銅綠山礦井下巷道掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

尹東升

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅綠山礦, 湖北 黃石 435101)

1 前言

在地下礦山開采中，巷道掘進(jìn)是整個開采工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而目前國內(nèi)外非煤礦山巷道掘進(jìn)主要為炮掘施工工藝，其中影響巷道掘進(jìn)效率的主要因素為礦山規(guī)模和施工設(shè)備，其次為工藝水平、操作技能等。在日常生產(chǎn)中，巷道掘進(jìn)要求巷道質(zhì)量滿足要求、爆堆形狀規(guī)則、塊度合適，炮孔利用率高等，影響巷道爆破質(zhì)量主要有炮孔布置、炮孔深度、炮孔直徑、裝藥系數(shù)以及起爆方式。通過改善施工設(shè)備，優(yōu)化巷道掘進(jìn)參數(shù)，可以有效提高巷道施工效率，降低生產(chǎn)成本[1]。

2 銅綠山井下生產(chǎn)情況概述

2.1 礦山開采條件及現(xiàn)狀

銅綠山銅鐵礦是大冶有色的主力礦山之一。銅綠山銅鐵礦礦床隸屬長江中下游銅鐵礦成礦帶，礦床面積約3.5 km2，存在大小不等的12個礦體，以Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ號礦體為主，Ⅺ礦體為次，主要礦體南北長2 100 m，東西寬600 m，次要礦體場2 100 m，寬300 m，以銅、鐵金屬為主，伴生金、銀、鈷、鉬、鎵、銦等稀有貴金屬，日采選能力4 500 t/d。

礦體在剖面上呈透鏡狀或似層狀，主要賦存在巖漿巖與大理巖的接觸帶，其次賦存在近接觸帶的大理巖層間，從全礦整體來看，礦體分枝繁多，礦體厚度變化很大。井下目前主要回采的礦體主要是Ⅲ號與Ⅳ號礦體，主要回采中段為-485 m、-545 m和-605 m三個中段。

礦體以含銅磁鐵礦為主，致密堅(jiān)硬，f=8～12，屬中等穩(wěn)固到穩(wěn)固；其次為含銅大理巖和含銅矽卡巖，含銅大理巖f=10～14，屬中等穩(wěn)固，含銅矽卡巖f=6～10，穩(wěn)固性差。礦體上盤圍巖主要是大理巖、白云質(zhì)大理巖和矽卡巖，一般致密堅(jiān)硬，完整性較好，屬中等穩(wěn)固，f=7～15。礦體下盤巖性復(fù)雜，主要有矽卡巖、斜長巖和花崗閃長斑巖。矽卡巖、斜長巖為中等穩(wěn)固。

目前井下主要采用上向水平分層充填采礦法和分段嗣后充填采礦法進(jìn)行回采作業(yè)，其中分層法占比約70%，分段法占比約30%。

2.2 礦山巷道掘進(jìn)工藝及存在的問題

目前井下巷道掘進(jìn)主要包括斜坡道、有軌運(yùn)輸巷道、分段平巷、采場出礦聯(lián)絡(luò)道、采場探礦巷道、采場充填聯(lián)絡(luò)巷等工程。主要掘進(jìn)巷道斷面規(guī)格為3.0 m×2.8 m(寬×高)，巷道鑿巖設(shè)備主要為YT- 28和沈風(fēng)S28氣腿式鑿巖機(jī)，鉆桿選用φ22 mm中空六角鋼釬桿，長2.5 m、釬頭為φ28 mm“一”字形活動釬頭，為方便現(xiàn)場施工，銅綠山礦井下掘進(jìn)普遍采用直眼螺旋掏槽，各炮眼之間保持平行施工，分為掏槽孔輔助孔和周邊孔，孔距5～100 cm，具體布置如圖1所示。

圖1 銅綠山礦井下巷道掘進(jìn)炮孔布置斷面圖

施工后炮孔直徑42 mm，炮孔深度大約2.25 m，爆破采用2#巖石硝銨炸藥、塑料導(dǎo)爆管非電起爆，半秒延期雷管爆破，爆破后利用局部通風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒進(jìn)行局部通風(fēng)，灑水降塵，然后進(jìn)行敲幫問頂，清理頂板及邊幫浮石，最后利用電動鏟運(yùn)機(jī)或柴油鏟運(yùn)機(jī)裝渣至附近廢石溜井，最后通過有軌輸運(yùn)機(jī)車運(yùn)輸至廢石倉并通過箕斗提至地表。

由于銅綠山礦井下巷道規(guī)格和爆破自由面較小，巖石夾制力較大。加上日常施工中，巖石性質(zhì)變多較大、職工操作技能受限、炮孔堵塞不合格，造成井下巷道掘進(jìn)炮孔利用率低、炮堆造型不易鏟運(yùn)、爆破塊度不均勻、巷道造型不規(guī)整等問題。降低了巷道掘進(jìn)的效率，提高了施工過程的生產(chǎn)成本，而且爆破后的殘眼易出現(xiàn)炮孔炸藥殘余，造成掘進(jìn)施工過程中存在安全隱患[2-5]。

