反井鉆機-分次微差爆破天井施工技術研究與實踐

＊王良群 龍波 鄭彥濤

（貴州息烽磷礦有限責任公司 貴州 550000）

引言

天井工程是金屬非金屬礦山地下開采正式回采前必須要做的井巷工程，與礦山基建、采準、生產探礦和放礦等工程具有同等重要的地位，天井工程量約占采準、切割工程量的40%～50%，占礦山井巷工程總量的10%～15%[1-3]。

天井施工對保證礦山正常生產能力，確保生產安全等方面起到極其重要的作用。眾多業內科技工作者和現場工程技術人員都對天井施工方法開展了大量卓有成效的研究，目前天井施工方法主要有：正掘法、人工小斷面反掘正向刷大法、吊罐法、爬罐法、反井鉆機小斷面擴孔正向刷大法等[4-7]。常規的天井施工方法存在作業環境復雜，施工難度大，作業人員勞動強度大，安全隱患多，掘井效率低等問題。

對礦山建設施工而言，研究與實踐一種安全環保、經濟實用、快速高效的施工方法是非常重要的。貴州息烽磷礦有限責任公司的工程技術人員通過大量現場研究實踐，提出了一種基于反井鉆機-分次微差爆破的天井施工方法，不僅能夠徹底消除底部結構施工人員的安全風險，而且能有效控制并減少炸藥單耗，提高天井成型的質量，具有良好的經濟效果。

1.反井鉆機-分次微差爆破天井施工技術原理

該施工方法利用現有設備及自主創新施工工藝，首先根據設計施工完成天井上部作業硐室及下部硐室后，采用反井施工切割井，為后續深孔爆破提供自由面及底部結構混凝土澆筑輸送通道。其次切割井施工完畢后施工底部結構（基礎澆筑、支模、砌門硐等），解決了原天井施工先爆破再進行底部結構施工隊作業人員的安全風險。然后待底部結構施工完成后施工深孔進行爆破，通過多打眼、少裝藥依次由下往上進行爆破，直到天井爆破貫通，解決原天井一次爆破對成井井壁及相鄰圍巖的破壞，提高天井成型的質量。最后施工上部結構（支模、格篩網、車擋）后天井施工完成。具體的工藝原理包括：

（1）使用反井鉆機施工切割井，創造天井爆破自由面及底部結構混凝土施工輸送通道。

（2）改變天井施工順序，切割井施工完成后，利用切割井作為天井底部結構混凝土施工的輸送通道。在爆破之前完成底部結構的施工，徹底解決傳統天井施工方法“先爆破、后施工底部結構”對作業人員的安全風險。

（3）基于毫秒系列雷管的毫秒級時差起爆控制，設計不同藥包的起爆順序。借助天井輔助孔底部藥包最先起爆產生的大量爆炸裂隙和輔助自由面，隨后起爆的其他藥包具備了良好的起爆條件。利用毫秒系列雷管的技術特點，優化設計天井爆破參數，確保藥包爆炸的最小抵抗線方向與天井豎直方向平行（方向為下），同時通過設計裝藥量將藥包爆炸擠壓作用力的影響范圍控制在天井內，由下往上分次進行爆破，直至擴孔爆破完成。

（4）利用毫秒系列雷管起爆，相鄰兩段藥包起爆時間間隔極短，兩段藥包產生的爆炸應力波互相重疊，目標巖體受到雙重爆炸應力波作用。這樣不僅能夠有效降低炸藥消耗量，而且還能提高爆炸破碎效果，降低大塊率。

（5）采用毫秒延期爆破時，通過合理的爆破時差設計，使不同藥包爆破產生的震動波相互干涉抵消或削弱，從而大大減少對臨近井巷工程圍巖的震動和影響。同時，較弱的爆破震動對天井底部結構的影響和損害也降低了，確保生產期間礦石運輸時具備較安全的工作環境。

2.施工技術工藝流程

反井鉆機-分次微差爆破天井施工技術工藝流程主要包括反井鉆機施工、底部結構施工、分次微差爆破施工和上部結構施工四個環節，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

(1)反井鉆機施工

施工時，首先確認施工現場作業環境安全，之后安裝固定反井鉆機設備。水、電、照明等輔助設施設備安裝到位后，準備工作完成，開始進行鉆機鉆進施工。鉆進施工包括正導孔施工、反擴孔施工、完孔及鉆機拆除三個具體工藝環節。

①正導孔施工

首先利用扶正器和開孔鉆桿進行開孔鉆進，鉆進深度為5.0m。之后拆去扶正器，換上正常鉆進的鉆具組合，鉆進施工正導孔。鉆進開始時，采用低鉆壓和高轉速，鉆進過程中結合巖石的可鉆性（巖石硬度、巖石裂隙發育）等因素，合理適當調節鉆壓。每根鉆桿鉆進結束時，可以通過上下方向提動鉆頭來沖洗排除孔內巖屑，之后再接長鉆桿繼續鉆進。

②反擴孔施工

當正導孔鉆穿巖層后，在下分層硐室用反擴孔鉆頭（鉆頭直徑φ=2m）和鉆桿換下導孔鉆頭和鉆桿。調節動力水頭出軸轉速，并拆去洗液軟管，同時將冷卻水泵的水引至擴孔鉆頭以冷卻鉆頭和降塵。在擴孔鉆頭未全部進入鉆進時，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞機具，采用低鉆壓和低轉速鉆進，待鉆頭全部鉆進時再加壓鉆進。擴孔完成后將擴孔鉆頭由切割天井上井口提出。

