洛鉬集團礦山公司深孔爆破一次成井的試驗研究

楊榮彥，穆永慶，劉廣興

（河南洛陽欒川鉬業集團礦山公司， 河南 洛陽市 471542）

洛鉬集團礦山公司深孔爆破一次成井的試驗研究

楊榮彥，穆永慶，劉廣興

（河南洛陽欒川鉬業集團礦山公司， 河南 洛陽市 471542）

根據礦山生產需要，對1條20m深的井進行一次爆破成井試驗。通過確定可行的掏槽方式、合適的裝藥量、裝藥結構與爆破網絡，試驗取得了成功，為40m以上深孔爆破一次成井提供了技術基礎。該方案和技術參數可為露天礦山掘進地下空區充填井筒提供參考。

地下采空區；一次爆破成井；布孔方式；裝藥結構；爆破網絡

1 概 述

由于歷史原因，洛鉬集團礦山公司露天開采境界內留下了面積近2000萬m3的地下采空區，且未經任何處理，大小不一，重疊交錯，嚴重危及到礦山公司的正常安全生產。為將露天開采的廢石充填至地下空區，需要開鑿露天坑到空區的天井。為此試驗了深孔爆破一次成井技術。深孔爆破一次成井是在大型空區頂板上方布置深孔，以下部空區為補償空間和自由面爆破，一次形成由空區通往地表臺階面的垂直天井。

公司與相關院校合作，通過一次爆破成井試驗，確定了可行的掏槽方式、合適的裝藥量、裝藥結構與爆破網絡，為40m以上深孔爆破一次成井試驗提供強有力的技術支撐，并最終實現80m深孔一次爆破成井。

2 試驗設計

2.1 試驗區位置及空區情況

試驗區選擇在E區1354水平，因為此區空區已探明，其場地有穿孔施工條件，該區巖性屬矽卡巖，為三道莊礦區主要含礦巖層，具有很好的代表性；其次，該區施工時不會對生產造成任何影響；此外，此區屬待處理空區，施爆成功與否，不會對下步空區處理帶來任何影響。爆區位置見圖1。

圖1 空區范圍與孔位布置

矽卡巖型礦石致密堅硬，硬度系數14～16，松散系數為1.5，屬堅韌難爆型礦巖。試驗區內構造帶出現，巖層穩固性好。1354水平以下20m為1324水平空區，根據空區掃描分析，1324空區呈橢圓扁形，長28.91m，寬15.83m，高8.5m，面積約400m2，體積約3000m3。

2.2 孔網參數選擇

2.2.1 炮孔孔徑選擇

經驗表明，鑿巖時，成孔速度隨孔徑加大而下降，爆破時，每個炮孔負擔的面積比較小，在一定范圍內，炮孔數不會隨孔徑的增加而明顯減少，采用潛孔鉆機施工，孔徑一般為Φ80～140mm。考慮炮孔成孔速度、爆破經濟性和礦山公司實際，炮孔孔徑確定為Φ115mm。

2.2.2 掏槽方式與空孔孔徑選擇

為了一次爆破成井高度達到40m以上，必須選用大空孔作自由面的平行炮孔掏槽方式。空孔大小取決于成井高度和控偏能力，一般為掏槽孔面積的4～6倍，掏槽孔孔徑Φ115mm，空孔孔徑應為Φ220～275mm，考慮到大直徑空孔具有掏槽面積大和有利于槽腔爆破的特點，選擇空孔孔徑Φ250 mm。

實踐表明，7m以下的天井采用單空孔，7～15 m的天井采用2個空孔，而15m以上的天井必須采用3個空孔，考慮到要滿足40m一次爆破成井要求，選用4個空孔，中心主掏槽孔與4個空孔按5孔桶形掏槽布置，周圍正方形布置4個空孔，見圖2。

