朱 强，陈星明，孙文勇，叶 青

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010； 2.四川锦宁矿业有限责任公司，四川 西昌 615602)

大顶山矿区炮孔变形破坏原因及应对措施

朱 强1，陈星明1，孙文勇1，叶 青2

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010； 2.四川锦宁矿业有限责任公司，四川 西昌 615602)

矿山在无底柱分段崩落法的回采过程中，炮孔的变形破坏，严重影响了矿山的爆破效果，不仅带来大块、悬顶等问题，而且还恶化了放矿条件，制约了矿山的安全生产。本文针对大顶山矿区回采过程中炮孔变形破坏严重，矿山回采爆破效果以及矿石损失贫化指标难以提高的问题，在大量调查研究的基础上，详细阐述了大顶山矿区炮孔堵塞、孔身错动、孔口破坏、孔径变小等主要变形破坏形式，并从巷道掘进及支护方式、地压管理及控制、炮孔保护、回采爆破方式以及生产管理等方面提出了相应的应对措施，在工业试验中取得了较好的效果，对目前国内条件相似矿山具有重要的借鉴意义。

无底柱分段崩落法；炮孔；变形破坏；原因分析；应对措施

大顶山矿区为四川锦宁矿业有限责任公司(原泸沽铁矿)的主要铁矿石生产基地，年产铁矿石50万t。矿床为中温热液交代高镁磁铁矿床，赋存于ptdn3-6白云质大理岩中，Ⅰ号主矿体位于大理岩的底部；Ⅱ号矿体位于大理岩的顶部，其规模仅次于Ⅰ号矿体，Ⅰ号矿体倾角为26°，厚度11.4m；Ⅱ号矿体倾角为35°，厚度9.66m。大顶山矿区矿体厚度小、倾角缓、产状复杂、矿体走向长度短。Ⅰ号矿体下盘围岩及Ⅰ号矿体中稳固性较好，Ⅰ、Ⅱ号矿体矿岩接触带及Ⅰ、Ⅱ号矿体之间围岩破碎，尤其Ⅰ号矿体底板及Ⅱ号矿体质顶板的两个主要破碎带，稳固性极差。

矿山自投产以来主要采用无底柱分段崩落法进行开采，其中2540以上各分段结构参数为10m×10m(分段高度×进路间距)，2525过渡分段结构参数为15m×10m，2525以下各分段结构参数为15m×12.5m，崩矿步距为1.8m；回采巷道断面形式为圆弧拱面，支护方式为喷锚支护，局部特别破碎区域采用喷锚网联合支护；钻孔采用YGZ-90钻机，炮孔形式为直立排面的扇形炮孔，炮孔直径为70mm。目前，矿山已回采至2525及2510水平。然而随着结构参数的增大，炮孔变形破坏越来越严重，其对矿山爆破效果所带来的影响也较原结构参数变得更加突出，大块、悬顶、隔墙、眉线破坏等现象频发，不但恶化了放矿条件，增大了采矿成本，严重影响矿山出矿效率，而且还严重制约矿山正常安全生产以及矿石回采指标的提高。因此，找出应对大顶山矿区炮孔变形破坏的技术措施，提高炮孔质量以及改善矿山回采爆破效果已成为大顶山矿区急需解决的重大生产技术问题之一。

1 炮孔变形破坏对矿山生产的影响

生产实践表明，炮孔变形破坏是出现悬顶、隔墙、眉线破坏及矿石损失贫化大的主要原因[1]。大顶山矿区中深孔爆破主要采用孔内敷设长约1m导爆索、2号岩石硝铵炸药耦合连续装药结构，塑料导爆管雷管孔底起爆，齐发爆破方式。当炮孔变形破坏后，不但往往使炸药装不进炮孔或装不到孔底，造成单孔装药量不足、装药不均，爆破对孔底及周边矿岩作用不充分，产生悬顶、隔墙及大块；而且还将造成炮孔孔口药量过于集中或能装药的几个炮孔装药过于集中，使得前排炮孔爆破对后排炮孔及眉线破坏严重，造成后排孔变形、错位、堵孔及眉线垮落。

眉线跨落将造成崩落矿石(或覆盖岩石)冲入巷道内，掩埋后排炮孔，使得后排炮孔无法进行装药爆破作业，甚至有时为了出后排炮孔排位，不得不放出大量废石，增大了矿石贫化。同时，由于眉线垮落较高，矿石将主要从垮落较高的地方涌出，这样相对来说出矿口变窄，影响放矿椭球体的发育，增大了矿石损失。并且有时爆破工人需进人冒落空间内装药，存在很大的安全隐患。

