70 m斜溜井深孔爆破一次成井工程實(shí)踐

彭華斌，譚三元

(宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410011)

0 引言

會(huì)寶嶺鐵礦有軌運(yùn)輸水平設(shè)在-430 m水平，首采出礦水平為-410 m水平，溜井設(shè)在-410～-430 m水平之間。礦山采用全階段組合鑿爆采礦法進(jìn)行采礦，中段高度為 70m。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，后續(xù)接續(xù)水平在-270 m水平進(jìn)行出礦，需要施工70 m高的溜井連通至-340 m水平原溜井上口。根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件，上下沿脈水平位置不重合，需要施工斜溜井以滿足空間布置。

斜溜井傾角普遍在70°～90°之間，無法采用立井法施工，通常采用人工反掘法進(jìn)行施工。在此過程中，人員上下通行需爬梯，且只能在巖帽的保護(hù)下作業(yè)，存在工序繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、通風(fēng)質(zhì)量差、作業(yè)空間狹小、施工效率低、成本高等一系列問題。

在會(huì)寶嶺鐵礦，為提高溜井施工的安全性和高效性，礦山工程技術(shù)人員結(jié)合礦山已經(jīng)開發(fā)的70 m垂直切割井一次鑿巖分段爆破成井技術(shù)，對(duì)炮孔布置、裝藥方式、爆破方式等開展了技術(shù)研究和試驗(yàn)，并在會(huì)寶嶺鐵礦-270 m水平7-3#溜井進(jìn)行70 m斜溜井深孔爆破一次成井試驗(yàn)，最終成功實(shí)現(xiàn)了貫通成井。

1 工程概況

會(huì)寶嶺鐵礦-270 m 水平 7-3#溜井位于-340～-270 m水平之間，布置于南翼主沿脈南側(cè)。井筒斷面直徑為4m，高為70m，傾角為74.5°。施工區(qū)域巖性主要為黑云變粒巖，局部夾磁鐵石英巖、磁鐵角閃石英巖、黑云角閃片巖，巖石普氏系數(shù)為12～18，巖體穩(wěn)定，較完整，裂隙不發(fā)育。

2 施工方案

2.1 方案概況

-270 m水平 7-3#溜井是聯(lián)通兩個(gè)階段的傾斜井筒，為防止在放礦過程中發(fā)生卡堵問題，對(duì)爆破成型有較高的要求，與垂直切割井一次成井施工的重點(diǎn)區(qū)別在于炮孔的傾角。在炮孔施工過程中，受鉆具自重和鉆孔過程中巖性變化的影響，傾斜炮孔施工精度相較于垂直孔施工更加難以控制，且斜溜井爆破拋渣能力低于垂直溜井，易產(chǎn)生卡堵等問題。工程技術(shù)人員根據(jù)70 m垂直切割井一次成井施工技術(shù)的理論和施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)斜溜井的炮孔設(shè)計(jì)、施工精度控制和爆破方案進(jìn)行改進(jìn)，成功解決了斜溜井施工過程中的難題。

2.2 炮孔布設(shè)

本方案設(shè)計(jì)井筒斷面形狀為圓形，直徑為4m，傾角為74.5°。考慮到溜井階段深度高、巖石硬度大和爆破夾制性大等特點(diǎn)，沿圓形斷面布設(shè)補(bǔ)償孔、掏槽孔和周邊孔，槽腔由小到大依次擴(kuò)成。

根據(jù)掏槽孔布設(shè)理論依據(jù)，巖石破碎松散后增加的體積不應(yīng)超過設(shè)計(jì)的補(bǔ)償空間，且各掏槽孔爆破的巖渣必須有適合的破碎度和形狀，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用補(bǔ)償孔體積核算其與首響掏槽孔間的距離（見公式（1））。隨后還需要逐孔驗(yàn)算槽孔補(bǔ)償系數(shù)以完成掏槽孔布孔設(shè)計(jì)，應(yīng)按實(shí)際孔偏差進(jìn)行校核調(diào)整。

式中，A為補(bǔ)償孔與首響槽孔的間距，mm；D為補(bǔ)償孔直徑，mm；d為首響槽孔直徑，mm；K為巖石碎脹系數(shù)。

本設(shè)計(jì)炮孔布設(shè)方案共布置 13個(gè)炮孔，其中掏槽孔沿補(bǔ)償孔等距環(huán)形布設(shè)，沿圓形斷面輪廓線布置8個(gè)周邊孔，控制井筒輪廓。炮孔布設(shè)見圖1。

