孙家驹

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京100038 )

1 前言

天井、溜井、切割井等掘进是矿山开拓和采切工程中一个相当重要的环节，工程量占矿山年掘进总量的20%～25%；由于掘进量大，且施工困难，因此其掘进方法一直是业界关注的一项关键技术[1]。

普通法施工工作环境恶劣、安全性差、成本高、效率低；采用钻井法施工虽然不需要作业人员在井内施工，工作环境好、安全，但施工机械庞大，施工准备时间长，设备购置费用高。相比之下，已有研究表明，中深孔爆破法成本为普通法施工的40%、钻井法施工的30%；而效率则为普通法施工的141%、钻井法施工的128%[2]。中深孔爆破成井技术具有成本低、效率高和安全可靠等诸多优点，但由于存在要求施工精度高、爆破难度大，一直未全面推广应用。

2 爆破成井技术

2.1 爆破成井理论依据

中深孔直线掏槽是利用空孔的空间为被爆破下来的岩石提供自由面和补偿空间，因此每次掏槽爆破的预留空间都应该满足岩石的碎胀要求。根据爆破补偿空间的理论为式(1)，补偿空间法示意图如图1所示。

S预爆落岩体·K≤S补偿空间+S预爆落岩体

(1)

式中：K——岩石松散系数。

掏槽孔与空孔之间的间距按空孔补偿空间的大小来确定a，a计算见式(2)，掏槽孔爆落的岩石碎胀后应小于空孔和原体积所在空间体积，其中φ为空孔直径，d为掏槽孔直径。

图1 补偿空间法示意图

(2)

式中：a——掏槽孔与空孔之间的间距；

K——岩石松散系数；

φ——空孔直径；

d——掏槽孔直径。

2.2 中深孔爆破成井方案类型

中深孔爆破成井主要有两个关键问题需要解决。第一，炮孔参数设计是否合理，即空孔能否提供足够的补偿空间，设计方案是否便于施工，施工后的炮孔能够达到设计精度要求。如果孔间距过小势必炮孔间出现穿孔现象，反之，补偿空间又不足，都会影响爆破效果。

第二，目前爆破成井主要有两种工艺。这两种工艺各有优缺点，选择何种工艺也影响成井效果。

(1)平行掏槽爆破成井法。设置空孔提供初次爆破的补偿空间，初次爆破后形成扩大爆破自由面，其余炮孔依次向此自由面崩落，直至爆破形成设计规格的切割井。此方法有两种施工方法。

一种是把炮孔按照高度分成若干段自下向上多次装药爆破，类似于采矿的VCR法，本方法好处是每次爆破高度不高，成井率较高，但需要在井上部有凿岩、装药作业空间，并且对分段装药高度准度要求高，对施工管理要求较高。另一种是炮孔全高装药分孔逐次爆破，即把掏槽孔先全高装药爆破，再进行其他爆破逐次爆破，本法优点是适用条件广，不需要井上部有作业空间，但爆破掏槽后容易破坏辅助孔，使成井效果不理想。

(2)球状药包爆破法[3]。不再单独施工不装药空孔，利用利文斯顿漏斗爆破理论原理，将天井划分为若干分层，分层高由自由面宽度和孔径决定，分层各炮孔采用同段雷管爆破成井。

平行掏槽爆破成井法优点：补偿空间大，适用高度大的切割井爆破，需要雷管段位少，装药结构简单。缺点：需要炮孔数目多，并且炮孔精度要求高。

球状药包爆破成井法优点：炮孔数目少，精度要求不高。缺点：补偿空间小，仅适用高度不高的切割井爆破，所需雷管段位多，装药结构复杂。

3 爆破成井技术实例

3.1 工程概况

某矿Ⅰ矿区是一个大型层控矽卡岩型矿床，矿体主要集中分布在由钾长花岗岩与大石寨组上部安山岩及所夹火山碎屑岩所形成的矽卡岩之内。走向长度1 021m，倾斜长度495m，倾角60°～70°，矿体平均厚度25m，最大118m，属于急倾斜厚矿体，矿体形态为不规则的似层状。矿石构造具有多种类型，以浸染状、致密块状构造为主，矿石普氏硬度系数10～16，松散系数为1.5，采矿方法为分段凿岩阶段出矿嗣后充填法[4]。

3.2 炮孔布置及爆破参数计算

1)掏槽方式

(1)炮孔直径：采用Atlas Simba 1354台车施工中深孔，设计装药的掏槽孔、辅助孔和周边孔的炮孔直径均取76mm。作为提供自由面和补偿空间的空孔直径127mm，先钻凿φ76mm炮孔，再用φ127mm扩孔钻头进行扩孔。为减小偏斜保证炮孔之间互相平行，在凿岩时使用导向钎杆。

