地下開采礦山天井成井技術方案優選及應用

孫長坤 于永純 魏曉明

摘要：針對保山金廠河鉛鋅礦礦體賦存條件，對天井施工技術方案進行選擇。分析了普通鉆爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法、天井鉆機成井法的適用條件，采用定性和定量相結合的評價方法，對各成井方法進行了評價，按照經濟對比、質量對比、進度對比、安全對比得出綜合評分，最終確定最優方案。主溜井、采區溜井和采場溜井采用天井鉆機成井法成井，采場切割井采用VCR爆破成井法成井，回風井采用普通鉆爆法成井。根據天井的不同用途，靈活采用不同的成井技術，工程應用效果較好。

關鍵詞：天井;一次成井;普通鉆爆法;VCR爆破成井法;天井鉆機

中圖分類號：TD262.1+1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）02-0057-04

doi：10.11792/hj20220210

引 言

在金屬礦山開采過程中，天井的應用十分廣泛[1]，如礦區主溜井、采區溜井、采場溜井、人行材料井、切割井等。天井的掘進是礦山生產中至關重要的施工環節[2]，天井安全、及時施工直接決定著采礦工作的開始和完成進程。因此，天井的鉆鑿、爆破和施工技術一直是礦山行業研究人員和現場技術人員關注的關鍵技術。

目前，天井的掘進方式主要采用鉆爆法[3]，其中又以普通鉆爆法應用最為廣泛，常規的施工方法雖然已經使用多年，但是存在施工環境差，施工效率低、成本高等多種問題[4]。深孔爆破法掘進天井，是20世紀50年代發展起來的一種爆破技術，又稱為一次爆破成井技術，適用于天井、溜井、切割井和充填井等垂直或急傾斜巷道，近些年一次爆破成井技術逐漸在地下開采礦山、露天開采礦山和隧道工程等施工中被廣泛使用。在大直徑深孔采礦中，VCR爆破成井法是深孔爆破成井的主流方法之一，起源于VCR采礦法，是基于利文斯頓爆破漏斗理論下向分層爆破成井的一種方法，業界對VCR爆破成井法的研究也較多。近年來，天井鉆機設備發展迅猛，中國從20世紀50年代末開始進行鉆井法鑿井技術研究，經過多年研究與實踐，形成中國特有鉆井法鑿井技術，為解決中國復雜地層井筒建設，作出了巨大貢獻[5-8]。

保山金廠河礦業有限公司（下稱“金廠河鉛鋅礦”）位于云南省保山市隆陽區瓦窯鎮金廠河，采用斜井開拓，天井工程量多，如何根據天井的使用性質合理地選用施工方案成為了一項值得研究的問題。本文從成井的經濟、質量、進度、安全性等方面進行分析，給出合理的建議，為礦山安全高效回采提供技術支撐。

1 工程概況

金廠河鉛鋅礦主礦體為低品位緩傾斜中厚礦體，平均厚度40 m左右，主要采用大直徑深孔側向崩礦充填采礦法進行回采，占比78 %，共設計40個采場，采場寬度為15 m，高度平均為40 m，長度平均為120 m，為典型的大結構參數采場。根據采礦方法及采場布置，采用兩步驟進行回采，一步驟回采礦房，二步驟回采礦柱，礦房礦柱交替布置，各占50 %。采用斜井開拓，設計能力1 500 t/d。2#斜井為箕斗提升井，箕斗裝載硐室水平為1 635 m，鉛鋅礦石主溜井及銅礦石主溜井井口及井底標高分別為1 720 m與1 635 m。經統計：主溜井井深共190 m，采區溜井120 m，采場溜井1 200 m，采場切割井1 600 m，回風井600 m，充填回風井640 m;主礦體共計需豎井工程量為4 350 m，結果見表1。

根據天井的使用性質、使用年限、直徑（斷面）大小、井深長短、施工安全、施工進度等綜合考慮選擇施工天井的技術方案。本文就普通鉆爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法及天井鉆機成井法針對不同性質天井進行對比研究，優選最佳方案。

2 成井技術方案

目前主流的成井技術方案分為普通鉆爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法和天井鉆機成井法。本文以金廠河鉛鋅礦設備及技術為工程背景，根據不同天井的使用性質和使用年限等，闡述各種成井的技術方案。

2.1 普通鉆爆法

普通鉆爆法即人工成井法，自下而上鉆孔-爆破。以2.5 m天井為例，采用氣腿式手抱鉆機，鉆桿長度2.5 m，實際孔深2.2～2.3 m，每茬炮循環進尺2 m，其中布設掏槽孔7個，小輔助孔4個，大輔助孔4個，周邊孔8個，炸藥單耗0.8 kg/t。炮孔布置見圖1。循環后架設人行梯，并搭設人工操作平臺進行下一個循環。其工序分為鉆孔鑿巖-爆破-出渣。

2.2 一次爆破成井法

一次爆破成井法掘進天井的技術出現至今有30余年的歷史，由于它具有成本低、效率高和安全可靠等優點，主要適用于采場切割天井掘進。所謂“一次爆破成井”就是沿井的全高鉆鑿一組平行的深孔，然后一次裝藥爆破，從而完成符合設計要求的掘進工程掘井工藝。但是，在有色冶金礦山，這一技術并未被很好加以利用，尤其是在國內應用較少。由于金廠河鉛鋅礦切割井均較深，一次爆破成井所需炸藥量非常大，受爆破震動及單響藥量限制，目前金廠河鉛鋅礦暫未采用一次爆破成井法。

