預控頂下向中深孔逐孔起爆采礦工藝

蘇紅蕊

(萊鋼集團萊蕪礦業有限公司，山東 萊蕪271100)

馬莊鐵礦隸屬于萊鋼集團萊蕪礦業有限公司，是地下開采中型礦山，年產鐵礦石68 萬t，礦床屬于高溫熱液接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體產于閃長巖和大理巖的接觸帶上，沿接觸帶呈扁豆狀、透鏡狀、似層狀產出，總體走向20° ～40°，傾向SE，傾角40° ～60°，主礦體厚度15 ～60 m，f=8 ～10，礦體中等穩固，局部較為破碎，礦區上部有村莊，地表不允許塌陷。根據上述礦體賦存特點，馬莊鐵礦原采用長錨索預支護的上向水平分層進路充填采礦法，但采礦效率不高，為增加礦房開采強度，釋放單體礦房產能，提高產量，在保障頂板安全前提下，馬莊鐵礦借鑒露天采礦爆破模式應用于地下礦山，研究探索在預控頂條件下的下向逐孔起爆工藝［1］，獲得良好效果。

預控頂下向中深孔逐孔起爆采礦是首先在需要爆破的礦房頂部人工拉切，形成一較大的自由空間，然后在頂板打長錨索、掛網和噴漿支護，形成一個安全的人工頂板，再用下向潛孔鉆機施工下向孔，采用高精度逐孔起爆雷管，將下部礦石一次性爆破的一種高效采礦方式。

1 礦房參數的計算與選擇

1.1 拉切礦房高度選擇

由于礦房爆破后作業人員需要進入空區內鏟礦，根據礦房礦石條件、充填體自立程度、爆破后充填體外側破壞程度以及方便觀察和處理礦房兩幫浮石等作業條件，根據經驗和多個試驗礦房情況，初步確定礦房高度為15 m。

馬莊鐵礦礦區地表不允許塌陷，所有礦房采用全尾砂充填，充填膠凝材料采用膠固粉，充填配合比為1∶ 4(膠固粉∶ 尾砂)。

根據充填體自立公式［1］進行驗算:

式中，C1為充填體與圍巖黏結強度，MPa;φ1為充填體與圍巖摩擦角，(°);C 為充填體自身黏結強度，MPa;φ 為充填體內摩擦角，(°);α = 45° + φ/2;k 為側壓系數，k =1 －sinα;h 為充填體高度，m;膠結充填體密實固體密度為2.61 g/cm3。根據取樣試驗井下充填體7 d 強度為1.1 MPa，28 d 強度為3.5 MPa，充填礦房分4 次充填，為保證相鄰礦房采準需要，礦房按揭露最后接頂充填最晚充填時間計算充填體強度，礦房長度按照25 m 計算，可以推出1.1 MPa 強度充填體自立高度55.6 m，遠大于15 m 設計高度，充填體強度完全可以滿足采礦需要。

1.2 礦房頂板暴露面積

暴露面積的大小直接關系到一次爆破的效率，單從采礦角度來說越大越好，但為保證安全必須選擇合適的空頂面積。

根據頂板暴露面積經驗公式［2］

(其中，S 為頂板暴露面積，m2;b 為礦房高度，m)，估算礦房頂板在極限平衡狀態下暴露面積約為560 m2。

實際布置礦房尺寸為長×寬=25 m×12 m=300 m2＜560 m2，留有較大安全系數，能夠滿足安全需要。

2 礦房布置形式

預控頂單體礦房高度15 m，分為2 部分:最上一部分3.5 m 為拉切高度，滿足潛孔鉆機等鑿巖設備鑿巖要求，下邊11.5 m 為深孔爆破高度;礦房寬度12 m，實際爆破寬度10.8 m，兩側各0.6 m 為設備施工預裂孔需要寬度;礦房長度25 m，根據礦體實際厚度做相應調整，50 m 以上礦房采用后退式分2 次爆破。

在礦房底部正中施工1 個穿脈，然后在礦房中部施工1 個2 m×2 m 切割天井，作為首次起爆自由面。

礦房內部布置下向主爆孔，礦房兩側為減少爆破對兩幫礦石或充填體破壞，使用預裂爆破，預裂孔距離兩幫0.6 m。

54 m 寬度礦房寬度劃分為5 個礦房，交錯布置，一采一備采。

礦房15 m 作為一分段水平，整體采用上向采礦，下側礦房結束充填后，再采上一分段水平。預控頂礦房整體充填順序及拉切支護布置方式見圖1。

圖1 預控頂礦房示意Fig.1 Schematic diagram of pre-controll roof room

3 預控頂礦房頂板支護

預控頂礦房上部首先拉切3.5 m 高的作業面，再對作業面進行預支護，支護與拉切作業同時進行。支護時首先施工網片大小2 m×1.5 m、網度15 cm×20 cm、直徑6.5 mm 鋼筋網，搭接寬度不低于20 cm，再在網片上施工網度1.5 m ×1.5 m、長度1.8 m 的管縫式錨桿，最后噴漿，噴漿厚度不低于10 cm，用以保證頂板安全。局部礦石不穩固地段補打長錨索進行支護，錨索長度不低于13 m。

