一次鑿巖分段爆破高效安全成井技術研究

熊曉晨，龔永超

(1.五礦礦業(yè)（邯鄲）礦山工程有限公司， 河北 邯鄲市 056000；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410006)

0 引 言

由于風溜井影響著井下全系統(tǒng)的運行，同時其施工又是一項重要的施工難題，所以在業(yè)界風溜井掘進一直備受關注。目前，已經形成的風溜井掘進方法有普通法、吊罐法、爬罐法、深孔爆破法以及鉆井法5種方法。前3種方法需要人員進入井筒內作業(yè)，作業(yè)環(huán)境差、安全性低、成本高、效率低下，目前大型礦山使用較少，鉆井法是近幾年發(fā)展起來的新型施工方法，雖然人員作業(yè)條件得到改善，但存在設備成本高，以及設備故障率高等問題[1]，而且還需要其他作業(yè)配套，其隱性成本更高。相比這4種方法，深孔爆破法因人員無需進入井筒內作業(yè)，作業(yè)環(huán)境好，同時具備設備操作簡單、施工效率高等優(yōu)點，成為近幾年研究的熱點，在各礦山也一直是推廣的對象。李樓鐵礦應用深孔爆破法，形成了一次鑿巖分段爆破施工工藝，本文對其掘進模式及爆破參數的選擇進行了介紹。

1 李樓鐵礦開采概況

李樓鐵礦鐵礦石資源儲量27624萬t，主要由5個礦體組成，主要開采LⅠ號礦體，其儲量占全礦床儲量的85.35%，礦體長2800 m，賦存標高-52～-862 m，厚度25.5～96.5 m，平均48.2 m。礦體巖石主要為片巖、片麻巖、白云石大理巖，裂隙、巖溶均不發(fā)育，巖石完整性較好。

礦山設計生產規(guī)模為500萬t/a，采礦工藝為分段鑿巖階段出礦嗣后充填法，中段高度100 m，分段高度25 m，回采使用阿特拉斯1354鑿巖臺車進行中深孔鑿巖，上向扇形中深孔爆破。目前主要開采-400 m中段，-325 m水平、-350 m水平、-375 m水平為鑿巖水平，-400 m水平為出礦水平，-425 m水平為運輸水平，-300 m水平為南盤充填水平，-275 m水平為北盤充填水平，-250 m水平為回風水平。因李樓鐵礦生產規(guī)模大，南北沿脈巷、運輸巷延伸長，生產過程中需要大量風溜井。根據2018年生產數據統(tǒng)計，李樓鐵礦共計施工風井、溜井26條。為加快施工進度，保證施工安全，進一步推廣一次鑿巖分段爆破施工工藝的應用，本文結合生產實際對該工藝進行探索研究。

2 高效安全成井技術

一次鑿巖分段爆破施工主要包括鉆孔和爆破施工，鉆孔施工關鍵在于鉆孔偏斜度的控制，爆破主要是解決天井掘進的夾制性。目前，該技術已成功應用于李樓15#風井、15-1#溜井以及275 m水平5-3充填井，并取得了良好的使用效果。

2.1 工藝流程

風溜井施工時，均從各鑿巖水平分段進行施工，施工高度平均21 m。根據目前設備及生產組織情況，使用CS150D鉆機或者KQG-150鉆機鉆鑿一組平行孔，然后分若干次爆破，從而形成設計的規(guī)格。此工藝主要包括鉆孔和爆破兩步，施工流程見圖1。

2.2 鉆孔布置

李樓鐵礦風溜井直徑 4 m，井高 21 m，設計采用有掏槽爆破成井技術[2]，掏槽方式為桶形掏槽。為保證有足夠的初始補償空間，經計算，采用三空孔桶形掏槽。同時考慮炮孔成孔速度和設備情況，中心孔與掏槽孔孔徑選擇Φ140 mm，輔助孔及周邊孔孔徑Φ120 mm[3]。

掏槽孔至空孔的距離 L可按以下的公式計算：

式中，L為掏槽孔至空孔距離，mm；D為空孔直徑，mm。

經計算，L=364～630 mm，考慮孔偏斜，L取400 mm。

結合爆破內部作用，同時考慮風溜井斷面規(guī)格，設計輔助孔6個，距井中1.1 m，孔間夾角60°；周邊孔6個，距井中2 m，孔間夾角60°[5]。爆破布孔見圖2。

圖2 天井爆破布孔圖

鉆孔時，施工要點是鉆孔精確定位與偏斜度的控制，尤其是掏槽孔與空孔的施工，鉆孔施工越精確，爆破成功率越高。鉆孔設備使用CS150D鉆機或者KQG-150鉆機，鉆機鉆孔深度可達100 m，孔偏斜可控制在1%以內[6]。根據以往施工經驗，鉆機進場支鉆前，應對圖紙進行現(xiàn)場布孔，并做好標記，以明確鉆孔位置。鉆孔施工時，要把握以下三個原則，以控制鉆孔偏斜率[7]：

