鏡鐵山礦井下切采一體化技術

陳永祺 王小林 程國華 任國芳(酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司技術中心，甘肅 嘉峪關 735100)

1 切采一體化技術研究背景與意義

在國內無底柱分段崩落法的切割工序中，最初的切割自由面大多是由人工使用風動鑿巖設備(YG90或YT28鑿巖機)，施工切割天井或切割硐室爆破形成(稱傳統切割方法)。鏡鐵山礦切割工藝技術經歷了切割天井和切割硐室的過程，目前采用切割小井與深孔聯合的切割技術，切割小井依然采用人工掘鑿的方式。

人工掘鑿切割工程的方法存在生產效率低，勞動強度高，作業環境差，生產成本高等突出問題，并影響后續礦石的落礦回采工作。其突出問題如下:

(1)人工施工切割工程是在中深孔鑿巖和礦石回采工序之間進行，是回采工作不可缺少的一項準備工作。受人工掘鑿切割工程準備時間較長的影響，切割工作工序與回采落礦工序不能形成有機的結合，影響回采生產效率。

(2)人工掘鑿天井施工時間長，切割工作效率低。據統計，每套切割天井施工時間在10～15 d，切割硐室時間更長在15～30 d。

(3)傳統切割方法由于操作人員在天井內施工，因鑿巖過程中產生大量的粉塵和水霧，空氣污染嚴重，作業環境惡劣，極大地影響作業人員的身心健康。礦山施工切割工程的職工隊伍中每年均有矽肺職業病的發生，嚴重影響企業形象和社會穩定。

(4)傳統切割方法生產成本高。切割天井切割成本約為27 000元/套，硐室切割成本約40 000～ 60 000元/套。

(5)傳統切割方法造成切割部位較高的礦石損失。采用切割天井的切割方法，由于天井兩側為實體，需要施工中深孔爆破后進一步擴大自由面，而自由面的擴大受切割面狹小挾制力大和深孔不易布孔的影響，小井兩側切割效果差，礦石回收率低。采用硐室爆破切割，則存在切割部位礦石爆破不均勻，回收率更低的情況。鏡鐵山礦井下切割小井與深孔聯合切割的方法，切割部位的礦石回收率僅為40%～60%，礦石損失率是正常深孔落礦的3倍多。

鏡鐵山礦采用切割小井與切割深孔聯合切割的工藝技術，盡管比硐室爆破切割有較大的改善，雖然提高了爆破效率，也大大降低了工人勞動強度，但也存在爆破不理想嚴重影響礦石回收率的問題。由于切割小井施工質量差，切割小井與切割深孔不能有效配合，切割部位需要爆破3～4排深孔(實際是切割懸頂)，方可與上水平切開，形成正常的切割自由面，由此造成切割部位礦石回收率的降低，同時也帶來了懸空區生產的安全隱患。

針對以上突出問題，研究采用中深孔一次爆破形成切割的新工藝技術，用深孔替代切割小井，回采生產時將切割部位的切割深孔先行爆破，以形成后續落礦深孔爆破的自由面，簡化回采切割工序，提高切割效率，降低了切割成本，實現切采一體化生產。

切采一體化新工藝技術取代人工鑿巖切割天井的傳統工藝，使深孔鑿巖一次性完成，切割與回采落礦緊密銜接，不僅理順了生產工序，提高了切割效率，降低了切割成本，而且也避免了切割天井施工中矽肺職業病的發生，對礦山的生產與安全具有重要的意義。

2 切采一體化技術方案

深孔爆破一次形成切割自由面的方法[1]是基于高精度設備掘鑿高質量炮孔，借助不裝藥空孔為爆破補償空間，采用一次性裝藥分段爆破方式，一次爆破形成后續落礦中深孔爆破所需的自由面。其過程是在切割巷道或進路形成后，在施工落礦中深孔的同時，在初始切割部位施工切割中深孔。在回采礦石時，只需先將切割部位的切割深孔爆破，即可為后續落礦中深孔形成初始的爆破自由面，滿足回采落礦工藝需求。

