復(fù)雜破碎大水礦床安全高效開采工程實踐*

郭 斌 王社光 王立杰 楊金光

（河北鋼鐵集團沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

河北某礦是國內(nèi)典型的水文地質(zhì)復(fù)雜的巖溶大水礦山，雖然前期采用了礦體帷幕注漿技術(shù)，目前坑內(nèi)水位仍高于開采中段，屬于強富水礦體。其礦體均賦存在巖漿巖與中奧陶系灰?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，屬于典型的接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦巖變化較大，礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，軟弱夾層較多且多為泥質(zhì)灰?guī)r，同時夾有碳質(zhì)片巖形成多個弱面，致使礦巖較為破碎，整體穩(wěn)固性不確定。經(jīng)考察，該礦礦巖最為破碎，且夾雜黃泥巖、綠泥巖。

依據(jù)礦體賦存條件，該礦初步設(shè)計采用階段空場嗣后充填采礦法，采用大孔徑深孔鑿巖、鏟運機出礦、嗣后充填的回采工藝。礦塊底部集礦塹溝采用YGZ-90型鑿巖機鑿上向扇形中深孔，集礦塹溝形成后在鑿巖硐室中采用T-150型潛孔鉆機進行垂直向下的大孔徑深孔鑿巖，一次鉆鑿?fù)暌粋€采場的全部炮孔，然后分次裝藥爆破。在采場端部先爆破形成切割天井，以切割天井和拉底層為自由面倒梯段側(cè)向崩礦形成切割井，以切割井和拉底層為自由面倒梯段側(cè)向崩礦。出礦采用3 m3鏟運機裝入運輸車運往礦石溜井。因水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦山在開采過程中遇到諸多困難并存在極大的安全隱患，為確保安全高效開采，礦山開展了采礦關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究［1］。

1 存在問題

復(fù)雜的水文地質(zhì)條件給礦山開采帶來極大安全隱患和諸多困難，施工過程中多次發(fā)生冒頂片幫、巷道變形等險肇事故，造成采掘效率低下，采場生產(chǎn)能力嚴重不足，嚴重制約了礦山達產(chǎn)及提質(zhì)增效。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，存在如下問題。

（1）礦巖裂隙水豐富，涌水進入粉狀的冒落礦石中達到飽和形成類流體，在出礦過程中形成泥石流噴涌出礦房，存在極大安全隱患。需要制定有效的礦房防治水方案。

（2）采掘施工前遵循“有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的原則，導(dǎo)致施工工序多，采礦效率低下。需要進一步優(yōu)化采準(zhǔn)巷道炮孔布置結(jié)構(gòu)及施工工序。

（3）礦巖破碎，鑿巖硐室及底部結(jié)構(gòu)難以布置和形成［2］，需要對鑿巖硐室開挖及支護、底部結(jié)構(gòu)支護技術(shù)進行優(yōu)化。

（4）深孔切割井成井困難，成功率僅有40%，嚴重影響采礦生產(chǎn)效率。需要結(jié)合礦巖實際對一次成井深孔爆破炮孔布置進行優(yōu)化。

（5）深孔爆破效果差，產(chǎn)生大塊多，需要進行二次爆破，造成出礦效率低，采礦成本高。需要對爆破工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

2 采礦技術(shù)方案優(yōu)化研究及實踐

為確保安全高效開采，采用理論、試驗等相結(jié)合的方法［3］，針對上述難題展開關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究，最終提出一套適用于復(fù)雜破碎大水礦床的高階段大直徑深孔采礦技術(shù)方案并實踐。

2.1 確定礦房防治水技術(shù)方案

某鐵礦首采中段為-230 m水平，階段空場嗣后充填采礦法礦房鑿巖硐室布置在-170 m水平，底部結(jié)構(gòu)布置在-230 m水平。作業(yè)過程中確保礦房頂部無出水且頂板穩(wěn)固不塌落至關(guān)重要。因此，針對礦房防治水提出“上截邊放”的防治水原則，在-170 m水平礦房頂部布置注漿孔，進行注漿處理，以形成“人工假頂”；礦房兩邊布置放水孔，確保-170 m水平的散水不通過采場空區(qū)或爆孔流入下部礦房中。