3 銅綠山巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化方案

巷道掘進(jìn)施工中，最關(guān)鍵的就是掏槽施工工藝，掏槽眼的作用是首先在工作面上將某一部分巖石破碎并拋出，在一個自由面的基礎(chǔ)上崩出第二個自由面來為其他炮眼的爆破創(chuàng)造有利條件，掏槽效果的好壞對循環(huán)進(jìn)尺起著決定性的作用。要提高炮眼利用率，就應(yīng)首先選擇合理的抱槽形式和掏槽參數(shù)[4-5]。

在上向中深孔采場拉槽爆破中，由爆破作用機(jī)理可知，空孔能為掏槽孔的爆破創(chuàng)造了良好的條件。空孔能引起應(yīng)力集中效應(yīng)、空孔的存在有利于反射拉伸波破巖。空孔直徑越大越有利于發(fā)揮空孔的自由面效應(yīng)，也會為爆后破碎巖石提供更加富裕的補(bǔ)償空間。

銅綠山礦在對井下中深孔爆破工藝進(jìn)行優(yōu)化研究時，發(fā)現(xiàn)通過制作擴(kuò)孔鉆頭，將中央掏槽區(qū)的非裝藥空孔由57 mm擴(kuò)大至76 mm或89 mm，爆破炮孔利用率可增加5%以上。在此基礎(chǔ)上，銅綠山礦借鑒中深孔掏槽爆破工藝，通過采用擴(kuò)孔鉆頭增加掏槽爆破的補(bǔ)償空間和自由面，優(yōu)化炮孔布置和起爆方式，從而改善巷道掘進(jìn)施工質(zhì)量。

3.1 炮孔直徑選擇

目前井下掘進(jìn)采用的巖石粉狀乳化炸藥，綜合考慮現(xiàn)有工具、炮孔利用率和爆破效果，在研究風(fēng)鉆機(jī)工作性能和了解井下風(fēng)壓情況后，井下供風(fēng)風(fēng)壓在0.6 MPa左右，YT- 28鑿巖機(jī)扭矩19 N·m，S28鑿巖機(jī)扭矩為21 N·m，最后確定擴(kuò)孔鉆頭的規(guī)格參數(shù)為28～45 mm，其中導(dǎo)向鉆頭直徑28 mm，擴(kuò)孔鉆頭直徑45 mm，現(xiàn)場應(yīng)用擴(kuò)孔鉆頭如圖2所示。現(xiàn)場施工中，先使用正常鉆孔進(jìn)行鑿巖作業(yè)，需要擴(kuò)大的炮孔通過采用更換擴(kuò)孔鉆頭對已施工的炮孔進(jìn)行擴(kuò)刷，從而提高鑿巖效率和降低擴(kuò)孔鉆頭損耗[6-8]。

圖2 擴(kuò)孔鉆頭設(shè)計(jì)示意圖(28～45 mm)

3.2 炮孔布置優(yōu)化

工作面炮孔個數(shù)主要和工作面巖面的物理力學(xué)性質(zhì)、巷道斷面大小與爆破自由面條件、崩落巖石的塊度和巖堆要求等因素相關(guān)，一般巷道掘進(jìn)的炮孔個數(shù)見表1。

表1 巷道掘進(jìn)的炮孔個數(shù)參考表

銅綠山礦井下巷道掘進(jìn)堅(jiān)固系數(shù)在f=7～15，巷道斷面規(guī)格8～10 m2，現(xiàn)場施工炮孔一般布置30～36個，掏槽眼孔網(wǎng)參數(shù)0.1～0.2，輔助孔孔網(wǎng)參數(shù)0.5～0.6，周邊孔孔網(wǎng)參數(shù)0.8～0.9。

在炮孔布置上，在巷道掘進(jìn)斷面規(guī)格3.0 m×2.8 m(寬×高)相同的情況下，保持輔助孔和周邊孔位置和數(shù)量不變，對巷道中央掏槽區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，對巷道斷面炮孔重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，中央掏槽由原來的中央孔外圈6個孔個變?yōu)?個，并將這4個非裝藥孔孔由42 mm擴(kuò)大至60 mm，裝藥孔也由2個變?yōu)?個，以前7個孔里面選2～3個孔進(jìn)行裝藥，現(xiàn)在只裝中間1個孔。巷道輔助眼和周邊眼布置和參數(shù)不變。采用2#巖石硝銨炸藥、塑料導(dǎo)爆管非電起爆，半秒延期雷管爆破。炮孔布置優(yōu)化前后如圖3所示。