圖2 炮孔布置

2.2.3 空孔與中心掏槽孔孔間距選擇

基于補償空間理論，中心主掏槽孔與空孔的孔間距a滿足：

計算為：a＝488mm。

基于破碎范圍理論，中心主掏槽孔與空孔的孔間距a滿足：

計算為a＝345～565mm。

由前期試驗數據，在a＝4d時，爆破能夠擊穿，對裝藥孔直徑d＝110mm擊穿范圍可達到500～600mm。

考慮到鉆孔時不可避免的偏斜，在偏斜率最大0.5%時，22m天井一次成孔，底部偏斜約100mm。

考慮以上3種情況，當中心主掏槽孔與空孔孔間距取450mm時，中心主掏槽孔爆破的自由面系數f＝0.77＞0.5，故選取a＝450mm。

2.2.4 輔助掏槽孔位置確定

中心主掏槽孔爆破后，與每個空孔形成切割槽腔，總體呈蓮花形，槽腔空間較小，為擴大槽腔，增加4個輔助掏槽孔，它們正方形分布在中心主掏槽孔周圍。

2.2.5 輔助孔位置

基于自由面系數原則，輔助孔布置在掏槽孔空孔連線的延長線上，避免掏槽孔爆破時對其造成沖擊。按輔助孔的設計位置，計算知：f10＝1.1/1＝1.1，f11＝3.21/1.95＝1.65，f12＝1.1/1.2＝0.92，f13＝3.21/2.25＝1.43，輔助孔爆破自由面系數滿足要求。

基于補償空間原則，掏槽孔爆破巖石較碎，要滿足n＞2.0；輔助孔爆破滿足n＞1.8。由表1可知，本次試驗設計滿足此要求。

表1 補償空間計算

2.2.6 分段高度的確定

當n＞1.7時，分段高度可取7～10m，考慮到第1分段炮孔偏斜率大，取第1分段高度6.5m，其余作為第2分段，即第2分段高度為13.5m。

2.3 孔位布置

（1）總體考慮。由于空區為橢圓扁形，其底部寬度只有15.83m，若設計周邊孔，則一次成井斷面尺寸5m×5m，成井高度20m，按1.60的松散系數計算，爆破后松散巖體的體積為800m3，按空區高度8.5m，其底部寬度15.83m、長28.91m，巖渣堆積角40°計算，當落石填塞到空區頂板時，容納碎石量為1540m3，完全可以堆積下800m3的碎石，天井觀察效果明顯，一次爆破成井的補償空間滿足要求。

（2）掏槽孔布置。共布置9個掏槽孔，其中1＃孔為中心主掏槽孔，3＃、5＃、7＃、9＃孔為輔助掏槽孔，2＃、4＃、6＃、8＃為空孔。掏槽孔孔徑Φ115mm，孔深20m左右，下透空區，空孔孔徑Φ250mm，孔深20m左右，下透空區。4個空孔呈邊長為0.99 m的正方形布置，4個輔助掏槽孔呈對角線長1.4 m的正方形布置。

（3）輔助孔布置。10＃、11＃、12＃、13＃孔為輔助孔，孔徑Φ115mm。孔深20m左右，下透空區。4個輔助孔呈近似菱形布置在中心掏槽孔周圍，10＃輔助孔與2＃空孔之間中心距為1m，11＃輔助孔與4＃空孔之間中心距為1.5m，12＃輔助孔與6＃空孔之間中心距為1.2m，13＃輔助孔與8＃空孔之間中心距為1.8m。