4 井下逐孔起爆工藝的實施

在下向孔爆破過程中借助于高精度雷管的準確延時，通過合理的時間組合，使炮孔由起爆點按順序依次起爆，每個炮孔的起爆都是相對獨立的，前一個炮孔為后一個炮孔創造了一個自由面，相鄰炮孔間的礦巖在移動過程中會發生相互碰撞擠壓，使巖石進一步破碎，從而能夠保證較好的爆破塊度。

(1)設備選型:設備采用T －100 高氣壓環形潛孔鉆機，鉆孔直徑92 mm。

(2)炮眼參數:底盤抵抗線根據經驗公式［3-4］

(式中，D 為炮孔直徑)，取2.3 m;孔間距［4］a 取1.1W，為2.5 m;排間距b 取0.8a，為2 m;鑿巖超深h= 0.2W，取0.5 m。鑿巖深度分別為8 m 和12 m，下向鑿巖在中部拉切進路上部的取8 m，其余取12 m，如果下向鑿巖與拉切進路鑿穿，裝藥前先用塑性材料堵塞下部炮孔，堵塞長度不低于1.5 m;預裂孔孔距取孔徑10 倍，即1 m;由于上部已完全拉切，爆破補償空間為26.4%。

(3)炸藥雷管型號:主爆孔采用 φ80 mm 乳化炸藥;預裂爆破不耦合系數取3，預裂孔炸藥采用φ32 mm 乳化炸藥。雷管采用導爆管雷管，孔內管采用MS400 型 號、孔 口 管 采 用SDD9、SDD17、SDD25、SDD42、SDD65 型號高精度導爆管雷管，爆破采用孔口延時，孔口總延時長度不超過400 ms。

(4)施工順序:施工拉底巷道→T－100 鉆機按照設計施工下向孔(包括主爆孔和預裂孔)→施工切割天井→裝藥→連線→整個礦房一次性爆破成型。爆破連線從一端開始按照設計網路逐次串聯，逐孔起爆網絡及礦石移動方向見圖2。

圖2 預控頂礦房逐孔起爆網絡及礦石移動方向Fig.2 Hole-by-hole denotation network and ore moving direction of pre-control roof room

逐孔爆破后效果優勢明顯，與普通排間微差爆破相比，實施逐孔起爆時，先爆炮孔為后爆炮孔創造更多的自由面，爆破應力波反射充分，從而達到充分利用炸藥能量的疊加作用，炸藥用量最經濟、合理，產生的爆破作業震動也最小。

5 結 論

(1)預控頂下向鑿巖逐孔起爆工藝能夠預先有效支護礦房頂板，保證了礦房內作業人員安全，減少了事故發生，同時大幅提高了礦房產能，提高了采礦效率，以走向長度54 m 礦房為例，采用上向水平分層充填采礦法每個礦房生產能力平均為3 500 t/月，新采礦方式可將產量提高至6 000 ～8 000 t/月，礦房產能大幅提高。

(2)連線爆破只采用4 ～5 個不同段別的延期雷管按逐孔起爆網絡連接方式串聯，簡便易施工，不易出錯。

(3)采用逐孔起爆破技術，單響藥量控制在1 ～2個孔，這有利于周邊巷道的保護，減少爆破震動帶來的地壓活動，特別是地表有居民的地下礦山。

(4)逐孔起爆技術由于增加了礦巖間的碰撞，改善了爆破塊度，降低大塊率，減少二次爆破頻度，降低炸藥消耗。

(5)預控頂中深孔逐孔起爆工藝實現采場一次爆破成型，減少安全維護，減少在采空區作業時間，同時能夠擴大爆破規模、提高生產效率，提高礦山綜合效益。

［1］ 孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當代膠結充填技術［M］. 北京:冶金工業出版社，2003.

Sun Henghu，Huang Yucheng，Yang Baogui.Contemporary Cemented Filling Technology［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2003.

［2］ 任吉明，董峻嶺，權福華.試論金嶺鐵礦階段礦房法的頂板暴露面積［J］.冶金礦山設計與建設，2001，33(1):5-7.

Ren Jiming，Dong Junling，Quan Fuhua. Jinling iron roof on stage room mining method in design and construction of an area of exposed［J］.Metal Mine Design ＆ Construction，2001，33(1):5-7.

［3］ 王 青，任鳳玉.采礦學［M］.北京:冶金工業出版社，2011.

Wang Qing，Ren Fengyu.Mining Science［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2011.

［4］ 張德明，李少磊，徐恩華.新礦山采礦設計手冊［M］. 徐州:中國礦業大學出版社，2007.

Zhang Deming，Li Shaolei，Xu Enhua. Design Manual of New Mine［M］. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2007.