地下开采矿山天井成井技术方案优选及应用

孙长坤 于永纯 魏晓明

摘要：针对保山金厂河铅锌矿矿体赋存条件，对天井施工技术方案进行选择。分析了普通钻爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法、天井钻机成井法的适用条件，采用定性和定量相结合的评价方法，对各成井方法进行了评价，按照经济对比、质量对比、进度对比、安全对比得出综合评分，最终确定最优方案。主溜井、采区溜井和采场溜井采用天井钻机成井法成井，采场切割井采用VCR爆破成井法成井，回风井采用普通钻爆法成井。根据天井的不同用途，灵活采用不同的成井技术，工程应用效果较好。

关键词：天井;一次成井;普通钻爆法;VCR爆破成井法;天井钻机

中图分类号：TD262.1+1

文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2022）02-0057-04

doi：10.11792/hj20220210

引 言

在金属矿山开采过程中，天井的应用十分广泛[1]，如矿区主溜井、采区溜井、采场溜井、人行材料井、切割井等。天井的掘进是矿山生产中至关重要的施工环节[2]，天井安全、及时施工直接决定着采矿工作的开始和完成进程。因此，天井的钻凿、爆破和施工技术一直是矿山行业研究人员和现场技术人员关注的关键技术。

目前，天井的掘进方式主要采用钻爆法[3]，其中又以普通钻爆法应用最为广泛，常规的施工方法虽然已经使用多年，但是存在施工环境差，施工效率低、成本高等多种问题[4]。深孔爆破法掘进天井，是20世纪50年代发展起来的一种爆破技术，又称为一次爆破成井技术，适用于天井、溜井、切割井和充填井等垂直或急倾斜巷道，近些年一次爆破成井技术逐渐在地下开采矿山、露天开采矿山和隧道工程等施工中被广泛使用。在大直径深孔采矿中，VCR爆破成井法是深孔爆破成井的主流方法之一，起源于VCR采矿法，是基于利文斯顿爆破漏斗理论下向分层爆破成井的一种方法，业界对VCR爆破成井法的研究也较多。近年来，天井钻机设备发展迅猛，中国从20世纪50年代末开始进行钻井法凿井技术研究，经过多年研究与实践，形成中国特有钻井法凿井技术，为解决中国复杂地层井筒建设，作出了巨大贡献[5-8]。

保山金厂河矿业有限公司（下称“金厂河铅锌矿”）位于云南省保山市隆阳区瓦窑镇金厂河，采用斜井开拓，天井工程量多，如何根据天井的使用性质合理地选用施工方案成为了一项值得研究的问题。本文从成井的经济、质量、进度、安全性等方面进行分析，给出合理的建议，为矿山安全高效回采提供技术支撑。

1 工程概况

金厂河铅锌矿主矿体为低品位缓倾斜中厚矿体，平均厚度40 m左右，主要采用大直径深孔侧向崩矿充填采矿法进行回采，占比78 %，共设计40个采场，采场宽度为15 m，高度平均为40 m，长度平均为120 m，为典型的大结构参数采场。根据采矿方法及采场布置，采用两步骤进行回采，一步骤回采矿房，二步骤回采矿柱，矿房矿柱交替布置，各占50 %。采用斜井开拓，设计能力1 500 t/d。2#斜井为箕斗提升井，箕斗装载硐室水平为1 635 m，铅锌矿石主溜井及铜矿石主溜井井口及井底标高分别为1 720 m与1 635 m。经统计：主溜井井深共190 m，采区溜井120 m，采场溜井1 200 m，采场切割井1 600 m，回風井600 m，充填回风井640 m;主矿体共计需竖井工程量为4 350 m，结果见表1。

根据天井的使用性质、使用年限、直径（断面）大小、井深长短、施工安全、施工进度等综合考虑选择施工天井的技术方案。本文就普通钻爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法及天井钻机成井法针对不同性质天井进行对比研究，优选最佳方案。

2 成井技术方案

目前主流的成井技术方案分为普通钻爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法和天井钻机成井法。本文以金厂河铅锌矿设备及技术为工程背景，根据不同天井的使用性质和使用年限等，阐述各种成井的技术方案。

2.1 普通钻爆法

普通钻爆法即人工成井法，自下而上钻孔-爆破。以2.5 m天井为例，采用气腿式手抱钻机，钻杆长度2.5 m，实际孔深2.2～2.3 m，每茬炮循环进尺2 m，其中布设掏槽孔7个，小辅助孔4个，大辅助孔4个，周边孔8个，炸药单耗0.8 kg/t。炮孔布置见图1。循环后架设人行梯，并搭设人工操作平台进行下一个循环。其工序分为钻孔凿岩-爆破-出渣。

2.2 一次爆破成井法

一次爆破成井法掘进天井的技术出现至今有30余年的历史，由于它具有成本低、效率高和安全可靠等优点，主要适用于采场切割天井掘进。所谓“一次爆破成井”就是沿井的全高钻凿一组平行的深孔，然后一次装药爆破，从而完成符合设计要求的掘进工程掘井工艺。但是，在有色冶金矿山，这一技术并未被很好加以利用，尤其是在国内应用较少。由于金厂河铅锌矿切割井均较深，一次爆破成井所需炸药量非常大，受爆破震动及单响药量限制，目前金厂河铅锌矿暂未采用一次爆破成井法。