(2)掏槽方式。采用筒形掏槽，即由若干个φ127mm空孔提供自由面和补偿空间，在空孔中心处布置一个φ76mm炮孔为首个起爆的掏槽孔。

2)布孔参数计算

(1)确定a(空孔和掏槽孔距离)距离。结合现场凿岩设备可施工炮孔直径大小能力的实际情况，根据式(2)计算出a要小于424mm，具体计算见表1。a距离越小，掏槽爆破效果越好，但施工精度要求也高，造成施工困难。

表1 a(空孔和掏槽孔孔距离)计算

(2)确定空孔个数n。为了便于施工，保证掏槽孔有足够的补偿空间确保成井效果，初步选取a距离为300mm、350mm，结合空孔个数能否便于施工，根据式(1)，确定空孔个数n，具体情况见表2。

表2 n空孔数目确定计算对比

根据台车炮孔偏斜情况，空孔数目小于6个能够保证施工精度，空孔再多时在施工时空孔特别容易穿孔。通过表2计算可知a取350mm，施工6个直径127mm的空孔，松散系数为1.24；当a缩小到300mm时，施工6个直径127mm的空孔，松散系数为1.34，补偿空间还是相对较小。当a取300mm时，n取7或8时，K接近岩石的松散系数1.5，但炮孔间距过小，施工过程中出现穿孔现象，会影响爆破效果，所以a不取300mm。

为确保有足够的补偿空间，减少爆破夹制作用，采取一种新的布孔方式。施工12个空孔，即6个直径127mm和6个直径76mm的空孔，这样松散系数能够达到1.40，基本接近了岩石初始松散系数1.5，炮孔布置图如图2所示。施工6个76mm空孔好处：第一，能够提高补偿空间，有利于爆破成井效果；第二，能够很好缓冲爆轰波作用，减少对其他炮孔破坏作用；第三，6个76mm空孔要求精度可以不高，即使出现穿孔现象，也不进行处理。

图2 中深孔爆破成井炮孔布置图

3)起爆方法与起爆顺序

由于井上部没有作业空间，炮孔分高度多次爆破方案不安全、不可行。只能选择炮孔全高一次装药爆破，选择炮孔全高装药分孔逐次爆破要比一次爆破成井成功几率大。炮孔全高装药分孔逐次爆破首先爆破掏槽孔，即对1号孔全高装药(孔口预留一定长度不装药距离)，孔内两枚同段导爆管雷管毫秒延期起爆，孔内放入全长导爆索。为减少爆破漏斗效应孔口不装药距离控制在500～700mm；第二次爆破2～5号孔，各孔之间分段跳段毫秒延时爆破；第三次爆破剩余炮孔。为保证炮孔底部的爆破效果，所有爆破采用孔底起爆。

4)装药结构和装药量计算

采用多孔粒状铵油炸药为主要炸药，各炮孔均采用连续耦合装药结构。起爆药包采用2#岩石乳化炸药制作，每个药包上装入两发同段雷管，并用胶布固定。

用BQF- 100型装药器向孔内装药，装药前先将起爆药包装装入底孔、导爆索全程敷设至孔底，然后按照装药参数装药，装药管要均匀退至炮孔堵塞位置，保证炸药在孔内的连续性；装药风压控制在0.4MPa左右(不得大于0.45MPa)，保证装药的密度不小于1.05g/cm3。

5)炮泥填塞

良好的堵塞可以阻止爆轰气体过早从装药孔泄漏，保证在岩石破裂之前使装药孔内保持高压状态，使爆破能量得到有效利用，从而提高爆破效率。

待加工好的起爆药包及铵油炸药均装入炮孔后，用炮泥填塞炮孔，填塞要十分小心，填塞过程中要注意缓慢进行，并要适度捣实，不得破坏起爆导爆管。炮泥采用黏土制作，每孔堵塞炮泥长度不小于50cm。

3.3 应用效果

6- 1#切割井和3- 1#切割井采用本方法试验施工。两条井凿岩、爆破分别耗时1天。爆破后成井效果良好，达到预期效果，井深分别为12m和11.5m。试验成功后，此中深孔爆破成井技术已在某矿山施工切割井全面推广，都取得预期效果。

3.4 效益分析

相对普通法施工，采用中深孔爆破成井具有良好的生产效益和安全效益，主要体现在：

(1)采用中深孔爆破成井，施工速度快。中深孔凿岩用时1天，爆破用时1天。而普通法施工每天施工进尺约2m，在施工高切割井时，中深孔爆破成井效率更高。

(2)采用普通法施工天井时涉及高空作业，风险较大，存在高空坠落、中毒窒息、物体打击等事故隐患。尤其是围岩破碎时，危险系数极高，采用中深孔爆破成井，施工安全性高；

(3)采用中深孔爆破成井成本较低，和普通法相比可以节省成本600元/米。

4 结论

采用中深孔爆破成井，减少生产组织难度，大大提高施工效率，避免传统天井施工的高空作业，实现本质安全，为矿山施工安全、节省投资、减低成本、提高工效等做出积极的贡献。