高天井一次成井技術(shù)及工程應(yīng)用

閆小兵

高天井一次成井技術(shù)及工程應(yīng)用

閆小兵

(湖南漣邵建設(shè)工程（集團）有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000)

堅硬巖層中施工切割天井多采用普通法或吊罐法，其施工速度及安全性問題長期以來難以得到有效解決。針對高天井成井技術(shù)的難題，提出了高天井一次成井技術(shù)，并應(yīng)用于會寶嶺鐵礦，成功實現(xiàn)了會寶嶺鐵礦70 m高礦房切割天井施工，施工速度是原施工方法的17.5倍，而費用僅約為原施工方法的70%，可在類似工程中推廣應(yīng)用。

高天井;一次成井;安全高效

0 前 言

切割天井施工是切割槽爆破過程中的一道非常重要工序，施工比較困難，且作業(yè)環(huán)境惡劣，是礦山生產(chǎn)過程中的難題[1]。切割天井的施工作業(yè)主要根據(jù)現(xiàn)場條件、所采用的采礦方法、礦山機械化程度、采礦裝備水平及礦山的產(chǎn)量等要素共同確定，綜合考慮各種因素，選取技術(shù)上便于實施、安全性能較高、經(jīng)濟上較為合理、施工工期較短且對采礦生產(chǎn)影響較小的方法。

目前對于切割天井的施工一般采用普通法或吊罐法[2-8]。當(dāng)采用吊罐法進行切割天井施工時，一般采用水平吊罐法[9]，采用該方法開展切割天井施工時，施工過程中需要不斷將施工設(shè)備搬運至切割水平面，其施工十分復(fù)雜，并且勞動強度極大，上水平施工時，通風(fēng)比較困難，存在較大的施工安全隱患，同時，施工出渣較為困難，需通過漏斗運出。當(dāng)采用普通法施工掘進天井時[10]，該方法勞動強度較大，作業(yè)安全不能得到很好的保證，作業(yè)工期較長，總體施工成本較高，不利于礦區(qū)的生產(chǎn)銜接，嚴(yán)重影響井下高效采礦。因此在生產(chǎn)實際應(yīng)用中需要結(jié)合礦井的具體情況，采用符合實際情況的切割天井施工方法。

會寶嶺鐵礦主要采用階段礦房大礦段深孔落礦嗣后充填高效采礦法（FCM法）進行采礦。FCM法采礦階段高度70 m，采用中深孔與大孔徑深孔組合一次性回采全階段礦石，此方法要求切割天井同樣為礦房高度70 m，高天井安全施工是一項重大技術(shù)難題。現(xiàn)階段會寶嶺鐵礦切割天井的施工方法主要為吊罐法，此方法施工切割天井受限因素多，施工進度慢，安全性低，且安全監(jiān)管難度大，因此會寶嶺鐵礦一直在尋求一種安全高效的高切割天井施工方法。相對于一次成井技術(shù)，反井鉆機技術(shù)施工出的天井?dāng)嗝孑^小，仍舊需要人員進入天井進行擴刷作業(yè)，安全問題沒能得到徹底解決，而一次成井技術(shù)可解決高天井施工中的各類問題。

1 工程概況

會寶嶺鐵礦13127礦房高度70 m，切割天井布置于礦房的西南側(cè)，斷面3 m×3 m，高66 m，采用高天井一次成井法施工。13127礦房礦體呈陡傾斜的層狀、似層狀，產(chǎn)于山草峪組變質(zhì)地層中，含礦巖石為條帶狀磁鐵角閃石英巖、磁鐵石英角閃巖等，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造。礦體穩(wěn)定，連續(xù)性好，較完整，裂隙不甚發(fā)育，物理力學(xué)強度高，飽和單軸抗壓強度112～229 MPa，抗剪強度24.4～17.0 MPa，為極堅硬巖類。礦體TFe品位31.36%，MFe15.9%。礦石中主要鐵礦物為磁鐵礦，礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造以條紋條帶狀為主，少量致密塊狀構(gòu)造。礦石的自然類型按主要鐵礦物劃分屬磁鐵礦石。主要分布于角閃石或石英晶粒之間，少量分布于角閃石之內(nèi)或其邊緣。鋼灰色、灰黑色，他形?半自形粒狀，粒徑0.01～1.0 mm，個別可達4 mm，集合體呈浸染狀、團粒狀、條帶狀、薄層狀，部分顆粒長軸方向與條帶一致，個別顆粒被壓扁拉長。13127礦房礦體平均傾角為82°。