礦房注漿孔和放水孔的布置方式：依據(jù)礦巖穩(wěn)定性和出水情況，上部礦房內(nèi)共布置10個注漿孔，礦房外部出口方向布置1個放水孔。下部礦房布置2個放水孔，位于所在穿脈的礦房兩側(cè)。若上部礦房塌方對附近的注漿孔進行調(diào)整，其它布置與正常礦房布置一樣，詳見圖1。改進后，礦房放水效率提高2~5倍，同時對礦房頂板及側(cè)向補給水源起到較好的截流效果，有效避免礦房噴漿事故，保障回采安全。

2.2 采準(zhǔn)巷道炮孔布置優(yōu)化

改進前，采準(zhǔn)巷道施工前采用注漿手段，沿巷道斷面輪廓布置鉆孔進行注漿堵水，結(jié)束后再對個別注漿孔掃孔檢查注漿堵水效果。然后在工作面上布置掏槽孔、輔助孔和周邊孔，實施爆破開挖。工序施工時間長、效率差，一個循環(huán)斷面爆破進尺不足2 m。

經(jīng)理論計算及現(xiàn)場實踐，利用掃孔的注漿孔提供爆破補償空間，運用爆破沖擊波理論，通過周邊孔的爆破作用，使得沖擊波向著臨近注漿掃孔（空心補償孔）及孔間連線徑向傳遞，受沖擊波拉伸破壞作用在巷道輪廓的周邊形成一條隔震帶，可阻隔后續(xù)爆破的沖擊波，有效保護圍巖不受炮震擾動及損傷，防止圍巖內(nèi)部裂隙擴展發(fā)育，有效消除掌子面突水風(fēng)險；因?qū)⒆{孔與周邊炮孔相結(jié)合，有效降低了周邊孔的布置數(shù)量，減少了裝藥量，降低了采掘成本。

采用下式計算工作面周邊孔的數(shù)量：

式中，n為周邊孔數(shù)量；C為工作面的周長，m；m為周邊孔的布孔密集系數(shù)，取0.5~0.8；W為周邊孔的抵抗線，m；k為修正系數(shù)，取0.3~1；R為注漿漿液的擴散半徑，m；將工作面周邊孔相關(guān)參數(shù)和注漿鉆孔參數(shù)代入公式求得周邊孔數(shù)量，其中m和k值根據(jù)工作面水文地質(zhì)條件決定，水量大則m取小值，m取值越小炮孔間距相對自由面越小，越容易形成孔間裂隙；k值取越小，注漿孔越多。

周邊孔與注漿掃孔沿巷道輪廓線均勻布置；按照掘進爆破布設(shè)其他工作面炮孔，包括掏槽孔、輔助孔等。將工作面炮孔進行分段同次起爆，周邊孔第一段預(yù)先起爆，掏槽孔作為第二段，輔助孔作為第三段。改進后，穿脈巷及出礦進路等一次爆破進尺由不足2 m提高至3.2 m。

2.3 鑿巖硐室開挖及聯(lián)合支護技術(shù)優(yōu)化

經(jīng)多次實踐及調(diào)整，針對破碎大斷面鑿巖硐室，提出采用“硐室聯(lián)絡(luò)道+導(dǎo)硐+條形礦柱”施工方案。硐室開挖順序：從-170 m水平南風(fēng)井聯(lián)巷施工下向坡度為14.4%的斜坡道至礦體頂部，再在礦房側(cè)幫施工平巷至礦房邊界作為鑿巖硐室導(dǎo)硐，最后導(dǎo)硐擴刷為鑿巖硐室，使鑿巖硐室底板與礦體頂部位于同一水平。為加強硐室穩(wěn)定性，在硐室內(nèi)均勻布置寬為3 m、長為4~6 m的條形礦柱。同時采用“錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力長錨索”聯(lián)合支護對礦房進行預(yù)控頂［4］。錨索長度為15 m，網(wǎng)度為4 m，錨索孔采用菱形布置，傾斜角度為60°，水泥砂漿全長錨固。經(jīng)實踐，改進后鑿巖硐室穩(wěn)定性良好。