鏡鐵山礦利用現有Simba 1354臺車，研究其定向釬桿、定向釬頭施工高精度炮孔功能，以及其平行移動施工平行孔和擴孔形成大直徑空孔的功能，實現切割炮孔的鑿巖，并研究通過分段微差爆破技術，實現切割深孔的一次性爆破切割。

切采一體化研究的主要內容：

(1)研究提高Simba 1354臺車炮孔施工精度，通過局部炮孔鑿巖試驗，測定利用定向釬桿、定向釬頭施工炮孔的精度，為切割孔網參數設計提供依據。

(2)研究現有4.2 m×3.8 m斷面巷道條件下施工平行孔的工藝技術，包括前后與左右平移技術，制定并完善切割深孔施工工藝技術。

(3)研究Simba 1354臺車擴孔功能，實現直徑89 mm擴大至127 mm。

(4)研究切割深孔布孔設計，主要先按理論選定空孔與掏槽孔、輔助孔之間的孔距，通過補償系數測算，初步確定布孔方案，并通過現場實驗，優化布孔設計，取得較好的切割效果。

(5)研究切割深孔爆破工藝技術，形成切割深孔爆破技術標準。

(6)研發無底柱分段崩落法切采一體化工藝技術，形成工藝技術標準與相關發明專利。

切割深孔包括中心裝藥孔、空孔、輔助孔和切割扇形孔，其布置方案見下圖1和圖2。

圖1 深孔爆破切割立面Fig.1 Elevation of deep hole blasting cutting

(1)中心裝藥孔為初始爆破炮孔，以周圍大孔徑空孔為自由面，爆破后形成以空孔為輪廓的空間，為輔助炮孔的爆破提供自由面和補償空間。中心裝藥孔直徑φ89 mm，采用Simba 1354臺車鑿巖。

(2)空孔為深孔一次性切割的初始補償空間，炮孔的直徑、孔數和孔距為本試驗的核心技術。炮孔直徑φ127 mm，采用Simba 1354臺車鑿巖施工。

(3)輔助裝藥孔為進一步擴大切割深孔爆破補償空間的炮孔，輔助炮孔直徑為φ89 mm，采用Simba 1354型臺車鑿巖施工。

(4)切割扇形孔為2排扇形深孔，每排切割扇形孔為2個放射中心，切割扇形孔孔徑為φ89 mm，采用Simba 1354型臺車鑿巖施工。

(5)切割扇形孔的鑿巖，可采用Simba 1354臺車在施工落礦深孔時一次性施工[2]。

(6)切割深孔爆破時，采用一次性裝藥分段微差爆破技術。

3 工業試驗與技術改進

3.1 Simba 1354臺車精度測定與提高技術研究

為了滿足中深孔一次爆破形成切割空間的需要，鏡鐵山礦對Simba 1354臺車中深孔鑿巖精度進行了測定與提高精度試驗研究[3]，發現正常施工的中深孔偏斜率達到5.9%～6.8%；在采用導向鉆管與導向鉆頭后，中深孔偏斜率降低至4.4%；采用新釬桿、導向鉆管和導向鉆頭，在較低的推進壓力下中深孔偏斜率降低至1.8%。

3.2 切割工藝技術方案試驗

依據Simba 1354臺車中深孔鑿巖精度測定結果，盡管采用新釬桿與導向鉆管、導向鉆頭施工切割中孔，炮孔深度超過15 m時，從理論上講孔底偏差達到300 mm以上，如果考慮炮孔施工時人工操作誤差，利用Simba 1354臺車施工切割中深孔是不能滿足切采一體化工藝技術需求的。因此，對鏡鐵山礦現有段15 m(高)×18 m(間距)結構參數的切割，先采用切割部位對應上水平巷道的設計方案，具體見圖3所示。