（4）周邊孔布置。14＃、15＃、16＃、17＃孔為輔助孔，孔徑Φ115mm。孔深20m左右，下透空區。4個周邊孔呈邊長為5m的正方形布置。

孔位坐標如圖1所示，炮孔布置見圖2。

2.4 炮孔施工

首先利用GPS確定孔口位置，并用紅油漆定點。用潛孔鉆機鉆鑿Φ115mm炮孔，用牙輪鉆機鉆鑿Φ250mm空孔。孔深20m左右，鉆孔偏斜率應小于0.5%。

鉆孔過程中要進行孔位偏斜的實時監測，要嚴格按照施工要求進行施工，確保孔位偏斜率滿足要求。同時加強對炮孔巖性的記錄，特別記錄每個孔的虛碴厚度。

2.5 炸藥及裝藥結構

（1）炸藥。選用河南前進化工廠生產的2＃巖石露天乳化炸藥，藥卷規格為Φ90mm×400mm，每卷藥重3kg。

（2）裝藥結構。為減小掏槽孔對附近炮孔的破壞，根據各孔線裝藥密度，確定掏槽孔分段內采用分段間隔裝藥，裝藥0.5m，間隔0.3m，用Φ100mm塑料管間隔，分段內敷設導爆索；輔助孔分段內連續柱狀裝藥，第一段裝藥5.4m，第二段10.8m；周邊孔分段內連續柱狀裝藥，第一段裝藥5.4m，第二段10.3m。對4個補償空孔，在第一分段不同高處各懸空吊裝一卷3kg炸藥，藥卷用編織袋包裹成200 mm的圓柱，加強對空孔壁的保護，同時通過此藥卷爆炸所產生的爆炸氣體沿空孔上下作功，加速破碎巖體的拋渣，為該分段輔助掏槽孔提供足夠的補償空間。藥包所懸吊的位置可通過圖3計算求得，炸藥破碎角按標準爆破漏斗算取45°，則h＝0.45m，H＝0.75m，取 H＝0.8m，即2＃懸吊藥包底部到第一分段頂面0.8m 的高度，4＃、6＃、8＃一次往上增加0.5m的高度懸吊。對于空孔采取不耦合裝藥。選取裝一卷3kg炸藥，按照聲學及氣壓學原理進行計算，不會對孔壁造成破壞。每分段裝藥中各裝藥孔均裝入一發1kg起爆彈。

（3）起爆藥包、導爆索位置。為了排碴，將起爆藥包裝于各分段上部距填塞巖粉0.21～0.74m處。要求布置導爆索在孔內遠離空孔的那一側，有利于加速破碎巖體和排渣。

圖3 空孔藥包位置的確定

（4）填塞要求。分段間隔必須滿足4個條件：大于藥包粉碎圈半徑；大于炸藥殉爆距離；確保后爆藥包不受過分積壓；小于藥包抵抗線。如圖4所示，為了保證在中心主掏槽孔爆破時不破壞臨近裝藥孔的堵塞，而導致輔助孔炸藥下落影響試驗效果，輔助掏槽孔的堵塞高度應高于0.4m，輔助爆破孔的堵塞高度應高于0.5m。本次爆破孔深20m左右，裝藥孔分兩段，第一分段高6.5m，第二分段高13.5 m。根據以上要求，確定掏槽孔分段間隔0.8m，中心主掏槽孔下部堵塞0.5m，上部堵塞1.2m；輔助掏槽孔上部堵塞1.5m，下部堵塞0.8m，并在堵塞部位的上端和下端各加一堵孔塞；輔助爆破孔上部堵塞2m，下部堵塞0.8m，同樣在堵塞部位的上端和下端各加一堵孔塞；周邊孔上部堵塞2.5m，下部堵塞0.8m，同樣在堵塞部位的上端和下端各加一堵孔塞。考慮到第一分段起爆后會在本分段藥頂部水平的基準上爆下0.3m，故分段間堵塞長度在底部堵塞長度的基礎上再加長0.3m，即中心主掏槽孔堵塞0.8m；因為第二分段爆破時夾擊性變大，所以，輔助掏槽孔、輔助爆破孔和周邊孔堵塞長度與中心主掏槽孔一致，堵塞0.8m，為了保險，同樣在0.8 m堵塞尾砂的上端也加一30cm堵孔塞，以防止在炮孔堵塞尾砂泄漏時炸藥掉落。底部、上部、各分段間均用尾砂充填。為了保證掏槽爆破的爆炸氣體不上沖，在4個空孔的孔口均用炮泥堵塞1.0m。

圖4 裝藥孔堵塞長度示意

2.6 起爆順序與微差時間

2.6.1 起爆順序

起爆順序根據自由面系數和補償空間計算確定。首先，在自由面系數滿足f＞0.5的前提下，f值越大爆破效果越好。由孔位尺寸知，按1＃－3＃－7＃－5＃－9＃－10＃－12＃－11＃－13＃順序起爆最理想。

其次，從補償系數n＞2.0的要求考慮，從圖5和表1知：當中心主掏槽孔起爆后，形成一個蓮花形槽腔，3＃、7＃孔起爆，補償系數2.02，滿足起爆要求；3＃、7＃孔爆破后，擴大的槽腔可以滿足5＃、9＃孔同時起爆；掏槽孔爆破后，形成一個完整的槽腔，輔助孔10＃、12＃孔起爆，補償系數2.08，滿足起爆要求；輔助孔10＃、12＃孔起爆后，再起爆11＃孔，補償系數2.29；11＃孔起爆后，再起爆13＃孔；13＃孔起爆后，再起爆周邊的15＃和17＃孔；15＃和17＃孔起爆后，最后起爆14＃和16＃孔。

