安徽李楼铁矿天井施工中中深孔成井技术的应用

陈鹏刚 庞明海

(五矿矿业(邯郸)矿山工程有限公司)

李楼铁矿位于霍邱铁矿区中部，为大型隐伏变质磁铁矿床，地质探明储量为27 624万t，其中 Fe-Ⅰ#主矿体走向长3.4 km，赋存标高-52～-862 m，矿石矿物成分主要为镜铁矿，其次为磁铁矿和赤铁矿。一期设计采矿范围在-500 m标高以上，可采储量1.81亿t，地质品位为34.05%，开采规模为500万t/a。根据矿体赋存条件，主要采矿方法为分段凿岩阶段空场嗣后充填法，采场结构参数为阶段高100 m，分段25 m，宽20 m，长为矿体水平厚度。首采矿段为-400～-300 m标高矿体，-300 m水平为充填水平，-325，-350，-375 m水平为分段凿岩水平，-400 m水平为出矿水平。

李楼铁矿矿体倾角为68°～85°，平均厚度为48.2 m，矿体赋存于周集组第二岩性段，上盘围岩岩性为黑云斜长片麻岩、闪石云母白云石大理岩，下盘围岩岩性为白云石大理岩、石英透闪白云石大理岩。矿区岩浆岩不发育，分布较广，但围岩节理、断裂构造较发育，分布极广，围岩稳固性一般。回采采用凿岩上向扇形中深孔爆破技术，回采初始爆破需要切割井提供最初自由面和补偿空间，每年需要施工120条切割井及风溜井。切井断面尺寸为3.5 m×3.5 m，风井直径3 m，溜井直径4 m，平均高度 21 m，工程量为24 624 m3。采用普通法掘进施工存在作业劳动强度高、安全性较差、工期较长等不足，在不同程度上影响采矿衔接。为改善作业环境，提高作业效率，本研究采用中深孔爆破技术施工天井。

1 中深孔爆破技术

中深孔爆破成井工艺应用较广泛[1-5],李楼铁矿具备了进行大规模中深孔爆破成井施工的工程地质条件。中深孔爆破成井的基本施工思路是沿井的全高程凿若干个平行孔，而后根据井的高度分1次或若干次进行爆破，从而形成设计的断面和高度。中深孔爆破成井技术优点为工人无需进入天井内作业，作业环境显著改善。目前，国内矿山普遍采用以空孔为自由面的平行孔掏槽形式，将空孔以及下部平巷作为首响掏槽孔的自由面，为后响炮孔提供补偿空间，借助掏槽孔扩大补偿空间，利用辅助孔和周边孔完成掘井[6-8]。

2 钻爆参数

2.1 凿岩设备

中深孔爆破一次成井采用CS150D型潜孔钻机，该型钻机钻孔直径为138～165 m，炮孔深度0～100 m，21 m 天井炮孔的偏斜率小于2%，可以满足平行掏槽孔的精度要求。根据矿山生产条件，炮孔孔径确定为140 mm。

2.2 炮孔间距

2.2.1 掏槽孔间距

采用平行孔掏槽形式爆破成井，空孔为首响掏槽孔提供自由面，空孔越多、孔径越大，爆破效果越好[9-10]。但考虑设备凿岩效率和成本，一般情况下，7 m以下天井采用1个空孔，7～15 m天井采用双空孔，15 m以上天井采用3个以上空孔。凿岩时，钻孔速度随孔径加大而下降，实际爆破时，每个炮孔的爆破影响面积较小，在一定范围内，成井总钻孔数量不会随孔径增加而明显减少。

第一时间起爆的掏槽孔与空孔应选择合适的间距，孔间距过小，凿岩过程中出现穿孔的概率增大；孔间距过大可能会导致掏槽孔的药量无法将掏槽孔与空孔之间岩石爆碎，或即便将岩石爆碎也无法将岩渣抛掷出，导致出现爆破岩渣“挤死”现象。第一时间起爆的掏槽孔与空孔间距的计算公式为

(1)

式中，L为第一时间起爆的装药孔与空孔间距，mm；D为空孔直径，取140 mm；d为装药孔直径，取 140 mm；n为补偿系数，取1.7。

经计算，L=261.4 mm。

第一时间起爆的装药孔与空孔间距的计算公式为

L′=(2～4)d+D/2 .