悬顶发生后，不仅将造成大量的矿石损失贫化，而且还将影响矿山的安全正常生产，制约矿山经济效益的提高。矿山发生悬顶后，矿山将不得不考虑处理悬顶的技术措施，虽然目前大顶山矿区已掌握了较为成熟的利用相邻两进路倾斜深孔孔底装药爆破的侧向倾斜孔法(图1)，以及利用进路后排倾斜深孔孔底装药爆破的后排倾斜孔法处理悬顶技术[2]，极大地增大了处理悬顶的成功率及缩短了处理悬顶的时间，但矿山为处理悬顶仍必将影响矿山的正常生产，使矿山的产能难以提高。同时，为了处理悬顶，矿山不得不重新补孔，额外增加补孔费用。而根据矿山提供资料，矿山单次补孔长度均在200m以上，补孔费10元/m，在不考虑人工费及炸药成本等的情况下，处理一次悬顶仅补孔费就2000余元，这样无形地增大了矿山的采矿成本，降低了矿山效益。

图1 侧向倾斜孔处理悬顶示意图(单位：m)

2 炮孔变形破坏形式及原因分析

2.1 炮孔变形破坏形式

调查发现，大顶山矿区炮孔变形破坏主要发生在炮孔钻好后的矿山生产阶段，其炮孔变形破坏主要受地压作用、爆破震动、巷道支护形式及炮孔存在时间的影响，其变形破坏形式主要有以下几种形式。

1)炮孔堵塞。炮孔孔壁在地压及爆破震动的作用下破坏塌落或掉块堵塞炮孔，其主要发生在矿体上下盘矿岩接触带。

2)孔身错动。炮孔在爆破震动及地压的作用下部分矿岩产生剪切变形和位移，使炮孔在轴线方向上沿断层面、节理裂隙面或矿岩交界面产生移动错位[3-4]。其主要发生在距孔口1～2m的巷道松动圈范围内及矿岩接触带，矿体及围岩内部完整性较好，炮孔保留较为完好。

3)孔口破坏。孔口破坏主要表现为前排炮孔爆破时，由于孔口装药过度集中，造成眉线垮落，带落及掩埋部分后排炮孔。目前大顶山矿区由于眉线跨落造成的孔口破坏已较为突出，常常由于前排炮孔爆破破坏后排炮孔眉线，使得在回采爆破过程中形成恶性循环。

4)孔径变小。炮孔在地压的作用下使得孔径较原孔径缩小，其发生主要在完整性较好的矿体及岩体中，多见于矿山支撑压力带内。

2.2 炮孔变形破坏原因分析

文献[5]指出松软破碎矿体开采中，影响中深孔破坏主要因素有矿山地质及岩性条件、巷道支护形式、炮孔存在时间、回采爆破、矿山回采的空间状况、区域地压及地下水。而根据大顶山矿区实际情况，大顶山矿区炮孔变形破坏主要受巷道支护形式、炮孔存在时间、回采爆破、矿山回采的空间状况及区域地压作用的影响。

1)巷道变形对炮孔变形破坏的影响。大顶山矿区回采巷道受巷道掘进方式的影响使得巷道周边矿岩超、欠挖及破坏严重，巷道自承能力低；加之受矿山回采的影响，矿山地压显现明显、回采爆破频繁，而相应的巷道支护方式(喷锚支护及喷锚网联合支护)并没有起到很好的作用，使得巷道成巷后持续变形量大，持续时间长，造成巷道周壁松动圈内岩块间仍发生相对位移，不但致使巷道周边混凝土喷射层开裂脱落，而且炮孔也发生相应的错动破坏。

2)地压及炮孔存在时间对炮孔变形破坏的影响。大顶山矿区长期以来由于种种原因，如对矿山开采引起的地压活动规律不够了解，未能实现地压的有效管理；矿山在回采过程中由于巷道冒落及悬顶等原因造成正常回采顺序破坏产生较大范围的次生支撑压力；矿山缺少放顶及覆盖岩层的补充措施；对分段及矿块的回采顺序重视不够，未能实行“卸压开采”等，使得大顶山矿区在回采过程中地压显现明显。而长时间的过大地压必将引起巷道及炮孔周边岩体的不断蠕变而使巷道及炮孔发生变形破坏。同时，回采爆破过程中爆破冲击应力在孔壁上反射形成的半波损失拉应力与作用在炮孔壁岩体上的垂直应力相互作用，也将使得炮孔壁处岩块受到交变的拉应力作用，其时间愈长，作用次数愈多，越易使炮孔产生类似疲劳形式的破坏。

