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高天井一次成井技术及工程应用

2019-08-20闫小兵

采矿技术 2019年4期
关键词:成井普通法药包

闫小兵

高天井一次成井技术及工程应用

闫小兵

(湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司,湖南 长沙 410000)

坚硬岩层中施工切割天井多采用普通法或吊罐法,其施工速度及安全性问题长期以来难以得到有效解决。针对高天井成井技术的难题,提出了高天井一次成井技术,并应用于会宝岭铁矿,成功实现了会宝岭铁矿70 m高矿房切割天井施工,施工速度是原施工方法的17.5倍,而费用仅约为原施工方法的70%,可在类似工程中推广应用。

高天井;一次成井;安全高效

0 前 言

切割天井施工是切割槽爆破过程中的一道非常重要工序,施工比较困难,且作业环境恶劣,是矿山生产过程中的难题[1]。切割天井的施工作业主要根据现场条件、所采用的采矿方法、矿山机械化程度、采矿装备水平及矿山的产量等要素共同确定,综合考虑各种因素,选取技术上便于实施、安全性能较高、经济上较为合理、施工工期较短且对采矿生产影响较小的方法。

目前对于切割天井的施工一般采用普通法或吊罐法[2-8]。当采用吊罐法进行切割天井施工时,一般采用水平吊罐法[9],采用该方法开展切割天井施工时,施工过程中需要不断将施工设备搬运至切割水平面,其施工十分复杂,并且劳动强度极大,上水平施工时,通风比较困难,存在较大的施工安全隐患,同时,施工出渣较为困难,需通过漏斗运出。当采用普通法施工掘进天井时[10],该方法劳动强度较大,作业安全不能得到很好的保证,作业工期较长,总体施工成本较高,不利于矿区的生产衔接,严重影响井下高效采矿。因此在生产实际应用中需要结合矿井的具体情况,采用符合实际情况的切割天井施工方法。

会宝岭铁矿主要采用阶段矿房大矿段深孔落矿嗣后充填高效采矿法(FCM法)进行采矿。FCM法采矿阶段高度70 m,采用中深孔与大孔径深孔组合一次性回采全阶段矿石,此方法要求切割天井同样为矿房高度70 m,高天井安全施工是一项重大技术难题。现阶段会宝岭铁矿切割天井的施工方法主要为吊罐法,此方法施工切割天井受限因素多,施工进度慢,安全性低,且安全监管难度大,因此会宝岭铁矿一直在寻求一种安全高效的高切割天井施工方法。相对于一次成井技术,反井钻机技术施工出的天井断面较小,仍旧需要人员进入天井进行扩刷作业,安全问题没能得到彻底解决,而一次成井技术可解决高天井施工中的各类问题。

1 工程概况

会宝岭铁矿13127矿房高度70 m,切割天井布置于矿房的西南侧,断面3 m×3 m,高66 m,采用高天井一次成井法施工。13127矿房矿体呈陡倾斜的层状、似层状,产于山草峪组变质地层中,含矿岩石为条带状磁铁角闪石英岩、磁铁石英角闪岩等,粒状变晶结构,条带状构造。矿体稳定,连续性好,较完整,裂隙不甚发育,物理力学强度高,饱和单轴抗压强度112~229 MPa,抗剪强度24.4~17.0 MPa,为极坚硬岩类。矿体TFe品位31.36%,MFe15.9%。矿石中主要铁矿物为磁铁矿,矿石结构构造以条纹条带状为主,少量致密块状构造。矿石的自然类型按主要铁矿物划分属磁铁矿石。主要分布于角闪石或石英晶粒之间,少量分布于角闪石之内或其边缘。钢灰色、灰黑色,他形−半自形粒状,粒径0.01~1.0 mm,个别可达4 mm,集合体呈浸染状、团粒状、条带状、薄层状,部分颗粒长轴方向与条带一致,个别颗粒被压扁拉长。13127矿房矿体平均倾角为82°。

2 高天井一次成井技术实施方案

2.1 工艺原理

一次成井技术按成井爆破次数分为一次爆破成井和分层爆破成井,按使用药包类型分为平行空孔掏槽爆破成井和球状药包爆破成井[2]。分层爆破成井按一次成井高度 10 m 为界分为高分层爆破成井和低分层爆破成井。本文高天井一次成井施工方案为平行空孔掏槽分层爆破成井,爆破顺序由下往上逐层爆破。在天井施工过程中,首先在天井上口位置安装钻机钻凿炮孔,所有炮孔一次钻凿完成;炮孔钻凿完成后从炮孔的上口进行装药爆破作业,爆破分层进行,直至将天井全部爆破完成;爆渣从天井下口位置采用铲运设备运出,以确保高天井内不存渣,爆破时有足够的补偿空间。在整个施工过程中,无需施工人员进入高天井内部,从根本上解决了人员进入高天井内施工时坠落、窒息、浮石伤人等安全问题。

