深井施工中反井钻机导井与深孔扩刷成井工艺应用探讨

周富诚　黄体兴　余正方　王进华

(玉溪大红山矿业有限公司)



深井施工中反井钻机导井与深孔扩刷成井工艺应用探讨

周富诚黄体兴余正方王进华

(玉溪大红山矿业有限公司)

摘要玉溪大红山矿业有限公司(下称大红山铁矿)已形成多个采区同步开采的局面，采区通风系统、溜矿系统均涉及到深井施工。目前，矿山采用的掘井方法已不能适用于深井施工，为此，结合反井钻机施工与深孔爆破技术的优点，提出在深井施工中反井钻机导井与深孔扩刷成井工艺，并应用于西上进风井的施工中，取得了良好的效果。

关键词反井钻机深孔爆破导井扩刷高溜(天)井

目前，国内地下金属矿山溜(天) 井的施工方法主要有： 普通天井掘进法、深孔爆破成井法、天井吊罐法、天井爬罐法、钻机掘进法[1]。根据掘进断面、掘进工艺、施工顺序的不同，在选择开挖方法时有全断面法、导坑扩挖法、中心扩孔法等[2]。大红山铁矿各采区在开采过程中，采场矿石主要通过溜井下放至采区底部运输中段，通过有轨电机车或汽车倒运，将矿石运送至溜破系统集中破碎后，通过胶带或箕斗竖井将矿石提升至地表，各采区累计溜井建设约120条，溜井高度20～220 m。当溜井高度小于20 m时，采用技术含量较低、易于组织的普通法施工。该方法每一个掘进循环都要采用锚杆吊挂法重新架设凿岩工作平台，随着掘进高度的增大，每隔6～8 m需向上移动安全棚，施工过程中要安装梯子间与放岩间，并接好风、水、电管缆。该方法作业条件差、工期长、劳动强度大、效率低[3]，通风效果差，易引起炮烟中毒事故，因此，常用于高度不大于20 m 的竖井施工中；当溜井高度大于20 m时，采用反井钻机掘进φ1.4 m小井，吊罐法扩刷，吊罐提升设备为矿用提升机、提升绞车等。

2013年9月6日，国家安全监管总局发布“金属非金属矿山禁止使用的设备及工艺目录(第一批)”，将φ1.2 m以下(不含φ1.2 m)用于升降人员的提升绞车等矿井提升设备强制淘汰。为确保施工安全，大红山铁矿开展了反井钻机施工导井，后期扩井采用深孔爆破成井的方法，即将深孔爆破成井法与钻机掘进法相结合。该方法施工中，首先由反井钻机掘进φ1.4 m导井，为深孔一次光面爆破提供良好的自由面和充足的补偿空间；再用HT150潜孔钻机自上而下或自下而上一次性沿溜(天)井断面全高钻凿平行深孔，一次或分次爆破完成溜(天)井。该方法能够很好的利用反井钻机连续掘进、成井速度快的优点，并发挥深孔爆破作业条件好、安全、劳动强度低、成本低等优点，避免了深孔爆破成井法技术要求高、掘井成功率低的问题。

1　爆破结构参数选取

1.1爆破补偿空间

西上进风井(标高340～200 m)位于大红山铁矿西上采区西端，设计井筒直径2.8 m，主要承担西上采区各个分段采场进风。按照爆破后岩石松散系数1.3计算，井筒内补偿空间达33.33%，符合爆破设计要求，可有效避免因补偿空间不足造成的过挤压现象，保证单次爆破成井效果。井筒尺寸见表1。

表1　井筒尺寸参数

1.2装药不耦合系数

为了实现光面裂缝面，采用不耦合装药结构。要求作用在炮孔壁上的压力小于岩石的抗压强度σc，但大于岩石的抗拉强度σt。

(1)

式中,p2为爆炸作用于炮孔壁上的压力，MPa；σc为岩石抗压强度，辉长辉绿岩取160 MPa；kb为体积应力状态下的岩石强度提高系数，kb=10。

沿炮孔全场不耦合装药，有

(2)

式中,n为爆炸冲击波炮孔壁引起的压力增大系数，取n=8～11，本次爆破取n=8；ρ0为炸药密度，本次爆破所使用的2#岩石乳化炸药(φ35 mm，L=28 cm，m=0.3 kg),炸药密度为1 114.19 kg/m3;D为炸药爆速，取D=4.2×103m/s；dc、db分别为装药直径和炮孔直径，dc=35 mm，db=102 mm。

装药不耦合系数kd

(3)

代入各值，计算得kd=1.52，符合光面爆破(kd=2～4)要求。

1.3炮孔间距

参照井巷工程光面爆破孔距公式：

(4)

式中，a为孔距，m；Wn光面层厚度,m。

计算得a=0.42～0.56 m.

