70 m斜溜井深孔爆破一次成井工程實踐

彭華斌，譚三元

(宏大爆破工程集團有限責任公司， 湖南 長沙 410011)

0 引言

會寶嶺鐵礦有軌運輸水平設在-430 m水平，首采出礦水平為-410 m水平，溜井設在-410～-430 m水平之間。礦山采用全階段組合鑿爆采礦法進行采礦，中段高度為 70m。隨著生產的進行，后續接續水平在-270 m水平進行出礦，需要施工70 m高的溜井連通至-340 m水平原溜井上口。根據現有生產條件，上下沿脈水平位置不重合，需要施工斜溜井以滿足空間布置。

斜溜井傾角普遍在70°～90°之間，無法采用立井法施工，通常采用人工反掘法進行施工。在此過程中，人員上下通行需爬梯，且只能在巖帽的保護下作業，存在工序繁瑣、勞動強度大、通風質量差、作業空間狹小、施工效率低、成本高等一系列問題。

在會寶嶺鐵礦，為提高溜井施工的安全性和高效性，礦山工程技術人員結合礦山已經開發的70 m垂直切割井一次鑿巖分段爆破成井技術，對炮孔布置、裝藥方式、爆破方式等開展了技術研究和試驗，并在會寶嶺鐵礦-270 m水平7-3#溜井進行70 m斜溜井深孔爆破一次成井試驗，最終成功實現了貫通成井。

1 工程概況

會寶嶺鐵礦-270 m 水平 7-3#溜井位于-340～-270 m水平之間，布置于南翼主沿脈南側。井筒斷面直徑為4m，高為70m，傾角為74.5°。施工區域巖性主要為黑云變粒巖，局部夾磁鐵石英巖、磁鐵角閃石英巖、黑云角閃片巖，巖石普氏系數為12～18，巖體穩定，較完整，裂隙不發育。

2 施工方案

2.1 方案概況

-270 m水平 7-3#溜井是聯通兩個階段的傾斜井筒，為防止在放礦過程中發生卡堵問題，對爆破成型有較高的要求，與垂直切割井一次成井施工的重點區別在于炮孔的傾角。在炮孔施工過程中，受鉆具自重和鉆孔過程中巖性變化的影響，傾斜炮孔施工精度相較于垂直孔施工更加難以控制，且斜溜井爆破拋渣能力低于垂直溜井，易產生卡堵等問題。工程技術人員根據70 m垂直切割井一次成井施工技術的理論和施工經驗，對斜溜井的炮孔設計、施工精度控制和爆破方案進行改進，成功解決了斜溜井施工過程中的難題。

2.2 炮孔布設

本方案設計井筒斷面形狀為圓形，直徑為4m，傾角為74.5°。考慮到溜井階段深度高、巖石硬度大和爆破夾制性大等特點，沿圓形斷面布設補償孔、掏槽孔和周邊孔，槽腔由小到大依次擴成。

根據掏槽孔布設理論依據，巖石破碎松散后增加的體積不應超過設計的補償空間，且各掏槽孔爆破的巖渣必須有適合的破碎度和形狀，設計時應用補償孔體積核算其與首響掏槽孔間的距離（見公式（1））。隨后還需要逐孔驗算槽孔補償系數以完成掏槽孔布孔設計，應按實際孔偏差進行校核調整。

式中，A為補償孔與首響槽孔的間距，mm；D為補償孔直徑，mm；d為首響槽孔直徑，mm；K為巖石碎脹系數。

本設計炮孔布設方案共布置 13個炮孔，其中掏槽孔沿補償孔等距環形布設，沿圓形斷面輪廓線布置8個周邊孔，控制井筒輪廓。炮孔布設見圖1。

圖1 斜溜井一次成井炮孔布設

本次70m 斜溜井深孔爆破一次成井試驗，補償孔直徑D為300mm，掏槽孔和周邊孔直徑均為165mm，巖石碎脹系數為1.7。由公式（1）計算可得A=763.3mm。在滿足補償空間的情況下，同時應當考慮到鉆孔過程中的偏斜率。若補償孔與掏槽孔間距太小，斜孔鉆孔施工過程中易產生與相鄰掏槽孔串通。根據礦山70 m垂直切割井深孔爆破一次成井的成功經驗，A值取890mm。

巖體碎脹系數K達1.7，因此掏槽爆破補償系數必須滿足K≥1.7。巖體碎脹系數的計算公式如下:

式中，K為補償系數；V0為待爆巖體體積，m3；V1為補償空間，m3。

由炮孔參數計算：補償孔直徑D/掏槽孔直徑d=1.82＞1.7，滿足設計要求。同理計算其余各孔的補償系數，驗算可知炮孔布置滿足補償空間要求，炮孔布置合理。

2.3 鉆孔施工

考慮到鉆孔設備施工能力和經濟合理性，本方案采用礦山現有的深孔施工設備T-150潛孔鉆機施工炮孔。在此過程中，首先選用直徑為165 mm的鉆頭依次完成補償孔、掏槽孔、周邊孔炮孔的施工，然后換用直徑為300 mm的鉆頭將補償孔擴大至直徑為300 mm。直徑為165 mm炮孔施工速度為30 m/（臺·班），直徑為 300 mm 炮孔擴孔速度為 20 m/（臺·班）。本方案斜溜井傾角為74.5°，考慮到鉆孔過程巖性變化和鉆具自重導致的鉆孔偏斜率，根據全階段組合鑿爆采礦法采礦過程中傾斜深孔施工經驗，在實際鉆孔過程中，將炮孔傾角參數調整為72°，以確保炮孔滿足精度要求。