3)回采爆破对炮孔变形破坏的影响。大顶山矿区回采爆破对炮孔变形破坏的影响主要表现在两个方面。一是频繁的中深孔爆破产生的应力波及爆破地震波对炮孔的持续破坏；二是不合格的炮孔施工质量及部分区域不正确的切割方式所造成的回采爆破对炮孔的间接破坏。回采爆破过程中，同段起爆药量越大，产生的爆破冲击应力遇炮孔壁自由面后反射形成的半波损失拉应力越大，爆破越频繁，炮孔越易发生持续作用破坏；而频繁的爆破地震波将引起岩石质点振动使得岩体内原有裂隙进一步扩展，削弱岩体完整性，加剧炮孔破坏。同时，炮孔施工过程中由于施工原因造成同排扇形炮孔不在同一排面上以及前后两排扇形炮孔不平行，亦将造成局部排距的减小，从而增大回采爆破时炮孔破坏几率。而矿山为解决矿体上盘接触带矿岩破碎所造成的切割质量差问题而设计的矿体内部切割方式(图2)，也将由于切割过程中同段爆破药量大给切割槽周边炮孔造成极大的破坏。

图2 矿体内部切割布置图

3 主要技术措施

结合大顶山矿区炮孔变形破坏形式及原因，大顶山矿区从巷道掘进及支护方式、地压管理及控制、炮孔保护、回采爆破方式以及生产管理等方面对应对炮孔变形破坏主要技术措施进行了详细研究及相应的工业实验，其具体措施有以下方面。

1)光面爆破+无喷射混凝土支护工艺掘进及支护回采进路。无底柱分段崩落法是在回采巷道内进行凿岩、崩矿及出矿的一种高效采矿方法[6]。回采进路规格质量好坏，直接影响到整个矿石回采过程。采用光面爆破掘进回采进路，不但可以减少进路掘进时频繁爆破对进路帮壁的破坏，提高回采进路稳定性，保证较好的规格质量，提高矿山支护质量，而且还可避免超、欠挖产生的应力集中，从而减少炮孔的变形破坏几率。同时，利用无喷射混凝土支护工艺中的TECCO高强度格栅网防护系统(图3，图4)形成抑制回采巷道周边局部岩体移动或在发生局部位移或破坏后将其裹缚(滞留)原位附近的预应力，实现主动防护功能，提高回采巷道支护强度，降低炮孔的变形破坏几率以及对爆破过程中眉线起到一定的保护作用[7]。

图3 TECCO高强度格栅

图4 TECCO网布置方式与锚杆间排距

2)实现矿山地压的管理及控制，降低对炮孔变形破坏的影响。为了实现对回采过程中过大的地压进行管理及控制，防止过大的地压对炮孔变形破坏的影响。大顶山矿区主要采取了以下措施：①对矿区的地压现象进行调查分析，摸清地压在整个矿区的分布规律以及与开采方法之间的关系，并且找出矿山地压管理上的漏洞，进行改进；②及时处理巷道冒落及悬顶造成的回采中断，实现矿山的正常有序回采(上分段回采超前于下分段)，使采场地压有序的均匀转移，消除突然升降现象；③及时建立放顶及覆盖岩层的补充制度与技术规范(图5)，并通过必要的工程技术措施(如采取边放顶边回采的方式) 实现及时放顶及覆盖岩层的及时补充，从而防止矿体上盘矿石回采过程中空场情况的出现，造成回采地压不仅不能及时释放而且还逐步积聚；④及时调整各分段及矿块的回采顺序实现“卸压开采”[8]。在各分段采用由南部的不稳固矿段向北部的稳固矿段的推进方式，从而尽量缩短南部不稳固矿段的炮孔存在时间以及避免先两翼后中央的开采方式造成的矿体中央部位应力反复叠加，以免炮孔发生变形破坏；同时，在各矿块回采过程中形成梯段式回采工作面(图6)，即相邻回采工作面保持一定的超前关系，以使地压均缓作用在同时回采进路上，从而降低各回采进路炮孔破坏几率。

3)增加炮孔保护措施，提高炮孔质量。为了防止回采过程中炮孔在地压及回采爆破的影响下进一步变形破坏，大顶山矿区采取了以下炮孔保护措施。①采用大直径锚杆护孔[9]。为防止距孔口1～2m巷道松动圈范围内，特别是矿体上下盘矿岩接触带炮孔发生错位，设计采用长约2m的大直径管缝式摩擦锚杆安装于炮孔下部(图7)，在保护炮孔的同时起到加固巷道及保护眉线的作用。②采用PVC塑料管护孔。在矿岩局部破碎地带、矿体上下盘矿岩接触带以及存在时间较长的备采炮孔中采用比炮孔直径略小的防静电的PVC塑料管作为炮孔的保护材料，在起到防止炮孔塌落、堵塞以及变形破坏的同时在回采爆破过程中降低冲击应力的强度以及对后排炮孔及矿体的损伤程度。③钻凿减震孔保护眉线及后排炮孔。在矿体完整性较好，未采取PVC塑料管护孔地段的每两排炮孔间钻凿3～5个深为2～3m的减震孔作为“保眉孔”(图8)，孔内不装药，以使孔口高度密集，爆破端壁整齐，降低爆炸应力波对后排炮孔及“眉线”的破坏，从而达到保护“眉线及后排炮孔的目的[10]。