2 高天井一次成井技術(shù)實施方案

2.1 工藝原理

一次成井技術(shù)按成井爆破次數(shù)分為一次爆破成井和分層爆破成井，按使用藥包類型分為平行空孔掏槽爆破成井和球狀藥包爆破成井[2]。分層爆破成井按一次成井高度 10 m 為界分為高分層爆破成井和低分層爆破成井。本文高天井一次成井施工方案為平行空孔掏槽分層爆破成井，爆破順序由下往上逐層爆破。在天井施工過程中，首先在天井上口位置安裝鉆機鉆鑿炮孔，所有炮孔一次鉆鑿?fù)瓿桑慌诳足@鑿?fù)瓿珊髲呐诳椎纳峡谶M行裝藥爆破作業(yè)，爆破分層進行，直至將天井全部爆破完成；爆渣從天井下口位置采用鏟運設(shè)備運出，以確保高天井內(nèi)不存渣，爆破時有足夠的補償空間。在整個施工過程中，無需施工人員進入高天井內(nèi)部，從根本上解決了人員進入高天井內(nèi)施工時墜落、窒息、浮石傷人等安全問題。

2.2 爆破炮孔參數(shù)確定

高天井一次成井技術(shù)中爆破炮孔參數(shù)是關(guān)鍵。13127礦房切割天井高66 m，炮孔布置時必須考慮鉆機施工炮孔的精度，加大炮孔直徑才能拉遠(yuǎn)炮孔間距為鉆機施工提供有利條件。本方案為礦房內(nèi)拉槽切割天井，以切割槽寬度為基準(zhǔn)切割天井布置為方形，在現(xiàn)場施工中，以井筒形狀需求為準(zhǔn)可適當(dāng)調(diào)整周邊孔位置以控制井筒形狀。

會寶嶺鐵礦FCM法采礦深孔直徑為165 mm，為了利用現(xiàn)有施工設(shè)備，高切割天井的炮孔直徑定為165 mm，以有利鉆孔施工原則，確定加大補償孔的直徑，補償孔直徑為300 mm。炮孔施工采用CK-150潛孔鉆機，直徑165 mm的炮孔施工速度約為40 m/臺·班。直徑300 mm的炮孔先施工165 mm的炮孔，然后換用300 mm的鉆頭進行擴孔。高切割天井炮孔采用螺旋掏槽方式布置，共計施工9個孔，方形天井炮孔布置見圖1。

圖1 炮孔布置示意圖（單位：mm）

由圖1計算2#孔的補償系數(shù)為：

（1）

式中，為補償系數(shù)；0為待爆巖體體積；1為補償空間。

同理計算其余各孔的補償系數(shù)，驗算可知炮孔布置滿足補償空間要求，炮孔布置合理。

2.3 爆破施工作業(yè)

依據(jù)在相同巖層條件下的礦房深孔爆破實踐經(jīng)驗，該高天井爆破裝藥形式采用不耦合連續(xù)裝藥。裝藥時先將炮孔下口封堵嚴(yán)實，再裝入直徑100 mm的藥包，使用導(dǎo)爆索全程穿過藥包，將導(dǎo)爆索引出孔口，藥包裝好后對炮孔進行堵塞。待全部炮孔裝藥完成后，使用導(dǎo)爆管雷管連接導(dǎo)爆索形成起爆網(wǎng)路。

（1）高天井炮孔下口堵塞。高天井炮孔下口堵塞有木楔法、木塞法、托盤法等多種形式，但操作過程均較復(fù)雜，適用條件有一定局限性。本著操作簡便、成本低廉的原則，使用了混凝土吊盤法。首先在炮孔裝藥前制作混凝土吊盤，混凝土吊盤直徑應(yīng)略小于炮孔直徑，以便吊入孔內(nèi)，制作好的混凝土吊盤待其凝固后備用。裝藥時使用鐵絲將混凝土吊盤放至孔底，然后就地取材，將鉆孔作業(yè)時產(chǎn)生的礦粉直接裝入炮孔，堵塞至設(shè)計高度。下口堵塞高度一般不超過炮孔最小抵抗線，可有效防止爆破過程中巖體內(nèi)部爆碎而下自由面巖體不拋出的問題。

（2）裝藥。爆破使用2#巖石乳化炸藥，將導(dǎo)爆索綁扎在直徑100 mm的藥包上，隨藥包放入炮孔內(nèi)，每次爆破時將藥包從孔口放入，使用吊繩依次將藥包吊裝至孔底，達到設(shè)計裝藥高度時停止裝藥，每次爆破裝藥高度約5 m。

