中深孔凍土爆破技術在特厚沖積層凍結井筒中的應用

呂冬超

摘? ?要：為解決趙固二礦西風井井筒鈣化和膠結的表土段黏土層爆破效果差的問題，特與專業的爆破公司合作研究，并邀請國內井筒凍土爆破頂尖專家，通過對鉆孔設備的改造及爆破參數的優化，提高了循環進尺，取得了較好的技術經濟效果。

關鍵詞：特厚沖積層;凍土爆破;SJZ-6.7傘鉆

在立井井筒掘進過程中，鉆眼爆破工作是一項主要工序，約占整個掘進循環進尺時間的20%～30%，是實現井筒快速掘砌的重要因素之一，鉆眼爆破的效果直接影響其他工序及井筒施工速度、工程成本，必須予以足夠的重視。

在整個鉆眼爆破工作中，鉆眼所占工時最長。加快鉆眼速度、加大眼深、提高眼孔質量以及提高鉆眼的機械化程度為其主要發展方向。

隨著我國鑿井技術的發展，凍結表土段的深度已經超過700 m。由于超深厚表土段深部黏性土層多為固結、半固結狀態，再加上深部凍結的時間較長，這些地層若不采用中深孔爆破施工，則掘進效率太低。但目前國內超深厚表土段凍土爆破技術尚不成熟，深部凍結表土段施工進度很難突破60 m/month。

1? ? 工程概況

趙固二礦西回風立井井筒凈直徑6.00 m，井筒設計深度914.00 m（含井底水窩12.00 m），其中井筒穿過表土層厚度為704.60 m，黏性土層的累計厚度為630.39 m，占沖積層總厚度的89.47%。井筒穿越黏土（含砂質黏土）多為灰白色，膠結程度高，含大量鈣質結構，較硬且粘。﹣400.00 m以下黏性土層的干密度1.67～2.44 kg/m3，含水量6.46%～16.90%，﹣10 ℃時凍脹率1.87%～6.26%。沖積層及風化基巖段采用凍結法施工，凍結深度783.00 m，井壁厚度900.00～1 950.00 mm。超深厚沖積層深部凍結時間長，固結、半固結黏土層所占比例大，直接用機械開挖較難，施工進度很難突破60 m/month，需要采用爆破施工工藝。

井筒外壁掘砌至﹣80 m以后，主要揭露土層為鈣質黏土、砂質黏土、礫石，其性質為：黏土多固結程度高、致密均勻，硬度大;砂質黏土多為灰白色，膠結程度高，含大量鈣質結構，較硬;礫石層中主要含砂、水，掘進時凍土進入荒徑1 000～1 500 mm。掘進過程中挖掘機挖掘非常困難，主要以人工使用破碎機、強力風鎬破土掘進，機械化配套設備根本發揮不到應有的作用，且在施工中造成挖掘機超負荷運轉，出現多次損壞，采用4 m高的模板砌筑，井下工作人員勞動強度大大增加，施工效率很低，為降低勞動強度，加快施工進度，減少循環時間及井幫暴露時間，井筒外壁﹣190 m以下采取爆破掘進，挖掘機、中心回轉抓巖機配合局部人工挖掘，經過多次摸索研究，優化出較好的爆破施工方案。

2? ? 凍結表土段爆破技術革新

2.1? 深厚沖積層的黏性凍土中進行爆破施工存在的問題

（1）目前國內井筒施工中所用的鑿孔工具多為SJZ-6.7傘鉆配套YCZ-70型鑿巖機及φ25 mm六棱中空合金鉆桿或人工使用鑿巖機配φ25 mm六棱中空合金鉆桿。黏性凍土中使用上述鉆具時，鉆頭旋轉發熱易造成土層中水或冰（融化為水）與土結合，形成泥漿堵塞鉆頭，或現場大顆粒土屑返不出鉆孔，致使無法鉆進。使用水打眼也可以造孔成功，但在深井施工工作面上存有水泥砂漿，給施工環境、施工安全以及施工人員本身造成巨大的影響，而凍結段鉆孔、掘進，工作面帶水作業易造成堵（凍）眼，也會提高壁后土層含水率或增加井幫結霜，易增大壁后土層回凍的凍脹力，給新筑外層井壁帶來影響，因此使用水打眼并不是一個好的解決辦法。

