采场端头挑顶，高度4.5～5m，采用地质钻逐角度布置上向扇形倾斜中深孔，气腿式凿岩机施工拉底巷两侧凿岩盲区炮孔，下压式全断面爆破形成切割槽，然后分次爆破整个采场，后退式回采，遥控铲运机出矿。该方法解决了充填体下采场天井掘进难题，施工简单，成槽周期短，在矿山得到很好地应用。

2.2 平行扇形孔成槽

平行扇形孔成槽方法是对扇形孔逐角度成槽方法的发展，在切割巷中部位置往两侧布置3～4排小排距上向孔，逐角度抬高扇形炮孔高度，以切割巷为爆破自由面，微差爆破形成切割槽。

金山店铁矿［7］矿岩松软破碎，矿体回采时巷道和炮孔变形破坏严重，回采十分困难，采用无底柱分段崩落法开采，切割槽施工量大，天井形成困难，矿山采用平行扇形孔成槽方法。在切割巷中部往两侧布置3排炮孔，炮孔排距1.3m，每排10个炮孔，凿岩巷中间位置布置平行上向垂直孔，两侧炮孔呈轴对称布置，逐角度抬高，爆破时从边孔开始分段起爆，逐孔抬高1次切割成槽。该方法形成了长度16 m、宽度4m、高度15m的切割槽，在矿山得到了很好的应用，解决了破碎矿体切割天井形成难题，成槽周期短，减少了巷道和炮孔的暴露时间，安全高效。

图2 平行扇形孔成槽方案图Fig.2 Project graph of cutting groove forming with parallel fan shaped borehole

2.3 楔形拉槽

楔形拉槽是无切井拉槽的一种特殊方式，以切割槽中间某个位置为中心布置多排上向对称倾斜扇形孔，以切割平巷为自由面下压式爆破形成切割井，然后利用逐排抬高的平行炮孔，逐次爆破形成全断面切割槽。

楔形掏槽最关键的技术是炮孔布置，根据现场经验，将整个炮孔分中深孔楔形掏槽区、深孔楔形扩槽区和深孔逐排抬高成槽区三部分，其炮孔设计如图3所示。中深孔楔形掏槽区炮孔为1～4和1′～4′，上向扇形孔呈对称布置，爆破后形成切槽高度h1；深孔楔形扩槽区炮孔为5～7和7′，将切槽高度增加到设计高度h；在前两阶段拉槽的基础上，采用深孔逐排逐角度抬高切槽，见图倾斜平行炮孔（9～12和8′～13′），逐排爆破使切槽面积加大，最后过渡到垂直排面扇形炮孔（13、14′），根据切割槽的长度要求增加炮孔形成全断面切割槽。

小官庄铁矿［8］采用无底柱分段崩落法采矿，分段高度的提高加大了切割天井的难度，并且局部地方矿体破碎，提高了掘进天井时的成本和难度，矿山设计采用楔形掏槽，并进行了现场试验，试验完成采场切割槽楔形掏槽高度20m，证明了方案的可行性。

楔形拉槽对炮孔的精度和爆破控制技术要求高，由于采用倾斜炮孔，成槽高度受切割槽宽度的影响较大，拉槽的跨度一般较大，适用与切割天井形成困难的厚大破碎矿体崩落法开采。

3 切割天井拉槽法

切割天井一般布置在采场端头，作为切割槽爆破的补偿空间，可以分为盲天井和贯通天井。当矿体比较倾斜，上下分段之间切割槽位置不能布置在一个平面时，需要在下一分段向上打切割天井到上一分段水平，但天井没有与上一分段的切割槽贯通而形成盲天井；当矿体倾角比较大或近似垂直时，下分段设计的切割槽与上分段的切割槽在同一个平面上，此时下分段形成的切割天井能与上分段切割横巷贯通而形成贯通天井。切割天井施工是切割槽形成技术的重点和难点。

3.1 切割天井形成技术

天井断面形状一般分为圆形和矩形两种，其中圆形断面直径一般为1.2～2.0m，矩形断面一般为1.5m×1.5m～2.5m×2.5m。其高度一般为30～60m，最高达几百米。目前国内外天井掘进方法主要包括普通法、吊罐法、爬罐法、深孔爆破法及天井钻机法。