（1）支鉆平（支鉆時，用靠尺測量，多調試，直至鉆機支平）；

（2）開孔慢（開孔時，鉆桿易擺動，慢速開孔）；

（3）中間調（施工第一根鉆桿過程中，用靠尺測量鉆孔垂直度，若不垂直，及時調整）。

2.3 驗孔及堵孔

在上水平清理鉆孔產生的碎渣時，應炮孔進行防護。同時，繪制現(xiàn)場孔位圖，并測量每孔深度，與設計圖紙進行對比，若有問題，及時調整。

根據測孔數據，進行堵孔作業(yè)。堵孔時，應先用編織袋裝適量干細沙，并將沙袋加工成圓柱形，直徑略小于鉆孔直徑，然后用防靜電繩將圓柱形沙袋綁緊，沿炮孔下放至孔底；抖動鐵絲使沙袋自然展開，干細沙集中到沙袋邊角；充分抖動后，干細沙不斷集中，逐漸形成大于鉆孔直徑的沙包；上拉鐵絲，使沙袋充分堵死孔底，上部使用木棍將繩子固定牢固，完成堵孔過程。堵孔見圖3。

2.4 裝藥與爆破

（1）分段高度。風溜井斷面直徑為4 m2，當補償系數為0.55～0.7時，分段高可達5～7 m；若補償系數＜0.5時，則分段高取2～4 m較為適宜[8]。21 m高的井，一般分4次爆破，爆破高度分別是4，4，4，9 m。因最后一次爆破高度較高，為提高爆破成功率，采用分層爆破，但分層爆破時，易在分層位置卡脖子，導致斷面不夠。經過探索，最終采用掏槽孔和輔助孔分層爆破對周邊孔一次起爆，以解決上述問題。

圖3 堵孔

（2）裝藥結構。裝藥使用袋裝顆粒炸藥（25 kg/袋），根據孔徑大小，計算線裝藥密度，并進行現(xiàn)場試驗，確定每孔裝藥量。不同孔徑鉆孔裝藥量見表1。

表1 不同孔徑鉆孔裝藥量

裝藥時，每孔下部堵塞0.5 m細沙，上部堵塞1 m細沙，中間分層時，中間加入1 m細沙。掏槽孔及輔助孔采用連續(xù)裝藥；周邊孔每裝入0.5 m炸藥，即裝入0.5 m長竹筒，進行間隔裝藥。為提高傳爆效率，孔內敷設導爆索[9]。裝藥結構如圖4。

每孔裝藥完成后，需要再次對裝藥水平高度進行找平，目的是確保每孔裝藥高度一致，爆破后井下部巖面齊整，便于下次爆破施工，同時也保證成井質量。

（3）起爆方式。起爆采用毫秒雷管微差起爆[10]，雷管需加工起爆彈。

（4）起爆順序。爆破 4 m時，起爆順序為1#→5#→8#→6#→9#→7#→10#→11#→14#→12#→15#→13#→16#；

爆破9 m時，第一層先響，第二層后響，孔間起爆順序與爆破4 m時相同。

圖4 炮孔裝藥結構

2.5 材料消耗

（1）顆粒炸藥：本次爆破共分4次，爆破4 m時，每次炸藥消耗量382.81 kg，最后一次爆破9 m時，消耗765.63 kg，總消耗1914.06 kg，每袋炸藥25 kg，總計需要77袋。

（2）導爆索：導爆索960 m，每盤導爆索50 m，共需20盤。

（3）雷管：爆破4 m時，每次30 m雷管消耗26根，5 m連接管消耗3根，最后一次爆破9 m時，30 m雷管消耗40根，5 m連接管消耗3根。

（4）導爆管：總共起爆4次，需要4盤導爆管，每盤500 m。

2.6 施工要點

爆破施工要點是測孔，通過測孔實時掌握各孔內情況，每次爆破總共需要進行6次測孔，分別是：

（1）堵孔前測孔，判斷本次爆破能夠利用的炮孔；

（2）沙袋堵孔后測孔，準確測量孔深；

（3）下部堵沙后測孔，判斷堵孔效果，檢查是否漏沙；

（4）裝藥后測孔，測量裝藥高度；

（5）裝藥找平后測孔，判斷每孔裝藥高度是否在同一水平面；

（6）上部填沙后測孔，判斷上部填沙是否達到設計要求（1 m）。

3 效果分析

采用一次鑿巖分段爆破工藝施工風溜井，避免了人員在受限空間內作業(yè)，消除了高空作業(yè)的危險，降低了頂板和炮煙對作業(yè)的影響，作業(yè)環(huán)境得到改善，保證了施工人員的安全。同時，一次鑿巖分段爆破工藝設備操作簡單，作業(yè)勞動強度低，工藝相對成熟，成井成功率較高。

另外，采用一次鑿巖分段爆破工藝在工期及經濟成本上也優(yōu)于普通法。根據計算，一次鑿巖分段爆破工藝施工作業(yè)成本為240元/m3，而礦山目前采用的普通法掘進天井的成本為477元/m3，其成本僅為普通法掘進天井成本的一半，此工藝是經濟可行的。兩種工藝對比見表2。

表2 普通法與一次鑿巖分段爆破法對比

4 總 結

李樓鐵礦采用一次鑿巖分段爆破工藝施工風溜井，成型后的溜井壁面光滑，爆堆集中，無大塊，達到了預期效果，滿足使用要求，而且其安全性也極大提高。同時，其前期準備工作少，掘進效率高，目前，每月每臺鉆機可施工4條井。相比于普通法，每條井可節(jié)約成本5.46萬元，具有推廣價值，可以應用到其他金屬礦山。