圖3 炮孔布置優(yōu)化前后對比圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用施工

在完成鉆頭制作并確定炮孔布置方案后。充分考慮井下采礦工藝和礦巖性質(zhì)情況下，選擇井下4個作業(yè)點(diǎn)作為試驗(yàn)場地。其中-365 m中段南沿上盤為大理巖含銅鐵礦，采場下盤圍巖為矽卡巖，上盤圍巖為大理巖；8428采場為石榴子矽卡巖含銅鐵礦，圍巖性質(zhì)為石榴子矽卡巖含金云母較多；9421采場為大理巖含銅鐵礦，采場圍巖為較堅(jiān)硬白色大理巖和矽卡巖；9428采場為矽卡巖含銅鐵礦，采場下盤圍巖為矽卡巖，上盤圍巖為風(fēng)化火成巖。上述4個區(qū)域基本囊括了銅綠山礦井下大部分的巖性情況，從而確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的廣泛性和準(zhǔn)確性。

一般來說，增加炮孔的深度，可以提高一次循環(huán)進(jìn)尺。但是增加炮孔深度也有一定 的限度。當(dāng)炮孔深度過大時，鑿巖速度顯著降低，同時爆破效率也降低，爆破后的巖石塊 度均勻性較差，增加裝巖時間。結(jié)合井下巖石條件、掘進(jìn)工藝變化以及施工技術(shù)條件，現(xiàn)場施工鉆桿選用長2.5 m和3.0 m兩種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際鑿巖孔深分別為2.25 m和2.80 m。

4.2 現(xiàn)場技術(shù)要求

炮孔施工前，技術(shù)人員根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求現(xiàn)場進(jìn)行炮孔布置，炮孔施工完成后，由技術(shù)人員對現(xiàn)場炮孔深度、孔徑以及偏斜率進(jìn)行檢查，確保鑿巖施工精度，鑿巖后現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 掏槽區(qū)域擴(kuò)孔鉆頭現(xiàn)場施工圖

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝藥和炮孔堵塞作業(yè)，采用人工裝填的方式，裝藥結(jié)構(gòu)采用條狀連續(xù)性全耦合裝藥，裝藥系數(shù)為0.75～0.85，孔底起爆，孔口填塞0.2 m炮泥，所有炮孔裝藥到位后，進(jìn)行爆破連線作業(yè)，爆后出渣結(jié)束后，再對現(xiàn)場爆破效果進(jìn)行測量和驗(yàn)收評估。

4.3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

銅綠山礦在井下4個作業(yè)點(diǎn)共進(jìn)行了24次進(jìn)尺循環(huán)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并采用測量的方式對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見表2。

表2 銅綠山礦巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過分析現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在引入擴(kuò)孔鉆頭后，巷道掘進(jìn)掏槽孔數(shù)目可以由原來的7個降為5個，斷面炮孔總數(shù)可由32個減為30個，裝藥孔可減少2個。

對比不同現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)情況下，擴(kuò)孔鉆頭使用前后炮孔利用率和炸藥單耗，具體如圖5所示。

圖5 巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化前后炮孔利用率對比圖

通過對比分析圖5和圖6可以得出：

圖6 巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化前后炸藥單耗對比圖

(1)在井下現(xiàn)場施工中，通過使用擴(kuò)孔鉆頭優(yōu)化巷道掘進(jìn)工藝后，可有效提高炮孔利用率和降低掘進(jìn)炸藥單耗，爆破后效果更佳，爆堆大塊相對減少，巷道造型更加規(guī)整。

(2)銅綠山礦井下矽卡巖含礦區(qū)域相比大理巖含礦區(qū)域具有更好的可爆性；在大理巖含礦區(qū)域，使用3.0 m釬桿炮孔利用率較低，宜采用2.5 m釬桿進(jìn)行現(xiàn)場施工；在矽卡巖含礦區(qū)域，使用3.0m釬桿進(jìn)行現(xiàn)場施工，炮孔利用率明顯增加，炸藥單耗明顯下降。

(3)銅綠山礦井下大理巖含礦區(qū)域，巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化后，炮孔利用率由87.67%提高到94.22%，炸藥單耗可由2.337 6 kg/m3下降到1.996 6 kg/m3；矽卡巖含礦區(qū)域，巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化后，炮孔掘進(jìn)單循環(huán)進(jìn)尺可由2.05 m/次提高至2.59 m/次，炸藥單耗可由2.063 8 kg/m3下降到1.782 5 kg/m3。

4 結(jié) 論

銅綠山礦通過引用擴(kuò)孔鉆頭，進(jìn)行井下巷道掘進(jìn)工藝優(yōu)化，可以減少現(xiàn)場炮孔施工數(shù)量，炮孔綜合利用率可以得到有效提高，井下巷道掘進(jìn)的功效可以提高15%左右。可以實(shí)現(xiàn)炸藥綜合單耗的下降，爆后現(xiàn)場效果更佳，殘眼數(shù)量減少，大塊數(shù)量降低，巷道的平整度也有效提升，巷道掘進(jìn)材料成本可降低7%左右。

本研究成果可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)功效有效提升，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景，且工藝適應(yīng)性強(qiáng)，成果可推廣至其他類似礦山，對提升我國金屬礦山地下開采效率具有重要意義。