深孔爆破一次成井技术在铜绿山矿的应用

徐 喜

(大冶有色金属公司铜绿山矿， 黄石 大冶 435101)

1 前言

天井是井巷工程及矿山采掘工程中重要的工程之一，其常规的掘进方法有吊罐法、爬罐法以及普通法，这些方法共同点是凿岩设备简单、工艺流程简单，但存在成本高、效率低、劳动强度大、机械化作业水平低、职工职业健康卫生无法保证等缺点。随着凿岩爆破技术、机械设备水平及安全环保要求的逐渐提高，在国内的大部分矿山，已逐渐被效率更高的方法所取代，目前仅在少数及机械化水平较低的矿山使用。近年，反井钻机的发展迅速，采用其可施工1.5～3m的天井，具有安全条件好、施工简单、周期短等优点，但却有移机复杂、施工准备周期长、费用高、实施条件要求高等缺点，在一定程度上受到了不小的限制[1]。

深孔爆破一次成井是利用深孔钻井施工天井全高的平行深孔，进行一次或多次装药爆破，形成一种天井掘进技术，其具有效率高、安全程度高、成本低等优点，对凿岩设备及爆破工艺具有极高的要求[2]。在深孔爆破成井技术方面，国内外工程技术人员进行了大量研究，取得很多研究成果，如李金跃等[3]采用多孔球状药包爆破成井技术，一次成井深度达到32m；李延春等[4]研究了深孔爆破成井技术中爆破工艺的微差间隔时间，并将成功用于矸石仓的掘进；赵井清[5]等为了解决爆破夹制性问题，提出深孔预裂球状药包爆破一次成井技术，并进行了现场应用。

2 工程概况

铜绿山矿已进入深部开拓阶段，为了提高开拓效率，减少基建时间，在天井掘进方面，进行了深孔爆破一次成井技术的研究，以替代普通法。

进入深部后，矿岩抗压强度为133.64MPa，密度为3.8×103kg/m3，抗拉强度为1.26MPa，f系数为8～12，弹性模量为25.63 MPa，泊松比为0.28。上下盘围岩中等稳定，f系数为10，局部较为破碎，维护难度大。

3 深孔爆破一次成井模式的选择

依据装药结构及掏槽形式，可将深孔爆破一次成井分为平行孔掏槽一次成井及多孔球状药包一次成井两种模式，具体如图1所示。平行孔掏槽一次成井(图la)以平行空孔为自由面进行掏槽爆破，同层孔间采用微差起爆，以降低爆破夹制作用，降低爆破振动。但其受钻机钻孔精度、爆破夹制作用的限制较大，一次成井高度有限。多孔球状药包一次成井(图lb)是以爆破漏斗理论为基础，采用微差爆破+同段爆破的方式，逐段爆破一次成井，理论上受爆破夹制作用的影响较大。选择合适的一次成井模式，必须考虑的有岩石岩性、孔偏大小、成井高度和断面大小等因素，详见表1。

表1 爆破成井模式的使用条件

本文试验天井高度20m，炮孔偏斜小于1%，因此选用直孔掏槽成井模式。

4 爆破参数的确定

4.1 掏槽方式及炮孔布置

采用直孔掏槽的方式有很多，本次选用直桶掏槽，布置5个掏槽孔K1～K5，采用Simba261潜孔钻机施工直径165mm的炮孔，后扩孔至310mm。

围绕空孔布置4个炮孔扩帮孔，沿设计断面周围布置8个周边孔，要求沿断面轮廓眼均匀布置。炮孔布置如图2所示。

图2 炮孔布置示意图

4.2 掏槽、空孔距离的确定

由膨胀余量确定掏槽孔与空孔的距离为[6]

式中：W1——中心掏槽炮孔与空孔的距离；

r——炮孔直径；

R——空孔孔直径；

η——装药系数；

K——岩石膨胀系数。

经计算则可得出W1=495mm，保守取值W1=400mm。

4.3 起爆顺序及补偿系数的验证

掏槽眼逐孔起爆后，周边孔采用4个炮孔同时起爆的方式，爆破顺序：1→3→2→4→5、7、9、11→6、8、10、12，起爆顺序如图3所示。

根据确定的爆破顺序，1号炮孔以K1、K2、K5作为补偿空间，爆破量为S1；2号补偿空间为K1、K2、K3以及2号孔，爆破量为S2；3号补偿空间为S1+S2，爆破量为S3；4号补偿空间为S1+S2+S3，爆破量为S4；周边眼5～8以S4做自由面和补偿空间同时起爆，9～12号孔最后起爆，形成天井。计算每次起爆的补偿系数见表2，补偿系数均能满足起爆要求。

图3 起爆顺序示意图

表2 炮孔补偿系数计算表

5 装药与起爆

5.1 炮孔堵塞

炮孔堵塞采用河沙堵塞，堵塞长度需在700mm以上，采用钢丝悬吊沙袋封堵至孔底。

5.2 现场试验

设计采用乳化炸药，药卷规格为φ150mm×500mm，单个药卷7.5kg，首次爆破高度为8m，二次爆破高度为12m，合计20m。

首次爆破掏槽孔采用连续掏槽，单孔装药量为9个药卷，2.0m河沙封堵，周边孔采用轴向不耦合装药，单孔为7个药卷，间隔500mm，采用竹筒间隔，同样采用2.0m的河沙封堵。

根据相关理论分析及计算，微差间隔时间选取为1s，根据起爆顺序逐孔逐层爆破，雷管段位的排列见表3。

表3 第一次爆破雷管段位统计表

二次爆破设计分两层进行爆破，首层爆破掏槽及周边眼采用连续装药模式，单孔装药三条，采用河沙填塞，长度为800mm；二层同样采用连续装药结构，掏槽眼和周边眼单孔装药分别为4根和5根，采用河沙填塞，长度为1 200mm。起爆方式同首次爆破方式，其雷管段位的排列见表4。

表4 第二次爆破雷管段位统计表

爆破过程中，为了保证抛渣效果，在空孔内需设置吊装药包，位于首次爆破及二次爆破的首层装药高度以上30cm处，具体如图4所示。

图4 吊装药包位置示意图

5.3 天井爆破效果

实际爆破形成的天井断面如图5所示，经实际测量和计算，形成的天井断面和高度均达到生产及设计需求，炸药单耗为5.24kg/m3，且断面规整，达到了深孔爆破一次成井的目的。

图5 天井上部井口效果图

6 结论

(1)根据现场情况和天井成井要求，优选深孔爆破一次成井模式，并计算了深孔爆破成井参数。

(2)经过现场两次爆破试验，形成的天井断面和高度达到设计要求，深孔爆破一次成井的试验成功为今后类似工程提供了可靠的技术依据。

(3)深孔爆破一次成井技术的关键是控制炮孔偏斜率，尤其是中间的掏槽孔，如果孔深过大则炮孔精度不易控制，因此成井高度不宜过高。