2016年9月至2017年8月，在鏡鐵山礦樺樹溝井下鐵礦進行了切采一體化技術方案的試驗，上分段有切割巷的深孔切割共設計施工28套，已爆破14套，全部達到了預期的切割效果。切割地點與爆破效果見表1。

圖3 上分段有切割巷的深孔切割炮孔布置Fig.3 Arrangement of deep cutting blasting holes with cutting roadway at upper section

表1 上分段有切割巷的深孔切割爆破統計Table 1 Statistics of deep hole cutting blasting with cutting roadway at upper section

3.3 切割工藝技術改進

井下生產實際情況是下分段切割部位對應上分段的礦柱，考慮鏡鐵山礦以后無切割巷切割的工藝技術發展需求，這種形式的切割將占主導地位。針對下分段切割部位對應上分段礦柱的深孔切割，借助Simba 1354臺車施工平行炮孔的功能，從進路一側向上分段側邊進路施工傾斜切割深孔，兩側同時施工切割扇形深孔，以傾斜切割深孔爆破后產生的自由面為初始爆破自由面和補償空間，通過分段微差爆破依次將切割面爆破擴大，為后續正常落礦中深孔的爆破創造自由面。其核心技術是以較低的初始切割高度逐漸擴大至較高的切割高度，以滿足大間距結構參數下對切割高度的需求，同時也彌補了Simba 1354臺車對炮孔施工精度偏低的不足。具體設計方案見圖4所示。

圖4 上分段無切割巷的切割深孔設計Fig.4 Design of deep cutting hole without cutting roadway

改進后的設計方案在樺樹溝各礦體進行了試驗，共設計施工12套，其中爆破4套，全部達到了設計預期的效果。具體試驗統計見表2所示。

表2 上分段無切割巷的切割深孔爆破統計Table 2 Statistics of deep hole cutting blasting without cutting roadway at upper section

4 切采一體化工藝與技術特點

切采一體化工藝技術是在施工正常落礦中深孔的同時施工切割深孔，在礦石回采前先將切割深孔爆破，為正常落礦中深孔創造爆破自由面。而切割深孔的施工基于正常中深孔施工設備，使礦石回采前不再需要進行單獨的切割工作，不僅簡化回采生產工序，提高礦塊回采準備效率，也可大大縮短備采礦量的保有期，提高礦山整體經濟效益。

切采一體化工藝技術的核心是深孔爆破切割，借助高精度鑿巖設備掘鑿高質量炮孔，以不裝藥空孔為爆破補償空間，采用一次性裝藥分段微差爆破技術，形成后續落礦中深孔爆破所需的自由面[4]。鏡鐵山礦通過理論研究與實踐探索，總結出了切采一體化工藝技術，其技術特點如下。

(1)利用常規中深孔施工設備，可實現切割深孔的施工。利用施工中深孔的常規設備Simba 1354臺車，在研究利用定向釬桿與定向釬頭配合條件下施工高精度炮孔功能的基礎上，利用其平行移動功能施工平行炮孔，擴孔形成大直徑的空孔，實現切割炮孔的鑿巖。并研究通過分段微差爆破技術，能夠實現切割深孔的一次性爆破切割。

(2)在較小的補償系數條件下，可實現深孔爆破切割。依據理論確定最初的補償系數，通過現場試驗，并進一步優化孔網參數，最終確定合理的補償系數，取得理想的切割效果。通過實踐，采用一定的補償系數，能夠實現中深孔爆破切割的理想效果。

(3)在合理的微差時間下，可解決切割深孔之間爆破時的依次拋碴難題。深孔切割的主要技術難點是炮孔之間的爆破拋碴問題，即先爆破的炮孔產生的巖碴能否及時拋出，為后爆破的深孔提供自由面及所需的補償空間。通過實踐驗證，采用500 ms的間隔時間，能夠實現炮孔間依次拋碴與提供所需的補償空間。