(2)

经计算，L′=350～630 mm。

由于掏槽孔为大孔径，钻孔深度为21 m，孔间距过小，可能出现穿孔，故本研究L′=400 mm。

首响掏槽孔与每个空孔形成的槽腔空间相对较小，应尽可能扩大槽腔，增加4个扩槽孔，4个扩槽孔至空孔的间距L=750 mm。掏槽孔与2个空孔按桶形掏槽布置，掏槽孔与空孔均匀布置于半径为300 mm的圆上。

2.2.2 周边孔间距

掏槽孔破碎后，辅助孔爆破应确保补偿系数n>1.8，周边孔间距为1 000～1 500 mm，中孔切割巷周边孔至辅助孔的间距为1 500 mm。经验算n=2.25～3.25，满足补偿系数要求。李楼铁矿-325～-350 m 水平11#川风井炮孔布置形式见图1。

图1 11#川风井炮孔布置式

2.3 分段高度

当补偿系数n<0.5时，分段高度宜取2～5 m；当n=0.5～0.7时，分段高度取5～8 m；当n>0.7时，分段高度宜取8～10 m。本研究11#川风井爆破分3次进行，第1分段高度5 m，第2分段高度6 m，第3分段破顶高度10 m。

2.4 装药结构

掏槽孔采用耦合装药结构(图2)[11]，炸药采用颗粒铵油炸药(25 kg/袋)，自然倒药装药密度为 15 kg/m，孔底堵塞长度0.5 m，第1层装药高度 4 m，间隔1.0 m，采用沙子间隔，第2层装药高度 3 m，顶部沙子堵塞1.5 m。

图2 装药结构

2.5 炮孔填塞长度

本研究设计11#川风井试验深度为18.5 m。孔底堵塞采用钢丝吊预制沙袋，用河沙填塞。孔底填塞长度为0.5 m，分段间隔填塞长度为1 m，孔口填塞长度为1.5 m。为确保槽腔内形成槽腔和底部空区的气压差，加速抛渣，提供足够的补偿空间，在空孔孔口用沙子堵塞1.5 m。

2.6 起爆方法和顺序

爆破采用非电起爆系统，为确保起爆可靠，每个炮孔内每层装药长度内各置2发雷管，每发雷管均装起爆弹[12]。顾及到补偿空间问题，宜首先爆破形成裂缝，为后续爆提供自由面。在同一分段内首响掏槽孔与其他副掏槽孔之间的微差时间间隔为50 ms，副掏槽孔内微差时间间隔为50 ms，辅助孔与副掏槽孔爆破的微差时间间隔为50 ms，辅助孔之间的微差时间间隔为50 ms，周边孔与辅助孔的微差时间间隔为50 ms，周边孔之间的微差时间间隔为50 ms，对于8 m高分段，须确保下分段爆出空腔内的碎石下降4 m高度，上分段方可起爆。如果21 m 高天井分层3段一次爆破完成，上分段与下分段的微差时间间隔应为500 ms。

3 效果评价

-325～-350 m水平11#川风井分3次爆破，爆破基本达到了预期效果，天井断面基本规整，所掘风井满足通风要求(图3)。

图3 爆破后切割井效果

中深孔爆破成井技术相对于天井普通施工方法而言，优势在于：①作业安全，施工人员可在硐室内或巷道内工作，无需进入天井内施工，无需搭建平台进行高空作业，爆破施工点顶板、边帮无浮石，作业点受炮烟影响较小；②工期短，爆破成井施工减少了高空平台架设，凿岩、爆破可以连续工作，有效作业时间得以延长，1条井可以缩短工期将近7 d；③成本低，无需依靠外委队伍施工，可以自行组织矿山技术人员施工，且工人劳动强度较低，每条天井施工可以节约外委费用近6万元。

4 结 语

为进一步提升安徽李楼铁矿切割井施工效率，提出采用中深孔爆破工艺进行切割井施工的技术方案，并详细讨论了爆破施工技术参数，成效显著,对于类似矿山天井施工也有一定的参考价值。