平行“直孔桶形”掏槽爆破一次成井技術

2019-12-23 11:59:52陳國輝曾慧明

采礦技術 2019年6期

陳國輝，曾慧明，劉奇

平行“直孔桶形”掏槽爆破一次成井技術

陳國輝1，曾慧明1，劉奇2

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

為解決爆破一次成井天井深度低、補償空間不足、自由面不夠的問題，提出了直孔桶形掏槽技術，并研究了掏槽裝藥孔和空孔間距等爆破成井主要參數。經過對爆破機理詳細研究之后發現，當掏槽孔個數為8個（空孔和裝藥孔各4個）時，鑿巖施工容易且爆破效果好。以礦山一次爆破形成24 m天井為工程實例，證明該技術在超深孔爆破“一次成井”中可行，值得在其他類似礦山推廣應用。

直孔桶形掏槽;爆破一次成井;高深天井

0 引言

爆破一次成井技術指的是利用鑿巖臺車將爆破所需炮孔全部鉆鑿完畢后，全斷面一次性爆破形成天井的技術，這是一種全新的天井施工方法，該方法與普通的天井方法相比，更加高效、經濟和安全，因此該技術在工程運用中得到一定的推廣[1]。如柿竹園多金屬礦前期采用爆破“一次成井”技術成功實現兩個采場內切割井全斷面一次成形，兩切割井高度分別為7 m與13 m。目前一次爆破成井的成井斷面及成井高度主要受自由面及孔偏率限制，實現一次爆破形成深度超過20 m的天井還有一定的難度，因此，對爆破一次成井技術的研究非常有必要，意義重大。

為此，本文以柿竹園多金屬礦24 m高溜井爆破一次成井項目為依托，有針對性提出了直孔桶形掏槽技術，對掏槽原理進行分析后，得到了合理的網孔參數，最后通過現場爆破成井試驗驗證，結果證明參數設計合理，爆破效果良好，為高深度一次爆破成井技術的推廣提供了一個典型的示范案例。

1 掏槽工藝

掏槽是一次成井的核心，掏槽孔的布置及裝藥孔、空孔的確定、掏槽孔與空孔間距相關主要參數是導致成井成功與否的主因。

爆破一次成井大多采用若干個空孔和頂底部巷道作為爆破自由面，因此掏槽孔的布置是否合理就變得極為重要[2]。當前，國內外主要采用兩種掏槽方式，即螺旋掏槽和桶形掏槽。

螺旋掏槽的主要施工工藝是要先在井筒中心位置布置一個直徑不小于250 mm的空孔，然后在大直徑空孔四周呈螺旋方式施工若干個掏槽孔，爆破時，裝藥孔按照與大直徑空孔的距離由近及遠順序爆破[3]。這種掏槽方式炮孔施工數量最少，但地下礦山中深孔鑿巖臺車鉆孔直徑一般都小于165 mm，直徑250 mm以上的空孔需要用更專業的鑿巖設備才能鑿出。

桶型掏槽的主要施工工藝是按照方形、圓形或者菱形的方式間隔布置若干個裝藥以及不裝藥的掏槽孔，爆破時，首爆孔均以其附近的空孔為自由面進行爆破，其余炮孔各自附近的空孔和首爆孔爆破出的空間為自由面進行掏槽爆破[4]。這種掏槽方式所需炮孔數量比其他兩種掏槽方式多，但這種掏槽方式對炮孔直徑大小及位置精度要求較低，施工最方便。

綜合考慮炮孔施工的難易程度以及盡可能利用礦山現有的鑿巖設備，本次一次爆破成井試驗決定采用QZJ-100B型潛孔鉆機鉆鑿炮孔，鉆孔直徑110 mm，炮孔設計高度為24.0 m。QZJ-100B型潛孔鉆機一次性鉆好天井設計范圍內全部平行炮孔，按照炮孔均衡排布擇優選擇裝藥有效孔，裝藥孔及空孔對半均勻設置。

