一次爆破成井技術在自然崩落法聚礦槽施工中的應用

黃華桃，何 翔，劉龍瓊，肖柏林

(1.云南金誠信礦業管理有限公司，昆明 650217； 2.紫金(長沙)工程技術有限公司，長沙 410000； 3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

自然崩落法是成本低、容易實現自動化的一種大規模采礦方法[1]。該方法通過人工拉底后，上部礦石失去支撐，在誘導應力和重力作用下，發生持續崩落并不斷向上擴展，直至覆巖崩落，形成地表塌陷。自然崩落法在美國、智利、南非、加拿大、澳大利亞等礦業發達國家廣泛應用[2]。然而，在我國應用較少，前期在金川鎳礦、程潮鐵礦、齊大山鐵礦等開展過試驗研究[3]；目前僅在銅礦峪銅礦、普朗銅礦等少數的礦山較為成功應用[4，5]。

自然崩落法回采中，聚礦槽是崩落法礦石放出的主要通道，更是自然崩落法連接落礦空間和出礦系統的關鍵性工程。根據自然崩落采礦法工藝特點，底部出礦的聚礦槽爆破成形質量直接影響該采礦方法的成敗，而成型速度直接關系到采礦能否順利開展。在聚礦槽形成過程中，傳統主要采用機械鉆進天井為聚礦槽提供爆破自由面，機械鉆進天井施工成本較高，作業場地條件要求高，對機械依賴性突出，缺點顯著[6-8]。在爆破過程中，還時常出現炮孔拒爆或是爆破不完全的“樓板”現象[9]。由于礦山機械設備的進步，越來越多礦山使用中深孔分段爆破、鉆井法等較安全和高效的施工工藝[10-11]。我國已研制出多種天井鉆機，解決了整機結構、動力匹配、智能行走、自動鑿巖等核心技術問題，并首先在煤礦實現普及應用[12]。近年來，基于天井鉆機的盲豎井一次成井技術逐漸在金屬礦山中推廣應用[13]。然而，由于各礦山工程地質條件的差異性，對盲天井一次成井的技術經驗仍需進一步總結與推廣。特別是針對自然崩落法的礦山，其礦巖條件復雜，國內目前還鮮有在聚礦槽盲天井一次爆破成井技術的相關經驗與報道。

借鑒于其他礦山使用天井鉆機的成功經驗，普朗銅礦開始探究采用盲天井一次爆破成井技術實現聚礦槽爆破自由面的可行性，通過現場大量的試驗，最終將該技術成功研發并在普朗銅礦全范圍應用。為了豐富我國自然崩落法設計與施工過程中的技術經驗，本文主要對一次爆破成井技術在普朗銅礦聚礦槽施工中的應用進行技術簡介與經驗總結，從而為我國采用自然崩落法的類似礦山提供借鑒經驗。

1 普朗銅礦工程概況

1.1 地質概況

普朗銅礦位于云南省香格里拉市，礦區處于普朗—紅山銅多金屬礦亞帶南緣，礦床的產出受熱液蝕變、運移和沉淀的構造空間綜合控制，地層主要為三疊系上統圖姆溝組、普朗復式中酸性斑巖體以及少量第四系地層。礦區內地層巖性較單一，為塊狀巖類，巖石硬度以堅硬為主，局部破碎帶較發育，巖石較破碎，巖體結構類型以塊狀結構為主。首采區域內有五條斷層，巖體質量主要為Ⅲ類，礦體由137個鉆孔控制，礦體總長2 240 m，垂直深度2.23～766.35 m，礦體南部寬450～700 m，中部寬80～260 m，北部寬300～400 m；礦體走向北西，傾向北東，傾角為35°～70°，總體約65°。礦石儲量為4.8×108t，礦體含銅為主，伴生金、銀、鉬等成分。