(4)可減少單獨的切割工序，提高切割效率。井下礦石的開采，切割工序是必不可少的生產工藝環節。切采一體化技術的實施，可減少單獨的切割工序，通過在施工正常落礦中深孔的同時，一次性施工好切割深孔，在回采時先行爆破切割深孔即可形成切割條件。以切割天井為例，其施工時間一般為10～15 d，而切采一體化工藝僅需要2～3 d時間，切割效率大幅度提高。

(5)切采一體化工藝相對簡單。切采一體化技術與傳統的切割天井工藝相比，施工工藝簡單，只需操作人員按工藝要求施工合格的炮孔，即可通過爆破實現深孔切割的目的，為正常落礦中深孔的爆破創造必要的自由面。

(6)切采一體化施工勞動強度小。利用深孔鑿巖臺車施工切割深孔替代人式掘鑿切割天井，不再需要人工架設操作平臺，保障了職工的身心健康。切采一體化技術改善了作業環境。應用切采一體化技術施工切割深孔時，避免了人工使用風動鑿巖設備作業時產生大量的粉塵，改善了作業環境，大大降低工人職業病的發生。

(7)切采一體化技術生產成本低。據測算，應用切采一體技術深孔切割成本約24 000元/套，而鏡鐵山礦目前使用的切割小井與切割深孔聯合的切割工藝，其切割成本約27 000元/套，切采一體化切割成本相對較低。

(8)切采一體化技術有利于降低礦山備采礦量保有期，進一步提升礦山經濟效益。切采一體化技術的實施，減少了原有人工施工切割的工序，可使深孔鑿巖與回采落礦工序緊密銜接，降低礦山備采礦量保有期，從而減少礦山資金積壓，提升礦山整體經濟效益。

5 研究與應用結論

(1)利用常規Simba 1354臺車可施工切割深孔，實現切采一體化技術應用。經過研究與實踐探索，盡管常規的Simba 1354深孔臺車鑿巖精度較低，但利用其平移和擴孔功能，能夠滿足15 m×18 m結構參數下深孔切割工藝技術需求，實現切采一體化技術的應用。實踐證明，雖然Simba 1354深孔臺車鑿巖精度較低，但在同一切割部位，炮孔的偏移具有同向性，使切割平行炮孔基本能夠保持平行度與孔間距，滿足切割深孔爆破的技術需求。若采用精度更高的鉆管鑿巖設備，不再擴孔即可實現深孔切割工藝，進一步優化生產工藝。

(2)較小的補償系數能夠滿足爆破切割需求。在試驗過程中，受鑿巖設備施工炮孔精度偏低的影響，前期采用了一定補償系數的技術方案，經過試驗驗證，采用一定的補償系數即可滿足爆破需要。補償系數的確定主要依據鑿巖設備施工精度和操作人員的技術水平而定，設備精度高、操作技術水平好可選擇較小的補償系數。

(3)選擇合適的微差時間[5]，可實現切割深孔間依次爆破拋碴的目的。深孔切割的施工采用一次性裝藥的分段微差爆破方式，而微差時間的選擇關系到先起爆炮孔產生的巖碴能否順利被拋出，并為后起爆的巖碴提供足夠補償空間與拋碴時間。實踐證明，采用合適的微差時間，能夠實現切割深孔間依次的爆破拋碴。

(4)切采一體化技術具有切割效率高、勞動強度小、生產成本低等突出優勢，具有廣泛的應用前景。通過生產現場試驗，切采一體化技術可簡化切割工序，大幅度提高切割效率；降低工人勞動強度，保障身心健康；切割工藝簡單，生產成本較低，可廣泛應用于井下切割拉槽等工程。

(5)傾斜深孔切割技術的研發，可降低深孔切割高度，實現大結構參數下切采一體技術的應用。在實驗15 m×18 m切采一體技術的試驗中，受中深孔施工設備鑿巖精度偏低的制約，試驗應用了傾斜深孔切割的技術方案，實踐證明技術方案不僅可行，也為鏡鐵山礦大結構參數下應用切采一體化技術提供了試驗依據。

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