普通法掘进天井需要人工逐步架设工作台，劳动强度大、通风时间长、掘进速度慢、材料消耗多、成本高、工人作业安全性差；吊罐法钻孔偏斜难以控制，吊罐作业平稳性差；爬罐法前期投资大、操作技术要求高；深孔一次成井由于爆破空间小，一次成井高度低，炮孔施工周期长，爆破效果可靠性小。新兴的移动式升降平台法和天井钻机法掘进天井技术先进，安全高效，下面将对这两种方法进行介绍。

1）移动式升降平台法掘进天井

移动式升降平台法掘进天井是从改进普通法掘进时工作平台架设的角度出发，探索性地将在市政维修、物流运输及建筑装潢等行业运用十分成熟的移动式升降平台应用到地下矿山天井掘进中，取代上述各类方法的工作平台，以期能够克服天井掘进时存在的一些弊端，实现切割天井快速安全掘进。

按照结构和造型的不同，升降平台可分为固定式、移动式、液压式、曲臂式及套缸式等。地下矿山井下作业空间狭小，作业环境较地表差，且作业地点经常更换，为便于移动运输，移动式升降平台更加适合在井下特定作业环境下使用。根据移动方式，可分为牵引式和自行式两种，而升降动力则根据不同需求可选择二相、三相电流或电瓶，特殊场所下还可以采用防爆电机、电器等。该类型升降机控制方式为电动上、下控制升降，采用手、电两用或遥控器控制，在停电时仍能使用，具有移动灵活、升降平稳、载重量大、操作方便等特点。其结构构造示意图如图4所示。

图4 移动式升降平台Fig.4 The mobile lifting platform

李楼—吴集铁矿矿体［9］属于急倾斜型，矿体倾角65°～85°，垂直矿体走向布置采场，一般根据矿体的赋存情况，设计盲天井或贯通天井作为切割天井。针对矿山实际情况，选择普通法、移动式升降平台法和天井钻机法作为矿山形成切割天井的备选方法，对各方案的技术要求和具体参数进行分析，对比各方案的技术要点和优缺点，最终选择移动式升降平台法掘进天井。

图5 天井钻机掘进示意图Fig.5 Diagram of tunneling with raise boring machine

2）天井钻机法掘进天井

天井钻机掘进天井，一般先采用潜孔钻机沿天井全高先钻一个导孔，然后再沿导孔用扩孔钻头扩大到天井全断面，或直接采用钻机沿天井全高进行全断面掘井，见图5。利用天井钻机掘进天井的方式有两种：一种是把钻机安装在天井上部，由上向下先钻进一个导孔与下部水平相同，再自下而上扩大至全断面，即一般所称的上扩法；该方法破碎的岩渣借助自重落下，无需洗井设备。另一种下扩法，即把钻机安装在待掘天井的下部水平，自上而下扩大至全断面。

凡口铅锌矿主要采用VCR采矿法，需要在采场内布置切割天井，天井数量多，高度大。由于上部凿岩硐室已经形成，天井钻机布置天井技术成熟，矿山采用有色重机生产的AT-2000天井钻机施工天井，断面尺寸Φ2m，天井高度30～50m不等，取得了很好的效果［10］。

天井钻机法掘进天井具有作业安全、成井速度快、劳动效率高、成本低等优点，且天井壁面平滑稳定，支护工作量小。同时，由于机械设备庞大，凿岩硐室尺寸较大，前期购置成本高。

3.2 切割天井拉槽基本方法

切割天井拉槽法形成切割槽技术，是以天井为爆破的自由面和补偿空间，炮孔以切割天井为中心布开，根据现场条件和矿山自身的需要，采用浅孔、中深孔、大直径深孔进行爆破，形成切割槽。

浅孔爆破天井拉槽主要是采用浅孔凿岩机（YT-27、YT-28或7655型凿岩机），在切割巷钻凿上向或平行炮孔，炮孔深度2～3m，然后以天井为自由面爆破崩矿，每次出矿约崩矿量的30%，余下作为后续凿岩爆破的作业平台，最后再大规模出矿。

中深孔爆破天井拉槽，采用中深孔钻机在凿岩拉底巷钻凿上向扇形孔，以天井为自由面分次爆破或一次爆破成槽。中深孔爆破由于凿岩效率高，爆破次数少，成槽效果好，工艺简单安全性高，在矿山应用比较广。

