新城金矿新主井深孔爆破技术*

赵兴东，郑建新，陈玉民，王成龙，王玺，王剑波，宋召法

(1.东北大学 采矿地压与控制研究中心，辽宁 沈阳 110819；2.山东黄金集团有限责任公司，山东 济南 250101)

1 工程概况

新城金矿新主井井筒净直径为Φ6.7 m，井口标高+32.9 m（地表+32.7 m），井底标高−1494.1 m，井筒深度为1527 m。井身正常段采用素混凝土支护，支护厚度300 mm（−622 m 标高以上）和400 mm（−622 m 标高以下），混凝土强度为C25；施工过程中在通过Ⅲ～Ⅳ级破碎岩层时采用树脂锚杆加钢筋网加混凝土的支护形式，混凝土强度为C25；在通过Ⅴ级极破碎岩层时采用树脂锚杆加钢筋网、喷砼、钢筋混凝土的支护形式，喷砼50 mm，浇筑钢筋砼350 mm，喷射混凝土强度等级为C25，浇筑混凝土强度等级为C30；在马头门梯子梁处，井筒混凝土支护应提前预留梁窝或支护后凿梁窝。工程内容主要包括竖井井筒掘砌、马头门、井筒绕道、各水平平巷、电缆敷设硐室、管子道、大件道、皮带道、计量装载硐室、粉矿回收平巷等掘砌工程，各水平掘砌15 m。

新主井位于新城金矿生产区内。矿区以脆性断裂构造发育为特征，控制矿体的主体构造为焦家断裂，与其派生的侯家断裂、河西断裂共同组成了控矿断裂系统。井颈段岩石硬度系数f=4～6；井身段f=6～8。影响竖井施工的水文因素主要为风化裂隙水和基岩裂隙水，涌水量大，基岩裂隙水均赋存于裂隙中，连通性和富水性均较强。地下温度较高，对井下工作人员工作环境具有一定影响。爆破工程的井筒直径大，净直径为6.7 m；井筒深度大，井深为1527 m，属于超深千米井，为了加快施工速度，必须配备超深井机械化施工设备，加大凿岩、提升、装岩能力。

2 施工机械设备

2.1 凿岩设备

采用FJD-6.7 新型液压高效伞钻，液压压力大，凿岩速度快，能满足钻凿坚硬岩石的要求；凿岩深度大，可钻凿4.3 m 钻孔；节省能源，噪音低，无粉尘污染，作业环境较好。新城金矿新主井系超深千米井，FJD-6.7 新型液压高效伞钻可满足迅速成井深孔爆破的要求。FJD-6.7 新型液压高效伞钻[1]见图1，基本性能参数见表1。

表1 FJD-6.7 竖井伞钻性能参数

图1 FJD-6.7 液压伞钻

采用QKJ-92 气动潜孔钻机，潜孔钻机冲击能量损失不随钎杆的加长而增加，可钻凿大孔直径的深孔，工作面噪音大大降低，钻进速度快，机械化程度高，辅助作业时间少，提高了钻机的作业率；机动灵活，钻孔质量高，能钻凿中硬或中硬以上（f≥8）的岩石。QKJ-92 气动潜孔钻机可满足新城金矿超千米新主井马头门及井筒相连接硐室的深孔爆破的要求。QKJ-92 气动潜孔钻机见图2，基本性能参数见表2。

表2 QKJ-92 气动潜孔钻机性能参数

图2 QKJ-92 气动潜孔钻机

2.2 装岩设备

采用两套HZ-6B 中心回转抓岩机，其故障率低，抓岩效率高，加大了抓岩能力。能保证快速出碴，提高深井爆破开挖效率。HZ-6B 抓岩机见图3，性能参数见表3。

图3 HZ-6B 抓岩机

3 爆破参数设计

根据围岩的硬度系数（f=4～8），设计出一种与之匹配的凿爆图表。施工时根据现场围岩情况和爆破材料性能实时反馈，及时调整爆破参数，以取得最佳的爆破效果。依据爆破安全规程和现场实际对爆破参数进行设定与计算，爆破原始条件见表4。

表4 爆破原始条件

3.1 掏槽形式和参数

本方案采用双阶等深直线掏槽。深竖井爆破中，掏槽是至关重要的步骤，直接影响后期爆破的效果。掏槽的形式根据井巷断面、岩石性质和地质构造等条件确定。现在使用较多的是斜眼掏槽（圆锥形掏槽）和直眼掏槽（直孔桶形）[2]，采用现场最为常用的是直眼掏槽，其孔角度易于控制且易于钻凿，有利于提高凿岩爆破效率和减少飞石危害，符合快速安全成井的要求。由于本爆破系深竖井深孔爆破且围岩硬度系数f＞6，所以宜采用双阶掏槽。通过以上分析，根据相关经验[3−4]，决定新城金矿新主井采用双阶等深直线掏槽，一共布置5 圈掏槽眼。两阶炮孔呈现圆形布置，炮孔深度均为4.3 m，第1 圈掏槽眼的眼圈径是1800 mm，共有8 个炮眼，眼间距710 mm，眼倾角为90°，眼深为4.7 m。第2 圈掏槽眼的眼圈径是3200 mm，共有12 个炮眼，眼间距837 mm，眼深为4.5 m。第3 圈掏槽眼的眼圈径是4600 mm，共有16 个炮眼，眼间距903 mm，眼倾角为90°，眼深为4.5 m。第4 圈掏槽眼的眼圈径是6000 mm，共有22 个炮眼，眼间距857 mm，眼深为4.5 m。第五圈掏槽眼是周边孔，眼圈径是7400 mm，共有44 个炮眼，眼间距506 mm，眼倾角为89°，眼深为4.5 m。

