井下特大規模爆破研究與實踐*

歐任澤,宋嘉棟,曾慧明,張宗生

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司,湖南郴州市 423037)

井下特大規模爆破研究與實踐*

歐任澤1,宋嘉棟1,曾慧明2,張宗生2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司,湖南郴州市 423037)

柿竹園多金屬礦床經過多年開采后,井下存在大量的采空區與礦柱群。采用大規模爆破實施一次性同步回采礦柱與空區處理。介紹了爆破方案,總結了特大規模爆破實踐的經驗,為類似工程提供了成功范例。

特大規模爆破;爆破方案;礦柱回采;空區處理

1 工程概況

柿竹園多金屬礦床存在大量的采空區與礦柱群,采用大規模爆破方式進行礦柱回采協同處理采空區。礦柱回采從采區西北角開始,呈北東向斜線向東南方向推進。自2006年,采區西北角成功實施“天窗大爆破”形成泄壓天窗后,基本進入了正常的礦柱回采和空區處理。至2009年底,1盤區K1-1、K1-2、K1-3、K1-4,2盤區K2-1、K2-2、K2-3和3盤區K3-1等采場所對應的頂板礦體及其之間的間柱已全部回采,采空區被崩落礦石和圍巖充填。

如繼續按照原計劃的采礦順序推進,下一步的礦柱回采范圍大致為:沿西北角大空場邊界線,呈北東向斜線向東南方向推進一個礦房和一個間柱。但由于3盤區的K3-4、K3-5之間的房間礦柱已被抽采,形成暴露面積約3500m2、體積約30萬m3的連續大空區;4盤區的K4-3、K4-4之間的房間礦柱已被抽采,形成暴露面積約3500m2,體積25萬m3的連續大空區。大空場區域周圍的P3、P4礦柱有明顯的破壞,并在不斷加劇。K3-4、K3-5、K4-3、K4-4大空場和西北角大空場之間的K3-2、K3-3礦柱猶如“千斤頂”,承受的壓力越來越大,破壞程度越來越高(見圖1)。

由于礦柱與采空區特殊的位置關系,如對K2-4、K3-2等礦柱進行大規模爆破回采,勢必對鄰近的大空區造成更嚴重的破壞,給后續的礦柱回收留下安全隱患。因此,需對大空區周圍和西北角之間礦體:K2-4、K3-2、K3-3、K3-4、K3-5、K4-1、K4-2、K4-3、K4-4頂柱及其相鄰盤間柱、房間柱558～603 m分段的礦體進行整體研究,確定下一步爆破回采范圍及回采順序。

圖1 礦柱、空區位置關系

爆破回采區域位于原315m×313m范圍的東北部,爆區主要為矽卡巖,夾有花崗巖,屬難爆類型。地表為馬鞍形陡峭山谷,東高西低,傾向西北,山坡角35°～42°,植被茂盛,主要為灌木林和小樹林。距爆區中心700m內,未見礦山工業廠房及居民住房,只有少量臨時工棚和簡易公路。山下有東坡甘港河和柿竹園至多金屬采場的公路。井下已形成380,490,514,536,558,586,610,620,630m等分段工程。爆區周圍100m內無主要固定設施設備。

2 爆破方案

2.1 爆破方案選擇

爆破的目的主要是回采礦柱和處理采空區。根據爆區各礦柱和空區的具體情況、相互關系,以及公司科學的施工組織管理水平,爆破方案主要有3種。

方案一:將整個爆破區域分4～5步驟實施。首先爆破崩落K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱;然后爆破回采K2-4頂板和房間礦柱礦體;再爆破崩落K3-4、K3-5頂板和盤間、房間礦柱礦體;最后爆破崩落4盤區的K4-3、K4-4以及K4-2、K4-1頂板和盤間、房間礦柱礦體(見圖2)。

圖2 爆破方案一

該方案每次爆破的炸藥用量為200～300t,施工組織較為簡單。但當K3-1、K3-2或K2-4區域爆破后,爆破振動的破壞以及地壓的轉移,將導致K3-4、K3-5大空場區域周圍礦柱受到嚴重的破壞,特別是鄰近大空區段的P3、P4段礦柱,分別布置有33#、34#和39#鑿巖天井控制頂板礦體。該段礦柱一旦垮塌,將導致K3-4、K3-5大空場的頂板礦體無法回收。