（2）由于爆破現場環境不同，鉆爆地質環境不同，導致所采用的爆破參數不同，大多數光面爆破參數是針對堅硬程度f=5～10的巖石，對凍土光面爆破參數的研究較少，特別是對﹣420 m以下的黏土（含砂質黏土）層，光面爆破參數均需重新探索，否則爆破掘砌施工速度仍然超不過65 m/month。

2.2? 趙固二礦西風井施工中對鉆孔設備的改造

趙固二礦西風井施工中通過對SJZ-6.7傘鉆的改造創新，把YCZ-70型鑿巖機更換為MQT-150型氣動錨桿鉆機機頭，增大了鉆機扭矩，配風動煤鉆機專用φ43 mm麻花鉆桿以及Y字鉆頭，提升了鉆桿剛度，并順利將黏滯的土屑帶出孔眼，提高了鉆進黏土的效率，成功解決了固結、半固結黏土和凍結土黏土的造孔難題，提高了造孔效率，造孔深度可達4 m，如圖1—2所示。

2.3? 爆破參數的試驗探索

2.3.1? 炸藥選型

炸藥選用為T220-nd巖石水膠炸藥（﹣25 ℃），藥卷規格Φ35 mm×300 mm×0.35 kg，密度為1 213 kg/m3，猛度為16～18 mm，爆力為350 mL，爆速為4 100～4 400 m/s。該類型炸藥在凍結法施工中抗凍效果較好，爆破速度穩定。

2.3.2? 連線與起爆

地面距離井口>20 m設專用起爆箱，起爆箱加設聯動閉鎖防止誤送電，放炮電壓380 V，放炮電纜采用一趟MY3×16+1×16橡套專用放炮電纜，專用放炮電纜通至吊盤下層盤專用接線盒內。爆破母線采用3.8 mm2銅母線電纜，放炮母線上端與放炮電纜相連，下端與雷管腳線相連。井下工作面各炮眼裝藥、聯線完畢后，從吊盤下放放炮母線至工作面，放炮母線上端與放炮電纜相連，下端與雷管腳線相連，經檢查裝藥、聯線無誤后，吊盤等設備提至距離工作面40 m安全高度，并將模板油缸保護好，待所有人員升井至地面后，井口附近設置好20 m警戒距離后再進行放炮。爆破參數如表1所示。

3? ? 爆破應用效果

爆破后預期的爆破效果，降低了炸藥消耗量，炮眼利用率在87.5%～93.3%。豎井成型較好，爆破面光滑無片幫，為后續澆筑混凝土提供了良好的工作面。趙固二礦西風井通過凍結調控和凍掘配合，實現了井幫溫度設計的調控目標，基本維持深部黏性土層井幫溫度在﹣11～﹣7 ℃范圍，施工環境溫度良好，避免了低溫對炸藥起爆的影響，爆破掘進的炸藥起爆率和爆破效果均超過以往深凍結井筒，由實際工程應用可以看出深部黏性凍土的爆破每炮循環進尺由2.6 m左右逐漸提高至2.8 m以上，甚至突破3.0 m。

4? ? 結語

中深孔凍土爆破在趙固二礦西風井的成功應用，驗證了該爆破參數在實際工程應用上的可行性，為工程掘進提供了一定經驗價值，為趙固二礦西風井凍結表土段施工中探索出了一套安全、快速、經濟合理的凍土爆破技術，創造了連續4個月深厚表土段成井速度80 m/month的成績，為我國凍土爆破積累了寶貴的經驗。

[參考文獻]

[1]王建平，靖洪文，劉志強.礦山建設工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2]于建新.超深厚沖積層立井凍結爆破快速掘砌施工技術[J].煤炭工程，2019（11）：33-37.