3.2 周边光爆孔参数

光面爆破[2]的实质是在井巷掘进设计断面的轮廓线上布置加密的周边孔，减小药包直径及装药量，以便控制炸药爆炸能量及其作用，降低爆破冲击波的的峰值压力，减小破坏周围产生的压碎区，生成平整的断裂面。较好的光面爆破效果可以保证井筒成型规整，减少对周边围岩的破坏。立井光面爆破质量主要取决于周边眼的爆破参数。新城金矿新主井周边眼的眼圈径是7400 mm，共有44 个炮眼，眼间距506 mm，眼倾角为89°，眼深为4.5 m。

3.2.1 光面爆破层厚度

光面爆破层厚度（光面爆破层的最小抵抗线）与炮孔直径有如下的关系[5]：

式中，W为光面爆破层厚度，mm；d为炮孔直径，mm，根据经验取650 mm。

3.2.2 光面炮孔孔距

光面炮孔孔距是孔径和不耦合装药系数函数，当孔径和不耦合系数确定时，可以由此选定合理孔距，一般有如下的关系[2]：

式中，a为炮孔孔距，可依据计算和工程实际来确定孔距506 mm。

3.2.3 炮孔装药系数

炮孔装药系数即装药长度和炮孔长度的比值，见式（3）[6]：

式中，Δ为装药系数；L药为炮孔装药深度；L为炮孔长度。

适当的装药系数应该保证沿着炮孔连线形成贯穿裂缝，保持新生成壁面完整稳固。根据施工经验，光爆孔和掏槽孔装药长度分别是2.7 和4.0，炮孔深度分别为4.5 和4.7，计算得出炮孔装药系数为0.6 和0.7。

3.2.4 炮孔个数

竖井掘进断面包括掏槽眼和周边光面孔，炮孔总数计算见式（4）[7]：

式中，N为炮孔总数，个；q为单位炸药耗量，取值2.4 kg/m3；s为竖井掘进的面积44.18 m2；L药为药卷长度；η为炮孔利用率，通常取0.8～0.9，根据现场爆破效果取0.89；G为药卷重量，经计算并参考工程实际取102 个孔。

3.3 炮眼布置

根据井筒围岩的硬度系数f=4～8 坚固特性进行炮眼的布置设计，并经过实践选取最优爆破参数，炮眼的布置如图2 所示，爆破参数见表5，图4（左）从内而外从第1 到第5 圈，第1，2，3，4圈为掏槽眼圈，第5 圈为周边眼圈，图4（右）为炮孔纵向剖面图。

图4 钻孔布置

表5 凿岩爆破参数

4 爆破施工

采用FJD-6.7竖井伞钻配合QKJ-92气动潜孔钻机钻眼，按定人、定机、定眼位的“三定”方法进行凿岩，以保证凿岩质量，提高凿岩效率。每次钻眼前应清至实底，施工人员按设计尺寸标出开挖轮廓线及各炮孔位置。凿岩时选取柱齿钎头，在相同条件下可比十字型钎头凿岩效率提高25%～35%；优化炮孔直径和炸药药卷直径，使爆破不耦合系数更合理，爆破效果更好。

工作面炮眼采用等深锅底形布置，采用双阶等深直眼掏槽方式。掏眼采用直径Φ40 mm 岩石乳化炸药连续装药，周边眼采用Φ32 mm 的岩石乳化炸药不耦合装药，均使用非电毫秒导爆管雷管起爆，采用由内到外的爆破顺序。为保证光爆效果，应严格执行光面爆破作业程序。

爆破主要经济技术指标见表6。

表6 主要技术经济指标

5 结论

（1）在当前竖井施工仍然以钻爆法为主要方法的情况下，竖井采用深孔爆破是实现高效、优质、机械化凿井的重要途径[8]；

（2）采用周边光面爆破提高了竖井井壁质量，为后续工作提供便利；

（3）采用伞钻配合大型的风钻钻孔，为钻凿大直径深孔提供了有利条件，同时提高清渣出岩的机械化，以更好发挥钻爆法的优越性，加快竖井施工进度。

新城金矿采用以上关键技术，得到爆破炮孔利用率为89%，竖井开挖月进尺达到100 m。这些施工经验可以为深竖井快速施工提供参考。