2 “直孔桶形”掏槽爆破一次成井技術

2.1 掏槽孔間距

不管采用何種掏槽方式，都需要空孔為裝藥孔爆破出來的礦巖提供補償空間，也就是說，每次爆破時，都必須保證要有足夠空間能容納被爆礦巖碎脹后的體積，被爆礦巖體積和補償空間之間存在如下關系公式：

式中：為礦巖的碎脹系數。

空孔和裝藥孔之間所需補償空間如圖1所示。

圖1 空孔和裝藥間所需補償空間

從圖1可以得知，掏槽過程中裝藥孔爆破下來的礦巖碎脹后的體積不能大于空孔和該部分礦巖原來體積之和，由此可以得到，空孔和裝藥孔之間所需要最小間距的計算公式：

式中，為空孔與裝藥孔之間的最小間距；為空孔的直徑，mm；為裝藥孔的直徑，mm。

柿竹園礦本次一次爆破成井試驗，掏槽裝藥孔和空孔的鉆孔直徑均為110 mm，礦巖的碎脹系數為1.55，按式（2）可得出，本次爆破試驗，空孔與裝藥孔之間的最小間距≤400.6 mm。

當取值越小時，爆破一次成井試驗掏槽爆破效果越好，但考慮到鉆機鉆孔時無法保證炮孔100%完成垂直，通常情況下，要求鉆孔偏斜率不超過0.5%，即鉆24 m長炮孔鉆孔底部最大可能產生120 mm偏斜，因此，取值不能小于240 mm。

空孔與裝藥孔間距需根據各裝藥孔爆破后所形成的碎漲空間大小來確定；在滿足碎漲空間的情況下，同時考慮到鉆鑿炮孔時不可避免會產生一定的偏斜，以及裝藥孔爆破后會在其周邊一定范圍（孔徑的4~6倍）內產生破碎帶[5]，因此，裝藥孔和空孔間距既不能太大也不能太小，太大（＞400.6 mm）爆破空間不夠，太小（＜240 mm）炮孔之間很有可能會相互貫穿。綜合考慮掏槽爆破質量及鉆孔施工難易程度，初步取值為350~400 mm。

2.2 掏槽布孔方案

（1）掏槽布孔初步方案。根據空孔與裝藥孔的適宜距離，決定采用2種方案實施掏槽孔，并分別計算這2種方案的補償系數。

方案1和方案2均在天井中心位置布置1個空孔。方案1以中心空孔為中心，在距離其350 mm圓環上，均勻分布6個炮孔，這6個炮孔之間相距367 mm（見圖2）；方案2以中心空孔為中心，在距離其400 mm圓環上，均勻分布7個炮孔，這7個炮孔之間相距359 mm（見圖2）。

圖2 掏槽布孔方案

圖2中，中間空孔編號為K1（圖上未標注），K2~K4為空孔編號，Z1~Z4為裝藥孔編號，S1~S4分別對應裝藥孔Z1~Z4的礦巖預爆落面積。

（2）補償系數計算。對碎漲系數為1.55的礦巖，只有當爆破時炮孔的補償系數不低于0.55時才能確保爆破成井試驗能夠順利進行，補償系數越大，爆破效果越好。補償系數可以通過式（3）計算得到：

根據式（3）分別計算這2種掏槽布孔方案的補償系數，其結果見表1。

表1 2種掏槽布孔方案的補償系數

（3）掏槽孔最終方案確定。從表1可以看出，采用方案1時，Z1炮孔爆破時的補償系數只有0.51，采用方案2時，Z1炮孔補償系數為0.56且后續孔補償系數普遍比方案1大，爆破所需最小補償為0.55，也就是說，若采用方案1有可能把炮孔堵死從而導致掏槽爆破失敗，因此，最終推薦采用方案2布置掏槽炮孔。

2.3 布孔參數

本次爆破成井試驗采用直眼平行炮孔桶形掏槽方式，8孔掏槽布置以1個炮孔為中心，內圈周邊環繞7個炮孔。外圈孔（10個炮孔）以內圈形成槽腔為自由面側向爆破連續擴大，最終一次爆破形成全斷面24.0 m深天井，天井設計斷面為2.0 m×2.0 m，爆破后形成天井斷面為2.2 m×2.3 m。槽孔和空孔的布置如圖3所示。