圖1 斜溜井一次成井炮孔布設(shè)

本次70m 斜溜井深孔爆破一次成井試驗(yàn)，補(bǔ)償孔直徑D為300mm，掏槽孔和周邊孔直徑均為165mm，巖石碎脹系數(shù)為1.7。由公式（1）計(jì)算可得A=763.3mm。在滿足補(bǔ)償空間的情況下，同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到鉆孔過程中的偏斜率。若補(bǔ)償孔與掏槽孔間距太小，斜孔鉆孔施工過程中易產(chǎn)生與相鄰掏槽孔串通。根據(jù)礦山70 m垂直切割井深孔爆破一次成井的成功經(jīng)驗(yàn)，A值取890mm。

巖體碎脹系數(shù)K達(dá)1.7，因此掏槽爆破補(bǔ)償系數(shù)必須滿足K≥1.7。巖體碎脹系數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中，K為補(bǔ)償系數(shù)；V0為待爆巖體體積，m3；V1為補(bǔ)償空間，m3。

由炮孔參數(shù)計(jì)算：補(bǔ)償孔直徑D/掏槽孔直徑d=1.82＞1.7，滿足設(shè)計(jì)要求。同理計(jì)算其余各孔的補(bǔ)償系數(shù)，驗(yàn)算可知炮孔布置滿足補(bǔ)償空間要求，炮孔布置合理。

2.3 鉆孔施工

考慮到鉆孔設(shè)備施工能力和經(jīng)濟(jì)合理性，本方案采用礦山現(xiàn)有的深孔施工設(shè)備T-150潛孔鉆機(jī)施工炮孔。在此過程中，首先選用直徑為165 mm的鉆頭依次完成補(bǔ)償孔、掏槽孔、周邊孔炮孔的施工，然后換用直徑為300 mm的鉆頭將補(bǔ)償孔擴(kuò)大至直徑為300 mm。直徑為165 mm炮孔施工速度為30 m/（臺(tái)·班），直徑為 300 mm 炮孔擴(kuò)孔速度為 20 m/（臺(tái)·班）。本方案斜溜井傾角為74.5°，考慮到鉆孔過程巖性變化和鉆具自重導(dǎo)致的鉆孔偏斜率，根據(jù)全階段組合鑿爆采礦法采礦過程中傾斜深孔施工經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際鉆孔過程中，將炮孔傾角參數(shù)調(diào)整為72°，以確保炮孔滿足精度要求。

2.4 爆破作業(yè)

依據(jù)70 m垂直切割天井一次成井的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為提高爆破作業(yè)效率，斜溜井爆破采用耦合連續(xù)裝藥。考慮到該溜井巖石硬度較大，選用2#巖石粉狀乳化炸藥。裝藥前先將炮孔下口封堵嚴(yán)實(shí)，再裝入2#巖石粉狀乳化炸藥。藥包裝好后對(duì)炮孔進(jìn)行堵塞。待全部炮孔裝藥完成后，采用導(dǎo)爆索非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路起爆。

2.4.1 炮孔下口封堵

炮孔下口封堵選用混凝土托盤法，首先在炮孔裝藥前將提前制作好的混凝土吊盤綁上鐵絲放至孔底，然后將鉆孔作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的巖粉直接倒入炮孔，堵塞至設(shè)計(jì)高度。下口堵塞高度一般不應(yīng)超過炮孔最小抵抗線，從而有效防止爆破過程中破碎巖體無法從下自由面拋出的問題。

2.4.2 裝藥

本次爆破選用2#巖石粉狀乳化炸藥。將導(dǎo)爆索綁扎在直徑100 mm的起爆藥包上，首先將起爆藥包放入炮孔內(nèi)，隨后向孔內(nèi)倒入2#巖石粉狀乳化炸藥，達(dá)到設(shè)計(jì)裝藥高度的95%后停止裝藥。采用激光水平儀和測(cè)繩測(cè)量各孔裝藥高度，利用剩余藥量對(duì)各孔裝藥高度進(jìn)行調(diào)整，以保證裝藥面在同一水平上，每次爆破裝藥高度約3 m，堵塞高度為1 m。裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥單耗按式（3）計(jì)算：