2.4 爆破作業

依據70 m垂直切割天井一次成井的實踐經驗，為提高爆破作業效率，斜溜井爆破采用耦合連續裝藥。考慮到該溜井巖石硬度較大，選用2#巖石粉狀乳化炸藥。裝藥前先將炮孔下口封堵嚴實，再裝入2#巖石粉狀乳化炸藥。藥包裝好后對炮孔進行堵塞。待全部炮孔裝藥完成后，采用導爆索非電導爆管起爆網路起爆。

2.4.1 炮孔下口封堵

炮孔下口封堵選用混凝土托盤法，首先在炮孔裝藥前將提前制作好的混凝土吊盤綁上鐵絲放至孔底，然后將鉆孔作業時產生的巖粉直接倒入炮孔，堵塞至設計高度。下口堵塞高度一般不應超過炮孔最小抵抗線，從而有效防止爆破過程中破碎巖體無法從下自由面拋出的問題。

2.4.2 裝藥

本次爆破選用2#巖石粉狀乳化炸藥。將導爆索綁扎在直徑100 mm的起爆藥包上，首先將起爆藥包放入炮孔內，隨后向孔內倒入2#巖石粉狀乳化炸藥，達到設計裝藥高度的95%后停止裝藥。采用激光水平儀和測繩測量各孔裝藥高度，利用剩余藥量對各孔裝藥高度進行調整，以保證裝藥面在同一水平上，每次爆破裝藥高度約3 m，堵塞高度為1 m。裝藥結構見圖2。

圖2 裝藥結構

炸藥單耗按式（3）計算：

式中，K為爆破炸藥單耗，kg/m3；q為裝藥量，m3；v為爆破體積，m3；r為炮孔半徑，m；ρ為炸藥密度，kg/m3；l為裝藥高度，m；n為裝藥孔數量，個；R為溜井斷面半徑，m；h為爆破進尺，m。

經計算，本次爆破炸藥單耗為10.35 kg/m3。

裝藥完成后，將巖粉裝入炮孔，并堵塞至設計高度，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。炮孔裝填過程中將混凝土吊盤鐵絲、藥包吊繩、導爆索等固定在孔口橫桿上，防止墜入孔內。

2.4.3 聯線起爆及爆破效果

選用延期時間為半秒的導爆管雷管聯接孔口的導爆索，孔口雷管連接完成后，所有雷管腳線集成一束，然后使用腳線長度30 m的導爆管雷管串聯引至可以安全起爆的位置，組成導爆索-非電導爆管起爆網路。炮孔起爆順序為2#孔1段，3#孔2段，4#孔3段，5#孔4段，6#、7#孔5段，8#、9#孔6段，10#、11#孔 7 段，12#、13#孔 8 段。

單次爆破分層裝藥高度為3 m，堵塞段高度為1 m。爆后經實測單次平均進尺為4.2 m。爆破后溜井周邊平滑，爆破成型較好。爆破成型效果見圖3。

圖3 斜溜井下口爆破成型效果

3 應用效果分析

3.1 安全性分析

人工反掘法施工斜溜井，作業人員需要經常上下爬梯，作業空間受限，存在冒頂片幫、通風質量差、高空墜落等一系列不安全因素。此外，隨著掘進深度的增加，前期準備工作時間長，工作面易集聚有毒有害氣體，粉塵和淋水較大。斜溜井一次成井施工采用全段高一次鑿巖分段爆破成井，全過程僅需在上水平進行鉆孔和爆破作業，施工人員無需進入天井內部施工，可以根本性地解決溜井內施工的安全問題。

3.2 施工效率分析

人工反掘施工普遍采用單班制作業，單循環進尺2 m/d，施工一條70 m的斜溜井至少需要35 d。斜溜井70 m深孔爆破一次成井的單循環進尺時間為3.5 h，單循環進尺4.2 m，考慮到地下礦山通風條件、人員組織、炸藥供應等因素，爆破次數控制在2～4次/d，本斜溜井實際施工按照2次/d進行爆破組織。

（1）炮孔施工總進尺：70 m×13+70 m=980 m。

（2）炮孔施工時間：910÷30 m/(臺·班)÷3 (臺·班)/d+70 m÷20 m/(臺·班)÷3 (臺·班)/d=11.28 d。

（3）爆破施工時間：70 m÷8.4 m/d=8.33 d。

（4）斜溜井施工總時間：11.28 d+8.33 d=19.61 d，取20 d。

由上計算可得，一次成井施工效率為人工反掘法的1.75倍。

3.3 經濟性分析

相較于垂直炮孔施工，高精度傾斜炮孔的成本有所增加。經現場測算，一次成井法施工斜溜井炮孔施工費用約為15萬元，人工費為10萬元，火工品費用為25萬元，總費用約為50萬元。人工反掘法施工一條同樣的斜溜井費用共計66萬元。因此，人工反掘法施工成本約為一次成井法的1.3倍。