方案二:將整個爆破區域分4步驟實施。首先爆破崩落K3-4、K3-5和K4-3、K4-4兩處大空區頂板及其盤間礦柱礦體;之后爆破回采K2-4頂板和房間礦柱礦體;再爆破崩落K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱礦體;最后爆破回采K4-1、K4-2頂板和盤間、房間礦柱礦體(見圖3)。

圖3 爆破方案二

該方案每次爆破的炸藥用量為200～300t,施工組織較為簡單。方案先處理了兩處大空區及礦柱破壞相對較嚴重的區域,大空區頂板及其相鄰礦柱爆破后形成了連續的大空場,使得大空區和西北角大空場之間的K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱猶如“千斤頂”,壓力越來越大,破壞程度越來越高。最終可能導致K3-2、K3-3頂板和盤間、房間礦柱區域無法進入,此區域礦體將無法安全經濟地回收。

方案三:將整個爆破區域分2步驟進行(見圖4)。第Ⅰ步驟爆破回采區,包括:K3-4、K3-5、K4-3、K4-4(西半部分)兩個連續大空場的范圍及相應的房間和盤間礦柱,K2-4頂柱礦體及相應的房間和盤間礦柱,K3-2、K3-3礦塊相應的房間和盤間礦柱3部分。一次爆破崩落礦石,處理采空區,避免了因某一處爆破對其他區域造成的影響,技術可靠。但一次爆破裝藥量大,初步估算為800～850t,施工組織管理困難。第Ⅱ步驟爆破回采區包括:K4-1、K4-2頂柱,K4-3、K4-4礦塊(東半部分),P4盤間礦柱和C2、C3房間礦柱,總礦量約108.7萬t,一次爆破裝藥量約400～450t。

圖4 爆破方案三

綜上所述,方案一和方案二,將整個爆破區域分4～5次實施,每次爆破的炸藥用量控制在200～300 t。公司已多次組織實施了此規模的爆破,在技術和施工組織上積累了一些經驗。但無論先爆破哪個位置,大規模爆破振動的破壞作用以及爆破后地壓的轉移,將對其他區域礦柱產生嚴重的影響,為后續的礦柱回采留下重大的安全隱患。方案三,通過精心設計和科學、嚴密的施工組織管理,可以確保在規定時間內完成裝藥、連線工作,按時施爆。一次爆破崩落礦石,處理采空區,將避免因某一處爆破而對其他區域造成的安全隱患,技術可靠。綜合上述分析,方案三優點突出,因此推薦采用方案三。

2.2 爆破方案

(1)Ⅰ步驟爆破回采區,主要包括3個部分。第1部分:K3-4、K3-5、K4-3、K4-4(西半部分)兩個連續大空區的范圍,K3-4礦塊570～610m礦體,K3-5礦塊586～610m礦體及K3-4/5相應房間柱;K4-3、K4-4礦塊558～603m分段西半部分礦體;C4(P3～P4)東半段及P4盤間柱K4-4礦塊和C4所對應的礦體。第2部分:K2-4頂柱礦段及P2盤間柱的回采,558～603m分段P3盤間柱(K2-4～K2-3),558～603m分段2盤區及3盤區西半部分C4房間柱回采。第3部分:K3-2、K3-3礦塊;P3盤間柱C3以北部分礦體,P4盤間柱K3-3礦塊對應區域;3盤區C3房間柱及C4房間柱西半部分礦體。

(2)Ⅱ步驟爆破回采區:558～603m分段29#、30#鑿巖天井控制的K4-1礦塊及41#、42#鑿巖天井控制的K4-2礦塊;40#鑿巖天井、加40#鑿巖天井控制的K4-3、K4-4礦塊558～603m東半部分礦體;P4盤間柱K4-1、K4-2礦塊及C2、C3對應的區域;4盤區C2、C3房間柱。

各鑿巖天井所控制頂板礦體采用QZJ-100B潛孔鉆鑿水平扇形孔以采空區為自由面爆破,房間、盤間礦柱回采采用YGZ-90鉆上向扇形孔以采空區和切割槽為自由面爆破。水平孔、上向扇形孔各爆破區域相對獨立,均以各自的自由面爆破(見圖5、圖6)。