本次爆破孔径为102 mm，孔距为0.67 m，采用13孔布置形式，孔间间隔装药方式。炮孔布置见图1。

图1　炮孔布置平面(单位：mm)

1.4装药量计算

本次爆破岩体为辉长辉绿岩，岩石坚固性系数f=8，炸药单耗取0.56 kg/m3[4]，工程实际中情况有所差异。本次“导孔+中深孔爆破扩刷”方案在大红山铁矿尚属首次应用，炸药单耗应合理提高，确保爆破能够达到目的。为此，本次爆破选取炸药单耗1.61 kg/m3，线装药密度0.6 kg/m，空气柱间隔长度0.44 m/m，装药长度0.56 m/m。

本次爆破单炮孔长度36 m，采用上下炮泥堵孔，每头堵孔长度0.8 m，两头各绑扎3卷药卷作为首要卷，其余仅为单节药卷。单孔装药量为22.2 kg，总装药量288.6 kg。炸药参数见表2。

表2　炸药参数选取

1.5装药结构

为避免炮孔局部过载而出现压碎，或局部受载不足，影响光爆层岩石的破坏，使得后期出现无法清除的浮石隐患，应尽可能使炮孔全长范围内岩石受到的爆炸载荷趋于合理均匀。同时，还要求光面爆破的装药结构不能过于复杂，以免增加施工难度。本设计采用不耦合空气柱间隔装药，如图2所示。

1.6起爆网路

为确保爆破顺利实施，本次采用单孔双导爆索并联网络起爆方式，磁电雷管采用反向起爆连接。连线过程中务必做好绑扎操作(见图3)。

1.7爆破耗材表

爆破耗材见表3。

2　反井钻机导井与深孔扩刷成井施工工艺及应用效果

(1)掘井施工工艺。本次施工采用BMC300反井钻机，于井筒上方的340 m分段直接钻凿形成导井φ1.4 m，钻孔偏斜率控制在1%以内，施工效率为8～10m/d。导井施工后，将底部积渣清除干净，再选用深孔凿岩台车进行深孔施工。此次施工中由于风井底部为进风联道，巷道尺寸为4.2 m×3.8 m，选用CK150潜孔钻机，钻凿最大深度超过100 m，且垂直孔的偏斜率较低。施工过程中，严格按照深孔设计的机高、方位、倾角、孔深进行施工，机心合格率100%，倾角误差不得超过±2°，保证深孔合格、井筒成型良好。装药时，必须保证药卷间距、堵孔长度、连线等均符合设计要求，确保爆破效果良好。此次爆破耗材见表3。

图2　装药结构示意(单位：mm)

图3　起爆网络示意图

(2)掘井效果。爆破后一次成井2.8 m，井筒成型良好，块度均匀，达到设计目的；该工程施工工期仅为10 d，大大缩短了施工工期，为西上采区通风系统的建立创造了良好条件。

表3　本次爆破耗材

3　结　语

(1)采用深井施工工艺，为大红山铁矿或类似的地下金属矿山深溜(天)井施工提供了解决方案，该方案具有安全、高效、低成本的特点，值得推广应用。

(2)通过本次探索，基本掌握了深溜(天)井的反井钻机导井与深孔扩刷成井技术，但炮孔、炸药单耗等爆破参数仍可进一步优化调整，取得最佳爆破效果。

(3)本方案仅是反井钻机导井与单排深孔组合的扩刷成井工艺，是建立在补偿空间足够的前提下的组合，在更大直径井筒中应用此方案则必须进一步增加扩井深孔排数，并分段爆破，所涉及的补偿空间计算和选取、爆破参数调整等问题将更加复杂，仍需进一步探讨和试验。

参考文献

[1]张炳奏.高溜(天)井施工与应用的有关问题探讨[J].采矿工程，2012，33(2):27-28.

[2]李晓峰.反井钻机在竖井工程施工中的应用[J].公路交通技术，2009(4)：4-5.

[3]张建威.深孔爆破法掘进天井在天(溜)井施工中的应用[J].中国高新技术企业，2015(22)：52-53.

[4]戴俊.爆破工程[M].北京:机械工业出版社，2007.

(收稿日期2016-04-26)

周富诚(1989—)，男，助理工程师，653405 云南省玉溪市新平县戛洒镇。