圖5 炮孔起爆順序

2.6.2 微差時間

考慮到補償空間問題，在分段內輔助掏槽孔起爆前必須保證中心主掏槽孔爆破的蓮花形空腔內碎石已經完全下落到底部裝藥水平以下，即必須保證所爆出空腔內碎石下降7m的高度，其它各延時起爆孔微差時間間隔同此要求。

根據相關理論計算，在本次試驗中選取：第一分段選取微差間隔時間t1＝700ms；第二分段選取微差間隔時間t2＝900ms。

3 試驗材料消耗

炮孔孔徑Φ115mm，采用Φ90mm藥卷裝藥時，根據前期試驗得出孔內的裝藥密度1.2g/cm3，每米炮孔裝藥量為12.46kg。

根據裝藥及堵塞充填結構計算出：

（1）中心主掏槽孔總裝藥量Q1為144.41kg，線裝藥密度7.22kg/m；

（2）輔助掏槽孔總裝藥量Q2為548.24kg，線裝藥密度6.85kg/m；

（3）輔助爆破孔總裝藥量Q3為807.4kg，線裝藥密度10.01kg/m；

（4）周邊孔總裝藥量Q3為782.5kg，線裝藥密度9.78kg/m；

（5）4空孔中各懸吊一個3kg藥卷，裝藥量總量為12kg。

經計算，本次爆破總藥量Q為2295kg，爆破總方量V＝20×25＝500m3。炸藥單耗Q/V 為4.59 kg/m3。

奧瑞凱導爆管、鐵絲、導爆索、起爆彈等材料根據實際需要備用。

4 起爆方法和起爆網絡

采用奧瑞凱導爆管雷管，炮孔內層間采用雙雷管起爆。爆破網絡見圖6。

圖6 起爆網絡

自下而上分兩層爆破，第一分段孔內全部采用5000ms孔內雷管，第二分段孔內全部采用7000ms孔內雷管，第一分段內孔外延時微差間隔均取700 ms，第二分段內各個微差間隔均取900ms，分層間微差時間取700ms。

5 安全措施

（1）爆破飛石的安全距離。計算爆破飛石的距離為460m，由于爆區周邊500m沒有建筑物，不會對地表建筑物造成影響，但爆區周邊300m范圍內的設備需移走，對爆區周邊300～500m范圍內設備進行保護。

（2）爆破地震效應。最大段別藥量為135kg，通過計算，爆區周圍50m質點振速達到1.48cm/s。根據《爆破安全規程》“礦山井下巷道、硐室工程允許質點振動速度為15～30cm/s”，所以本次爆破振動不會對周邊50m以內的空區穩定性產生影響。

（3）施工期間，在距試驗區20m內安置地壓監測點，以便于監測，確保施工安全。深孔成井成功后，應在地表圈出范圍，做好標記，人員設備不能擅自進入。在深井周邊20m范圍內對下部圍巖進行不間斷監測，確保安全。

6 結 論

該項試驗歷時兩周，完成了鉆孔的精確施工，經驗收各項質量符合設計要求。并于2012年5月嚴格按照設計要求進行了爆破作業。

爆破后，形成了一個近似5.5m×5.5m，較為規則的垂直柱狀井筒，井壁較為光滑，實現了一次爆破成井設計的目的，并為今后類似工程提供了可靠的技術依據。

［1］ 鄧三才，唐其林.垂直深孔中部間隔裝藥技術在露天灰巖采石場的應用［J］.礦業研究與開發，2011，31（3）：94－96.

［2］ 羅 勇.聚能效應在巖土工程爆破中的應用研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2006.

［3］ 潘輝霞.爆破工程設計施工常用數據與技術標準規范速用速查手冊［M］.北京：中國知識出版社，2006.

［4］ 于亞倫.工程爆破理論與技術［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

2012－06－29）

楊榮彥（1966－），男，河南洛陽人，工程師，從事礦山開采技術工作，Email：lcyangry＠163.com。