图5 放顶位置示意图

4)优化回采爆破方式及参数。大顶山矿区为了取得更好的回采爆破效果，同时降低回采爆破对后排炮孔的影响，对其相应的回采爆破方式及参数进行了优化，主要有：在装药过程中严格控制各个炮孔装药量、装药长度和不装药长度；实施孔底起爆、微差爆破进行崩矿；增大炮孔直径至80mm,崩矿步距至2m等。

图6 各矿块阶梯式回采工作面示意图

图7 大直径锚杆护孔示意图

图8 减震孔护孔钻孔排面布置示意图

4 结论

回采过程中炮孔质量的好坏直接影响到矿山回采爆破效果以及矿石的损失贫化指标，进而影响到矿山的整体经济效益,必须予以足够的重视。而矿山生产过程中对炮孔变形破坏起主导作用的是地压及回采爆破的影响，必须采取必要的应对措施，以降低炮孔发生变形破坏的几率。同时，应对炮孔变形破坏是一项复杂的系统工程，必须根据矿山回采过程中不同地段的不同实际情况制定出最优的应对措施，从而取得最佳的应对效果。

[1] 王彦武.软弱破碎矿体中炮孔变形破坏分析[J].金属矿山,1997(5):20-22.

[2] 谭宝会,孙文勇，李金位，等.大顶山矿区悬顶成因及防治措施研究[J].金属矿山,2013(1):33-37.

[3] 吴维成,吴昌晓.大浞河铁矿地下开采应对炮孔破坏的实践[J].有色金属:矿山部分,2010(1):67-69.

[4] 薛继志,黄恩兆.无底柱分段崩落法在破碎、不稳固矿石中的应用[J].有色金属:采矿部分,1976(5):27-38.

[5] 胡杏保,李吉利.软破矿体开采炮孔破坏原因及对策[J].金属矿山,1999(4):8-10.

[6] 宋卫东,梅林芳,谭玉叶，等.大间距无底柱分段崩落法采场地压变化规律研究[J].金属矿山,2008(8):13-16.

[7] 许昌辉.大顶山矿区地压管理及巷道支护方法研究[D].绵阳:西南科技大学,2012.

[8] 王文杰.中厚倾斜矿体卸压开采理论及其应用[J].金属矿山,2000(2):23-26.

[9] 高永涛,明士祥.软弱破碎岩体中中深孔大面积破坏与保护的研究[J].有色金属:矿山部分,1993(2):13-15.

[10] 赵维义.无底柱分段崩落法的护孔问题[J].冶金安全,1978(3):21-23.

The reasons analysis and countermeasures of the blasthole deformation and damage in Dadingshan mine area

ZHU Qiang1，CHEN Xing-ming1*，SUN Wen-yong1，YE Qing2

(1.School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China; 2.Sichuan Jinning Mining Limited Liability Company，Xichang 615602，China)

In the mining process of pillarless sublevel caving，the deformation and destruction of blasthole have a strong impact on the blasting effect of mine.It not only bring the problem of big block and hanging arch，but also worsen the ore drawing conditions.Thus it go against the safety production of mine.With the serious destruction of blasthole in the mining process of Dadingshan Mine and the problem of blasting effect and ore dilution loss index can hardly be improved，the main form of deformation and destruction of blasthole such as blasthole plugging，dislocation of blasthole，porhole destruction and diminish of aperture are elaborated based on large number of investigation.Solutions are proposed from the aspects of roadway excavation and supporting way，ground pressure management and control，porthole protection，blasting method and production management.They have acquired good effects in industrial test and they can be significant references in similar mine at present in China.

pillarless sublevel caving；blasthole；deformation and damage；reason analysis；countermeasures

2014-06-23

西南科技大学研究生创新基金项目资助(编号：14ycx052)

朱强(1989-)，男，四川德阳人，西南科技大学环境与资源学院硕士研究生，矿业工程专业。E-mail：zhuqiang1188@126.com。

陈星明(1972-)，男，湖南湘乡人，西南科技大学环境与资源学院教授，博士，主要从事工程力学、采矿技术及工程方面的研究。E-mail：cxm@swust.edu.cn。

TD853

A

1004-4051(2015)07-0078-05