（3）高天井炮孔上口堵塞。裝藥完成后，按爆破設(shè)計將礦粉裝入炮孔，堵塞至設(shè)計高度，炮孔上口堵塞高度一般略大于炮孔最小抵抗線，以防止爆破時將裝藥部位以上炮孔破壞，影響后續(xù)爆破。炮孔裝填過程中將混凝土吊盤鐵絲、藥包吊繩、導(dǎo)爆索等固定在孔口橫桿上，防止墜入孔內(nèi)。裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（4）聯(lián)線起爆。所有分層炮孔裝填完成后，使用延期時間為半秒的導(dǎo)爆管雷管聯(lián)接孔口的導(dǎo)爆索，組成起爆網(wǎng)路，遠(yuǎn)程起爆。

（5）爆破效果。每次爆破分層裝藥高度為5.5 m（含堵塞段），經(jīng)爆破后實測進尺平均能達到5.2 m。爆破后切割天井周邊平滑，切割天井成形良好。

3 安全經(jīng)濟效益分析

3.1 安全性分析

普通法、吊罐法施工天井，人員進入高天井后將面臨中毒窒息、片幫冒頂、墜罐等多重危險，安全管控難度大，難以從本質(zhì)上實現(xiàn)安全生產(chǎn)。高天井一次成井技術(shù)施工天井過程，全程無需人員進入天井內(nèi)部，可從根本上解決普通法施工天井的安全問題。

3.2 施工速度分析

高天井一次成井技術(shù)施工工期短，與普通法施工天井普遍采用單班作業(yè)制相比，其每天一個作業(yè)循環(huán)，進尺2 m，施工一條70 m的天井至少需要35 d。但采用高天井一次成井技術(shù)施工，共需要鉆孔10個（鉆孔9個，擴孔1個），合計鉆孔長度700 m，鉆孔施工時間為6 d，爆破作業(yè)時間為14 d，天井施工總時間為20 d。

由此對比可知一次成井法施工天井的速度為普通法的1.75倍。

3.3 經(jīng)濟性分析

高天井一次成井法與普通法施工天井相比，后者單價約為800元/m3，施工一條斷面為3 m×3 m，高70 m的天井費用共計50萬元。而高天井一次成井法施工天井鉆孔費用約為10萬元，人工費為1.5萬元，火工品費用為23萬元，施工同樣規(guī)格的天井總費用約為34.5萬元。高天井一次成井技術(shù)施工天井的費用約為普通法的70%。

4 結(jié) 論

高天井一次成井技術(shù)在FCM會寶嶺鐵礦的成功應(yīng)用表明，該技術(shù)安全、經(jīng)濟、高效，具有較大的社會經(jīng)濟效益，該技術(shù)可為國內(nèi)外類似的工況施工提供技術(shù)支撐，可在類似的天井、溜井施工中推廣應(yīng)用。

[1] 羅 佳,詹 進,林衛(wèi)星,等.李樓鐵礦切割天井形成方案試驗研究[J].有色金屬(礦山部分),2016,68(2):69-72.

[2] 李啟月,李夕兵,范作鵬,等.深孔爆破一次成井技術(shù)與應(yīng)用實例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013,32(4):664-670.

[3] 周傳波,谷任國,羅學(xué)東.堅硬巖石一次爆破成井掏槽方式的數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(13):2.

[4] 趙井清,趙國彥,李啟月,等.基于深孔預(yù)裂的球狀藥包爆破一次成井技術(shù)[J].爆破,2013,30(3):49-53.

[5] 李廷春,劉洪強,張 亮.超深孔一次和分段爆破成井技術(shù)試驗[J].爆破,2012,29(3):61-64.

[6] 田舉博,蔡 蓓.分段礦房嗣后充填法在李樓鐵礦的應(yīng)用[J].金屬礦山, 2012(6):19-21.

[7] 饒運章,張中亞,舒太鏡,等.會寶嶺鐵礦全尾砂廢石復(fù)合充填體沉降試驗[J].金屬礦山,2015(11):37-41.

[8] 宋百樹,陳仁敏,彭家斌,等.薩熱克銅礦分段空場嗣后充填采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].現(xiàn)代礦業(yè),2016(1):8-12.

[9] 聞奎武.中深孔形成切割天井的設(shè)想[J].有色礦冶,2002,18(1): 12-15.

[10] 劉海波,楊振增,王 磊,等.淺析普通法天井施工方法[C]//魯冀晉瓊粵川遼七省金屬(冶金)學(xué)會第十九屆礦山學(xué)術(shù)交流會論文集(采礦技術(shù)卷),濟南,2012.

(2018-05-15)

閆小兵(1985—),男,陜西隴縣人，采礦工程師,研究方向金屬礦山采礦技術(shù),Email: 297343110@qq.com。