2.3 VCR爆破成井法

使用國產T150鉆機自鑿巖硐室向下鉆鑿孔徑為165 mm的鉆孔，孔深為鑿巖硐室底板至底部受礦硐室頂板。鉆孔間排距為3.0 m×2.8 m，掏槽區加密孔，使得孔間距為2 m左右，掏槽井斷面為6.0 m×5.6 m，采用VCR爆破成井法拉槽，采用1號巖石乳化炸藥，炸藥長500 mm、直徑145 mm，間隔裝藥，孔底堵孔長度為2 m左右，3卷藥為一組，組與組之間采用1.2 m竹筒間隔，孔內雙導爆索，孔與孔間微差起爆，每次拉槽高度為5～6 m，炸藥單耗為0.45 kg/t，直至掏槽區爆破成井后再以掏槽區為自由面及補償空間進行側向崩礦。金廠河鉛鋅礦VCR爆破成井法切割井炮孔布置見圖2。

2.4 天井鉆機成井法

采用天井鉆機成井法施工天井前期準備工作時間較長，但成井速度較快，井壁質量好。天井鉆機釆用由上向下鉆進導孔，然后由下向上擴孔的施工工藝。和爆破刷大的導井不同，采用天井鉆機成井法，需要一次擴孔到所需直徑，鉆進直徑1.5～3.0 m，破巖面積增大13倍。大體積破巖釆用盤形滾刀和鑲齒滾刀，通過大扭矩為盤形滾刀和鑲齒滾刀提供動力，完成破巖。金廠河鉛鋅礦采用的天井鉆機見圖3。

3 成井技術方案優選及應用

金廠河鉛鋅礦天井工程量多，如何根據天井的使用性質合理地選用施工方案成為一項值得研究的課題。本文根據成井的經濟、質量、進度、安全性等條件，采用賦值法進行分析，選取最優的成井技術方案。將最優的取3分，次優的取2分，不優的取1分，不滿足條件的取0分。采場切割井斷面大，普通鉆爆法無法一次擴刷到斷面規格，要通過多次擴刷才能實現采場切割井斷面，故定義為不滿足條件;天井鉆機鉆進最大直徑為3 m，也無法一次形成采場切割井的大斷面，定義為不滿足條件。金廠河鉛鋅礦采場及采區回風井均較短，若采用VCR爆破成井法成井，需在回風井上口開鑿鉆機硐室，浪費工程量，定義為不滿足條件;若采用天井鉆機成井法成井，需在回風井上口開鑿天井鉆機硐室及排水設施，浪費工程量，定義為不滿足條件。充填回風井也較短，VCR爆破成井法和天井鉆機成井法均不滿足條件。

3.1 經濟對比分析

根據各方案成井單價，進行經濟對比分析，結果見表2。

3.2 成井質量對比分析

根據成井情況、井壁光滑度等，分析各成井方案成井質量，結果見表3。

3.3 成井進度對比分析

根據現場施工進度，分析各方案成井進度，結果見表4。

3.4 成井安全對比分析

根據成井安全性，分析各方案成井施工安全，結果見表5。

3.5 各方案綜合評價

將表2～5中對應位置得分相乘，得到各方案施工各種天井的綜合得分，結果見表6。

由表6可知：主溜井、采區溜井、采場溜井選擇天井鉆機成井法施工方案最優，采場切割井采用VCR爆破成井法施工方案最優，回風井、充填回風井采用普通鉆爆法施工最優。但是，實際工程施工中，當采場溜井較短時，采用天井鉆機成井法浪費工程，因此可采用普通鉆爆法成井。當回風井和充填回風井較深時，為達到經濟最優、安全性較好，可采用天井鉆機成井法。

3.6 工業應用

根據上述成井方案綜合得分，金廠河鉛鋅礦按該方法確定最優的成井方案。其中，鉛鋅礦石主溜井（95 m）、銅礦石主溜井（95 m）、C采區溜井（65 m）、25#采場溜井（50 m）采用天井鉆機成井法成井，具有井壁光滑，施工速度快，安全性好等優點;15#、19#、23#采場切割井（采場高度40～50 m）采用VCR爆破成井法，具有施工速度較快，安全性較好等優點;15#、19#、23#采場溜井（20～30 m）、回風井（10～20 m）采用普通鉆爆法成井，具有靈活性好，前期準備工作時間少，可根據需求快速成井的優點。

4 結 論

根據各天井的功能，采用3種成井方案分別就成井的經濟、質量、進度、安全性等對比分析，得出了相應的分數，并統計了綜合得分，得出以下結論：

1）主溜井、采區溜井、采場溜井選擇天井鉆機成井法施工方案最優，當采場溜井較短（小于30 m）時可采用普通鉆爆法施工方案。

2）采場切割井采用VCR爆破成井法施工方案最優。

3）回風井、充填回風井采用普通鉆爆法施工最優，當回風井、充填回風井較深時（大于50 m）可采用天井鉆機成井法施工方案。

[參 考 文 獻]

[1] 周傳波.深孔爆破一次成井模擬優化與應用研究[D].武漢：中國地質大學，2004.

[2] 馬志慧.礬山磷礦切割井中深孔一次成井爆破技術[J].中國礦山工程，2019，48（2）：23-25.

[3] 劉志強.大直徑反井鉆機關鍵技術研究[D].北京：北京科技大學，2014.

[4] 姜科.切割井一次爆破成井實踐[J].金屬礦山，2003（1）：11-12.

[5] 姚囝，葉義成，王其虎，等.分段采礦法切割立槽施工方案的優選[J].礦業研究與開發，2013，33（6）：15-19.

[6] 彭錦浩.VCR掏槽+側崩成井機理及應用研究[D].贛州：江西理工大學，2020.

[7] 王志峰.地下開采深孔拉槽爆破掏槽方式優化研究[D].武漢：武漢工程大學，2014.

[8] 周傳波，谷任國，羅學東.堅硬巖石一次爆破成井掏槽方式的數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（13）：2 298-2 303.

3801500338213