式中，K為爆破炸藥單耗，kg/m3；q為裝藥量，m3；v為爆破體積，m3；r為炮孔半徑，m；ρ為炸藥密度，kg/m3；l為裝藥高度，m；n為裝藥孔數(shù)量，個(gè)；R為溜井?dāng)嗝姘霃剑琺；h為爆破進(jìn)尺，m。

經(jīng)計(jì)算，本次爆破炸藥單耗為10.35 kg/m3。

裝藥完成后，將巖粉裝入炮孔，并堵塞至設(shè)計(jì)高度，堵塞高度一般略大于炮孔最小抵抗線，以防止爆破時(shí)將裝藥部位以上炮孔破壞。炮孔裝填過程中將混凝土吊盤鐵絲、藥包吊繩、導(dǎo)爆索等固定在孔口橫桿上，防止墜入孔內(nèi)。

2.4.3 聯(lián)線起爆及爆破效果

選用延期時(shí)間為半秒的導(dǎo)爆管雷管聯(lián)接孔口的導(dǎo)爆索，孔口雷管連接完成后，所有雷管腳線集成一束，然后使用腳線長(zhǎng)度30 m的導(dǎo)爆管雷管串聯(lián)引至可以安全起爆的位置，組成導(dǎo)爆索-非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路。炮孔起爆順序?yàn)?#孔1段，3#孔2段，4#孔3段，5#孔4段，6#、7#孔5段，8#、9#孔6段，10#、11#孔 7 段，12#、13#孔 8 段。

單次爆破分層裝藥高度為3 m，堵塞段高度為1 m。爆后經(jīng)實(shí)測(cè)單次平均進(jìn)尺為4.2 m。爆破后溜井周邊平滑，爆破成型較好。爆破成型效果見圖3。

圖3 斜溜井下口爆破成型效果

3 應(yīng)用效果分析

3.1 安全性分析

人工反掘法施工斜溜井，作業(yè)人員需要經(jīng)常上下爬梯，作業(yè)空間受限，存在冒頂片幫、通風(fēng)質(zhì)量差、高空墜落等一系列不安全因素。此外，隨著掘進(jìn)深度的增加，前期準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)，工作面易集聚有毒有害氣體，粉塵和淋水較大。斜溜井一次成井施工采用全段高一次鑿巖分段爆破成井，全過程僅需在上水平進(jìn)行鉆孔和爆破作業(yè)，施工人員無需進(jìn)入天井內(nèi)部施工，可以根本性地解決溜井內(nèi)施工的安全問題。

3.2 施工效率分析

人工反掘施工普遍采用單班制作業(yè)，單循環(huán)進(jìn)尺2 m/d，施工一條70 m的斜溜井至少需要35 d。斜溜井70 m深孔爆破一次成井的單循環(huán)進(jìn)尺時(shí)間為3.5 h，單循環(huán)進(jìn)尺4.2 m，考慮到地下礦山通風(fēng)條件、人員組織、炸藥供應(yīng)等因素，爆破次數(shù)控制在2～4次/d，本斜溜井實(shí)際施工按照2次/d進(jìn)行爆破組織。

（1）炮孔施工總進(jìn)尺：70 m×13+70 m=980 m。

（2）炮孔施工時(shí)間：910÷30 m/(臺(tái)·班)÷3 (臺(tái)·班)/d+70 m÷20 m/(臺(tái)·班)÷3 (臺(tái)·班)/d=11.28 d。

（3）爆破施工時(shí)間：70 m÷8.4 m/d=8.33 d。

（4）斜溜井施工總時(shí)間：11.28 d+8.33 d=19.61 d，取20 d。

由上計(jì)算可得，一次成井施工效率為人工反掘法的1.75倍。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

相較于垂直炮孔施工，高精度傾斜炮孔的成本有所增加。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，一次成井法施工斜溜井炮孔施工費(fèi)用約為15萬元，人工費(fèi)為10萬元，火工品費(fèi)用為25萬元，總費(fèi)用約為50萬元。人工反掘法施工一條同樣的斜溜井費(fèi)用共計(jì)66萬元。因此，人工反掘法施工成本約為一次成井法的1.3倍。