圖5 爆破方案平面

3 爆破設計與施工

(1)井巷工程主要有鑿巖平巷、鑿巖天井及其硐室、切割槽、切割平巷、切割井以及措施井、措施巷。

(2)根據礦山實際經驗以及爆破漏斗試驗,炸藥單耗q=0.42～0.45kg/t。采用YGZ-90鉆機施工上向扇形炮孔,直徑d=60mm,抵抗線(排距)W=1.2m,炮孔最大孔底距a=2.0～2.6m,孔深8～15m。采用QZJ-100B型潛孔鉆機施工水平炮孔,直徑d=110mm,抵抗線W=2.0～2.2m,炮孔最大孔底距a=3.2～3.5m,孔深15～40m。

圖6 爆破方案剖面

(3)炮孔總量:304972m。其中:Φ60mm鉆孔186248m;Φ110mm鉆孔118724m。

(4)Ⅰ步驟爆破回采區,爆破設計炸藥總消耗量821291kg,雷管19045發,崩礦量188.6萬t;Ⅱ步驟爆破回采區,爆破設計炸藥總消耗量465506 kg,雷管9273發,崩礦量108.7萬t。

(5)水平扇形孔,按照每排炮孔一段雷管的原則,從下往上依次爆破,采用澳瑞凱雙雷管,孔內全長敷設導爆索;上向扇形中深孔,558～603各分段,下分段超前上分段1～2段爆破,即上下分段微差間隔時間為25～50ms。采用導爆索-導爆管微差雷管復式起爆系統。孔中或孔底單雷管、YGZ-90鉆炮孔前排及靠近切割槽的前后兩排孔內需全長敷設導爆索起爆。

(6)爆破危害控制。井下大規模爆破產生的有害效應主要有:爆破震動、爆破空氣沖擊波、爆破有毒氣體。

為降低爆破震動影響,合理地分布了各段別雷管炸藥量,盡量減少同段起爆藥量。采用爆破質點振動速度公式計算驗證爆破附近各建筑物質點振動速度,重要建筑物及工程均為安全。

井下爆破空氣沖擊波超壓計算結果表明:爆破的空氣沖擊波超壓均會對爆破區100m范圍內的工程及設施造成一定危害。設計在主要巷道建阻波墻、采空區預留緩沖墊層等措施控制,減小爆破空氣沖擊波超壓,保護敏感設備設施。

爆破后井下加強通風,在出礦運輸巷及出礦穿,根據需要安裝局扇,對空區強制吹風,使有毒氣體低于安全規程規定的最大允許濃度,在井下巷道空氣質量檢驗合格后,方可進行工作。

(7)在爆破工程施工過程中,針對爆區周圍進行了大量地壓控制技術工作,建立了聲發射監測、微震監測等礦山地壓監測預報系統,確保了項目實施過程的安全可靠。

(8)在充分總結以往大規模爆破成功經驗的基礎上,對爆破施工組織進行了更嚴謹、更細致、更周密的設計和安排。兩次爆破分別在6d和3d內完成裝藥、聯線作業,順利實施爆破。

4 爆破效果與體會

爆后檢查,爆區無拒爆現象,爆破崩落礦石塊度好,大塊率低,成功處理了該區域空區存在的安全隱患。微震監測系統監測結果表明,爆破后30min內,有大量的事件數,30min后則事件數急劇下降,爆區周邊范圍趨于穩定。爆破地震效應檢測結果表明,各重要建筑物及工程附近振速均小于允許最低標準,達到了預期的爆破效果。此次特大規模爆破實踐的體會如下:

(1)大規模爆破一次性同步進行礦柱回采與空區處理的回采區,各爆區為獨立的回采單元,爆破抵抗線方向各異,崩落礦石相互擠壓、碰撞破碎,各爆區形成的爆破空氣沖擊波、爆破震動波相互抵消衰減;

(2)爆破方案、施工組織應精心設計、周密的部署,并嚴格按照設計進行,防止安全事故;

(3)爆破采用的技術合理、有效、綜合成本較低、效果顯著,可在類似工程中推廣使用。

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[3]長沙礦山研究院.國家十一五科技攻關項目專題“特大空區環境下安全開采技術研究”報告[R].長沙:長沙礦山研究院,2010.

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“十一五”國家科技支撐計劃(2006BAB02B05).

2012-03-22)

歐任澤(1982-),男,湖南郴州人,工程師,主要從事采礦工藝和爆破技術研究、設計工作。