2.3 VCR爆破成井法

使用国产T150钻机自凿岩硐室向下钻凿孔径为165 mm的钻孔，孔深为凿岩硐室底板至底部受矿硐室顶板。钻孔间排距为3.0 m×2.8 m，掏槽区加密孔，使得孔间距为2 m左右，掏槽井断面为6.0 m×5.6 m，采用VCR爆破成井法拉槽，采用1号岩石乳化炸药，炸药长500 mm、直径145 mm，间隔装药，孔底堵孔长度为2 m左右，3卷药为一组，组与组之间采用1.2 m竹筒间隔，孔内双导爆索，孔与孔间微差起爆，每次拉槽高度为5～6 m，炸药单耗为0.45 kg/t，直至掏槽区爆破成井后再以掏槽区为自由面及补偿空间进行侧向崩矿。金厂河铅锌矿VCR爆破成井法切割井炮孔布置见图2。

2.4 天井钻机成井法

采用天井钻机成井法施工天井前期准备工作时间较长，但成井速度较快，井壁质量好。天井钻机釆用由上向下钻进导孔，然后由下向上扩孔的施工工艺。和爆破刷大的导井不同，采用天井钻机成井法，需要一次扩孔到所需直径，钻进直径1.5～3.0 m，破岩面积增大13倍。大体积破岩釆用盘形滚刀和镶齿滚刀，通过大扭矩为盘形滚刀和镶齿滚刀提供动力，完成破岩。金厂河铅锌矿采用的天井钻机见图3。

3 成井技术方案优选及应用

金厂河铅锌矿天井工程量多，如何根据天井的使用性质合理地选用施工方案成为一项值得研究的课题。本文根据成井的经济、质量、进度、安全性等条件，采用赋值法进行分析，选取最优的成井技术方案。将最优的取3分，次优的取2分，不优的取1分，不满足条件的取0分。采场切割井断面大，普通钻爆法无法一次扩刷到断面规格，要通过多次扩刷才能实现采场切割井断面，故定义为不满足条件;天井钻机钻进最大直径为3 m，也无法一次形成采场切割井的大断面，定义为不满足条件。金厂河铅锌矿采场及采区回风井均较短，若采用VCR爆破成井法成井，需在回风井上口开凿钻机硐室，浪费工程量，定义为不满足条件;若采用天井钻机成井法成井，需在回风井上口开凿天井钻机硐室及排水设施，浪费工程量，定义为不满足条件。充填回风井也较短，VCR爆破成井法和天井钻机成井法均不满足条件。

3.1 经济对比分析

根据各方案成井单价，进行经济对比分析，结果见表2。

3.2 成井质量对比分析

根据成井情况、井壁光滑度等，分析各成井方案成井质量，结果见表3。

3.3 成井进度对比分析

根据现场施工进度，分析各方案成井进度，结果见表4。

3.4 成井安全对比分析

根据成井安全性，分析各方案成井施工安全，结果见表5。

3.5 各方案综合评价

将表2～5中对应位置得分相乘，得到各方案施工各种天井的综合得分，结果见表6。

由表6可知：主溜井、采区溜井、采场溜井选择天井钻机成井法施工方案最优，采场切割井采用VCR爆破成井法施工方案最优，回风井、充填回风井采用普通钻爆法施工最优。但是，实际工程施工中，当采场溜井较短时，采用天井钻机成井法浪费工程，因此可采用普通钻爆法成井。当回风井和充填回风井较深时，为达到经济最优、安全性较好，可采用天井钻机成井法。

3.6 工业应用

根据上述成井方案综合得分，金厂河铅锌矿按该方法确定最优的成井方案。其中，铅锌矿石主溜井（95 m）、铜矿石主溜井（95 m）、C采区溜井（65 m）、25#采场溜井（50 m）采用天井钻机成井法成井，具有井壁光滑，施工速度快，安全性好等优点;15#、19#、23#采场切割井（采场高度40～50 m）采用VCR爆破成井法，具有施工速度较快，安全性较好等优点;15#、19#、23#采场溜井（20～30 m）、回风井（10～20 m）采用普通钻爆法成井，具有灵活性好，前期准备工作时间少，可根据需求快速成井的优点。

4 结 论

根據各天井的功能，采用3种成井方案分别就成井的经济、质量、进度、安全性等对比分析，得出了相应的分数，并统计了综合得分，得出以下结论：

1）主溜井、采区溜井、采场溜井选择天井钻机成井法施工方案最优，当采场溜井较短（小于30 m）时可采用普通钻爆法施工方案。

2）采场切割井采用VCR爆破成井法施工方案最优。

3）回风井、充填回风井采用普通钻爆法施工最优，当回风井、充填回风井较深时（大于50 m）可采用天井钻机成井法施工方案。

[参 考 文 献]

[1] 周传波.深孔爆破一次成井模拟优化与应用研究[D].武汉：中国地质大学，2004.

[2] 马志慧.矾山磷矿切割井中深孔一次成井爆破技术[J].中国矿山工程，2019，48（2）：23-25.

[3] 刘志强.大直径反井钻机关键技术研究[D].北京：北京科技大学，2014.

[4] 姜科.切割井一次爆破成井实践[J].金属矿山，2003（1）：11-12.

[5] 姚囝，叶义成，王其虎，等.分段采矿法切割立槽施工方案的优选[J].矿业研究与开发，2013，33（6）：15-19.

[6] 彭锦浩.VCR掏槽+侧崩成井机理及应用研究[D].赣州：江西理工大学，2020.

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