大直径深孔拉槽爆破，一般是在切割槽上部布置凿岩硐室，从上向下钻凿大直径深孔，然后以天井为自由面分次或一次爆破成槽。由于凿岩爆破工作在上部硐室进行，爆破作业安全，劳动强度低；但是，钻凿下向大直径深孔凿岩效率低，施工周期长，炮孔维护成本高。

4 切割槽形成技术发展方向

切割槽形成由于受到自身作业条件的限制，作业环境差，工人劳动强度大，拉槽周期长，效率低，安全性较差。随着采矿技术装备的发展，高分段大结构采场已成为矿山发展的趋势，对切割槽形成技术的要求也越来越高。传统工艺形成切割槽由于受到设备的限制，切割槽高度小，跨度不大，原来的小型设备和传统工艺在一些矿山已不能满足需要。因此，装备的革新和工艺的创新发展是切割槽形成技术的发展方向。

1）装备的革新

装备的革新是现代采矿技术发展的直接驱动力，现代科技日新月异，越来越多的先进设备应用到采矿中。天井钻机法是目前最先进的天井成井方法，由于其安全性和高效性，广泛应用于矿山切割天井的施工中。凿岩台车的普及，使得凿岩效率得到大大提高，炮孔精度有了保障，缩短了钻孔形成周期。先进设备的应用，使得原来的传统工艺劳动强度大大降低，设备的优越性弥补了工艺的不足。

2）工艺的创新发展

矿山经过几十年的发展，取得了一系列的成绩。但是，工艺的创新发展缓慢，跟不上设备的发展步伐。传统的工艺是经过几十年历史发展沉淀下来的，其优越性和安全性毋庸置疑，但是随着设备的发展，一些工艺不能很好地满足现代采矿的需要，因此有必要对现有的工艺进行创新发展。

传统的中深孔凿岩设备移动性较差，切割槽爆破时一般采用一个凿岩中心，导致孔口炮孔密度大，成槽效果不好，并且容易造成悬顶和悬帮的情况，对后续采场爆破产生不利的影响。一些矿山采用先进的凿岩台车，创新了凿岩方法，变一个凿岩中心为多个凿岩中心，炮孔布置更加合理，炸药分布均匀，炮孔块度成槽效果好。该工艺在大红山铁矿、李楼—吴集铁矿等得到了很好的应用，有必要对其进行推广应用。

由于矿山现场条件的差别，没有通用的切割槽形成技术，因此有必要针对不同的情况，形成相对应的切割槽快速形成技术，发展丰富其工艺。无切割天井拉槽、天井掘进、快速成槽技术等都是切割槽形成技术的发展方向，有必要进一步不断发展和完善。

5 结论

采场切割槽由于其所处的特殊位置，和对回采的重要作用，是采场开采的关键工序。现有的切割槽形成技术，根据有无切割天井可分为切割天井拉槽和无切割天井拉槽，结合矿山实际分别对这两种情况进行总结分析，对指导矿山切割槽形成技术具有指导作用。

采矿设备的发展应该引起矿山工作者的重视，天井钻机掘进天井的优越性已在矿山得到很好的证明，采用多个凿岩中心中深孔爆破形成切割槽也在一些矿山得到了很好的应用。采矿装备的发展和切割槽形成工艺的创新是切割槽技术的发展方向。

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Study on cutting groove forming technology of underground mining

LUO Jia1，2，LIU Xiaosheng1，2，SONG Jiadong1，2，LIN Weixing1，2，ZHAN Jin1，2，OU Renze1，2
（1.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；2.National Engineering Research Center for Metal Mining，Changsha 410012，China）

Cutting groove blasting is the last step before mining，and it’s also the key process.Due to complicated construction conditions，it has always been a stumbling block for mining.According to the comprehensive analysis of mining situation at home and abroad，cutting groove forming technology can be divided into two types，with and without incise courtyard.Combined with the actual production of the mine，it makes a detailed analysis of the corresponding technology and has played a positive role in guiding mining cutting.The improvement of equipment and technological innovation has become the development direction for cutting groove forming technology.Thus，the technology of mobile lifting platform，raise boring machine drilling patio，and multi-drilling center can be popularized in similar mines.

cutting groove；incise courtyard；mobile lifting platform；raise boring machine；medium-length hole

TD803；236

Α

1671-4172（2015）06-0014-06

“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAB02B04；2013BAB02B06）

罗 佳（1987-），男，硕士，采矿工程专业，主要从事矿山开采技术研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.004