③完孔及鉆機拆除

當鉆頭鉆進至距基礎2.5m時，要降低鉆壓慢速鉆進，同時密切留意基礎周圍圍巖是否有異常現象。如果出現異常現象（裂隙大量擴展或圍巖破碎等），要馬上停鉆，并及時采取措施處理。繼續緩慢進行擴孔，直至鉆頭露出地面。完孔后，將擴孔鉆頭固定懸掛，將鉆架主機和輔助設備拆下。最后將鉆頭提出孔外，清理現場后，鉆孔工作結束。

(2)底部結構施工

使用反井鉆機將天井切割天井貫通后，下一步進行天井底部結構的施工。施工前，做好現場安全確認，仔細排查井壁是否有懸矸等危險因素未進行處理。如有，經排查處理確認安全后方可進入天井下部進行混凝土澆筑工作。

在天井口設置蓋板，以防落石掉入天井內對安裝人員造成安全隱患，并在顯眼位置設置標識標牌。

(3)分次微差爆破施工

采用反井鉆機反挖形成的大導孔（直徑φ=2m）為爆破自由面，由下往上，由里向外（由切割天井自由面向邊孔方向）分次進行爆破，炮孔間排距為750mm×750mm，每排4～6個孔，炮孔直徑為76.0mm。炮孔布置圖、爆破網絡及炮孔結構圖，如圖2和圖3所示。

圖2 天井施工炮孔布置剖面圖（單位：m）

圖3 爆破網絡及炮孔結構圖

(4)上部結構施工

爆破形成的天井井口與設計尺寸如有差異，則需對天井進行修整。修整后根據設計要求及現場施工和應用實際在天井上方用11#礦用工字鋼焊制格柵網，間排距400mm×400mm，再進行支模，用混凝土澆筑天井上部結構成設計尺寸，并按規定設置車檔（不得低于鏟運機輪子直徑的1/3），待混凝土凝固后再拆模。施工過程中必須佩戴安全繩，做好安全防護工作，同時天井下部進行封閉，嚴禁任何人員進入。

3.現場應用效果

該施工方法首次應用于貴州息烽磷礦740中段中采區天井施工，具體應用效果如下：

(1)施工效率

采用一次爆破成型法施工時，單個孔深約11m，設計深孔22個，總計220m。施工效率110米/班，共2個班完成，爆破需1個班，底部結構澆筑、支模、砌門硐等需13個班（施工全系數低，影響工期，天數較大），上部結構支模及安裝格柵網需3個班。共需19個班完成天井作業。

采用反井鉆機-分次微差爆破法施工時，天井深約11m，設計深孔26個，總計271m。施工效率110米/班，共2.4個班完成，反井鉆機施工11米/班，需1個班爆破需2個班，底部結構澆筑、支模、砌門硐等需5個班（安全系數高，施工影響較小），上部結構支模及安裝格柵網需3個班。共需14個班完成天井作業。

(2)經濟效益

采用一次爆破成型法施工時，以施工6個天井計算，共計需施工深孔1320m，施工單價10元/米，需1.32萬元；單孔炸藥消耗量50kg，共132個孔，需炸藥6600kg，炸藥成本9500元/噸，需6.27萬元；天井支模9000元/個，需5.4萬元；其他施工成本費用2萬元/個，需12萬元。合計投資24.99萬元。

與一次爆破成型法相比，反井鉆機-分次微差爆破法施工單個天井節約人工用工成本5個，累計節約用工30個。單個天井節約施工成本1.16萬元，累計節約施工成本6.97萬元。該施工技術不僅能夠徹底消除底部結構施工作業人員的安全風險，能有效控制并減少炸藥單耗，提高天井成型的質量，具有良好的經濟效果。

反井鉆機-分次微差爆破天井施工技術不僅能夠應用于金屬非金屬礦山井下天井施工，亦可用于金屬非金屬地下礦山天井、廢石井、通風井、泄水井等施工，具有較大的推廣應用前景。

4.結論

通過研究實踐，反井鉆機-分次微差爆破天井施工方法技術特點如下：

（1）根據設計施工完成天井上部作業硐室及下部硐室后，采用反井施工切割井，為后續深孔爆破提供自由面及底部結構混凝土澆筑輸送通道。

（2）切割井施工完畢后施工底部結構（基礎澆筑、支模、砌門硐等），解決了原天井施工先爆破再進行底部結構施工隊作業人員的安全風險。

（3）底部結構施工完成后施工深孔進行爆破，通過多打眼、少裝藥依次由下往上進行爆破，直到天井爆破貫通，解決原天井一次爆破對成井井壁及相鄰圍巖的破壞，提高天井成型的質量。

（4）最后施工上部結構（支模、格篩網、車擋）后，最終完成天井施工。

（5）與一次爆破成型法相比，反井鉆機-分次微差爆破法施工單個天井節約人工用工成本5個，單個天井節約施工成本1.16萬元，經濟效果良好。

（6）該方法不僅能夠徹底消除底部結構施工作業人員的安全風險，而且能有效控制并減少炸藥單耗，提高天井成型的質量。