2.2 爆破炮孔参数确定

高天井一次成井技术中爆破炮孔参数是关键。13127矿房切割天井高66 m,炮孔布置时必须考虑钻机施工炮孔的精度,加大炮孔直径才能拉远炮孔间距为钻机施工提供有利条件。本方案为矿房内拉槽切割天井,以切割槽宽度为基准切割天井布置为方形,在现场施工中,以井筒形状需求为准可适当调整周边孔位置以控制井筒形状。

会宝岭铁矿FCM法采矿深孔直径为165 mm,为了利用现有施工设备,高切割天井的炮孔直径定为165 mm,以有利钻孔施工原则,确定加大补偿孔的直径,补偿孔直径为300 mm。炮孔施工采用CK-150潜孔钻机,直径165 mm的炮孔施工速度约为40 m/台·班。直径300 mm的炮孔先施工165 mm的炮孔,然后换用300 mm的钻头进行扩孔。高切割天井炮孔采用螺旋掏槽方式布置,共计施工9个孔,方形天井炮孔布置见图1。

图1 炮孔布置示意图(单位:mm)

由图1计算2#孔的补偿系数为:

(1)

式中,为补偿系数;0为待爆岩体体积;1为补偿空间。

同理计算其余各孔的补偿系数,验算可知炮孔布置满足补偿空间要求,炮孔布置合理。

2.3 爆破施工作业

依据在相同岩层条件下的矿房深孔爆破实践经验,该高天井爆破装药形式采用不耦合连续装药。装药时先将炮孔下口封堵严实,再装入直径100 mm的药包,使用导爆索全程穿过药包,将导爆索引出孔口,药包装好后对炮孔进行堵塞。待全部炮孔装药完成后,使用导爆管雷管连接导爆索形成起爆网路。

(1)高天井炮孔下口堵塞。高天井炮孔下口堵塞有木楔法、木塞法、托盘法等多种形式,但操作过程均较复杂,适用条件有一定局限性。本着操作简便、成本低廉的原则,使用了混凝土吊盘法。首先在炮孔装药前制作混凝土吊盘,混凝土吊盘直径应略小于炮孔直径,以便吊入孔内,制作好的混凝土吊盘待其凝固后备用。装药时使用铁丝将混凝土吊盘放至孔底,然后就地取材,将钻孔作业时产生的矿粉直接装入炮孔,堵塞至设计高度。下口堵塞高度一般不超过炮孔最小抵抗线,可有效防止爆破过程中岩体内部爆碎而下自由面岩体不抛出的问题。

(2)装药。爆破使用2#岩石乳化炸药,将导爆索绑扎在直径100 mm的药包上,随药包放入炮孔内,每次爆破时将药包从孔口放入,使用吊绳依次将药包吊装至孔底,达到设计装药高度时停止装药,每次爆破装药高度约5 m。

(3)高天井炮孔上口堵塞。装药完成后,按爆破设计将矿粉装入炮孔,堵塞至设计高度,炮孔上口堵塞高度一般略大于炮孔最小抵抗线,以防止爆破时将装药部位以上炮孔破坏,影响后续爆破。炮孔装填过程中将混凝土吊盘铁丝、药包吊绳、导爆索等固定在孔口横杆上,防止坠入孔内。装药结构如图2所示。

(4)联线起爆。所有分层炮孔装填完成后,使用延期时间为半秒的导爆管雷管联接孔口的导爆索,组成起爆网路,远程起爆。

(5)爆破效果。每次爆破分层装药高度为5.5 m(含堵塞段),经爆破后实测进尺平均能达到5.2 m。爆破后切割天井周边平滑,切割天井成形良好。

3 安全经济效益分析

3.1 安全性分析

普通法、吊罐法施工天井,人员进入高天井后将面临中毒窒息、片帮冒顶、坠罐等多重危险,安全管控难度大,难以从本质上实现安全生产。高天井一次成井技术施工天井过程,全程无需人员进入天井内部,可从根本上解决普通法施工天井的安全问题。

3.2 施工速度分析

高天井一次成井技术施工工期短,与普通法施工天井普遍采用单班作业制相比,其每天一个作业循环,进尺2 m,施工一条70 m的天井至少需要35 d。但采用高天井一次成井技术施工,共需要钻孔10个(钻孔9个,扩孔1个),合计钻孔长度700 m,钻孔施工时间为6 d,爆破作业时间为14 d,天井施工总时间为20 d。

由此对比可知一次成井法施工天井的速度为普通法的1.75倍。

3.3 经济性分析

高天井一次成井法与普通法施工天井相比,后者单价约为800元/m3,施工一条断面为3 m×3 m,高70 m的天井费用共计50万元。而高天井一次成井法施工天井钻孔费用约为10万元,人工费为1.5万元,火工品费用为23万元,施工同样规格的天井总费用约为34.5万元。高天井一次成井技术施工天井的费用约为普通法的70%。

4 结 论

高天井一次成井技术在FCM会宝岭铁矿的成功应用表明,该技术安全、经济、高效,具有较大的社会经济效益,该技术可为国内外类似的工况施工提供技术支撑,可在类似的天井、溜井施工中推广应用。

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(2018-05-15)

闫小兵(1985—),男,陕西陇县人,采矿工程师,研究方向金属矿山采矿技术,Email: 297343110@qq.com。

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