2.4 底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對比分析3種不同布置方式的塹溝型底部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后采用長進路雙礦房塹溝式底部結(jié)構(gòu)［5］。其設(shè)計參數(shù)：礦房底部結(jié)構(gòu)寬為15 m，穿脈中心線距離一步采礦房拉底巷道中心線21 m，距離二步采礦房塹溝拉底巷道中心線11.5 m；底部結(jié)構(gòu)留3 m礦柱；二步采礦房拉底巷不與充填體接觸，保障了拉底巷的穩(wěn)固性。出礦進路掘進斷面為4.1 m×3.45 m，凈斷面為3.8 m×3.3 m，若出礦進路變形或受到破壞需進行二次錨噴網(wǎng)支護。塹溝拉底巷掘進斷面為3 m×3 m，滿足鉆機需求。同時破碎底部結(jié)構(gòu)采取加強支護技術(shù)：采用錨網(wǎng)噴復(fù)合加強支護，總噴漿支護厚度為250 mm，改進后底部結(jié)構(gòu)成型及穩(wěn)定性良好。

2.5 深孔成井炮孔布置優(yōu)化

起初深孔一次成井與切割拉槽分兩次實施，即先打好一次成井炮孔，爆破后再打切割拉槽炮孔，進行第二次爆破。實踐中存在問題：爆破后鑿巖硐室的圍巖受到很大破壞，在硐室里打眼或裝藥都極其危險；爆破高度達不到設(shè)計要求，成功率只有40%左右。經(jīng)不斷摸索及參數(shù)調(diào)整，最終實現(xiàn)了大直徑深孔VCR法一次鑿巖分段爆破成井技術(shù)突破，成功實現(xiàn)切割井成井且效果良好。

設(shè)計切割井?dāng)嗝娉叽鐬? m×3 m，共布置165 mm的垂直下向平行深孔9個，其中空孔1個、掏糟炮孔2個、輔助炮孔2個、周邊炮孔4個。一次成井的炮孔布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。炮孔底用細砂堵塞至1 m位置；孔內(nèi)采用不耦合性填裝乳化條狀炸藥，藥卷直徑140 mm，長度為0.5 m，炸藥中裝有雷管；上部使用細砂填塞2 m；所有裝藥炮孔內(nèi)細砂所在的位置在同等水平上。起爆順序：第一段（0 ms時）為掏槽炮孔2、3爆破；第二段（50 ms時）為輔助炮孔4、5爆破；第三段（100 ms時）為周邊炮孔6、7、8、9爆破。該方法安全快速，每段爆破可達4~5 m，切割井成形良好，一次成井的成功率可達95%以上。以空孔為自由面作為補償空間，利用掏槽孔將爆破空間擴大，利用輔助孔和周邊孔的爆破效應(yīng)形成切割井，解決了制約采礦生產(chǎn)的難題。

2.6 深孔爆破參數(shù)優(yōu)化

降低深孔爆破落礦大塊率是采礦作業(yè)中的一個關(guān)鍵難題，實踐過程中礦山制定了以下關(guān)鍵技術(shù)措施：①使用大孔距、小抵抗線落礦技術(shù)［3］，優(yōu)化炮孔布置參數(shù)；②采用密打眼，不耦合裝藥；③減小堵塞長度，增加藥柱高度；④采用多排微差起爆，實現(xiàn)擠壓爆破；⑤加強深孔施工及爆破現(xiàn)場管理。

由于礦巖穩(wěn)固性變化較大，需要不斷結(jié)合地質(zhì)條件調(diào)整優(yōu)化大直徑深孔孔網(wǎng)參數(shù)。以13#S4礦房為例，目前排距增加為3 m，平均孔深為37 m，孔徑為165 mm，排內(nèi)中間兩孔間距為2.5 m，兩側(cè)孔間距調(diào)整為2 m，向兩側(cè)傾斜1°~2°。因礦巖相對破碎，若發(fā)生塌孔則深孔施工完成后立即下放公稱外徑為140 mm的PE護壁套管防止炮孔破壞。每次爆破2~3排炮孔，崩礦步距3 m。排內(nèi)采用微差爆破，雷管段數(shù)從中間開始向兩側(cè)逐漸增大。優(yōu)化后大塊率由28.7%降至6%以內(nèi)。

3 結(jié) 語

通過研究與實踐，實現(xiàn)復(fù)雜破碎大水礦床安全高效開采，大斷面破碎鑿巖硐室及底部結(jié)構(gòu)的成型及穩(wěn)定性達到預(yù)期效果，提高了深孔一次鑿巖分段爆破成井切割拉槽的成功率，采用大孔距小抵抗線落礦技術(shù)，優(yōu)化了炮孔布置參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)及多排微差起爆時間，礦房深孔落礦大塊率由28.7%降至6%以內(nèi)，顯著提高了采礦生產(chǎn)效率，降低了采礦成本。