1.2 開采概況

普朗銅礦采用自然崩落法進行回采，采選規模為1 250萬t/a，目前日處理礦石量約3.8萬t，最大崩落高度370 m，平均崩落高度200 m，是我國年產量最大的地下礦山之一。前期首采富礦區域，選擇品位較高的1～4號勘探線位置作為初始拉底位置，采用前進式拉底方式，拉底以菱形方式沿礦體走向垂直布置，并從中心向菱形的四個方向連續推進。推進以垂直中深孔的方式進行爆破，拉底巷布置于相鄰出礦巷道(穿脈)的上方區域，拉底高度和巷道間距都為15 m。底部結構按國外使用最多的分支鯡魚骨式布置，出礦穿脈沿礦體走向間距30 m垂直布置，出礦進路間距15 m，出礦進路與出礦穿脈55°相交。聚礦槽施工始終在拉底后的應力釋放區內進行。根據45°角原則，一般按照拉底推進線至少超前聚礦槽掘進30 m、超前生產作業面50～60 m進行。在初期崩落時，大塊率偏高，容易卡斗形成懸頂，采用自帶鉆機、裝藥系統、起爆系統的懸頂處理臺車進行處理。利用PC-BC軟件對普朗一期工程的放礦點進行合理的布設，采用EDMS日常放礦管理軟件對日常生產提前進行生產模擬，為生產實踐提供指導。

2 盲天井一次爆破成井關鍵技術

普朗銅礦在聚礦槽的施工中掘進盲天井以提供爆破自由面，為了提高作業效率和安全性，經過數次現場試驗獲得了一套適用于普朗銅礦自然崩落法盲天井的一次爆破成井關鍵技術。

2.1 一次成井主要技術參數確定方法

2.1.1 穿孔孔徑

盲天井的打眼穿孔作業影響爆破效果，其中炮孔的直徑根據鉆機的型號確定。礦山在鉆機選型中，需結合實際的礦巖物理力學性質、爆破裝藥量及其他相關設備或參數，綜合考慮后確定。普朗銅礦現有Simba1354電動液壓鑿巖臺車，可鉆鑿孔徑為51～102 mm的炮孔；YGZ-90鉆機，可鉆鑿孔徑為56～90 mm的炮孔。實際盲天井的掘進中按不同炮孔的作用類別施工不同孔徑的炮孔。

2.1.2 盲天井斷面尺寸及高度

天井的高度一般由分段高度決定，在實際爆破施工過程中，盲天井的高度等于或略小于最終天井的長度。天井斷面尺寸由采場設計參數、回采落礦能力、巖體力學性質、可爆性指標、所需補償空間等因素確定；通常而言，高度越大，所需天井斷面的尺寸也越大[14-15]。根據工程經驗，常見天井的斷面尺寸為4～6 m2，相應的爆破補償系數約0.5～0.7，可實現4～8 m的成井高度。若補償系數在0.5以下，則建議成井高度不能大于4 m。此外，根據巖石硬度差異，在軟巖和中硬以上的巖石，一次爆破成井的高度分別可達10 m以上和10 m以下。普朗銅礦的盲天井斷面尺寸為2 m×2 m，聚礦槽的盲天井高度為17 m。

2.1.3 爆破補償空間

根據作用性質與工藝的不同，爆破補償空間有兩種。第一種主要為天井鉆孔中的空孔，通常由一個大空孔和多個小孔組成，目的是為首響炮提供最初空間，接收初期碎石。第二種主要為拉底等巷道提供的爆破自由面，為后續爆破提供釋放空間。第一種空孔常位于天井斷面中間，其直徑的確定需要由巖石的膨脹系數、首響炮體積等因素進行估算，原則上孔徑越大，越有利于破巖效果。但仍需同時考慮鑿巖設備作業能力、操作技術水平、采掘成本等因素；一般而言，所需的孔徑越大，其鑿巖成本越高，鑿巖效率越低。普朗銅礦現場施工中，采用“大空孔+小空孔”的形式；大孔約1～2個，直徑為100～150 mm，小空孔布置于大孔周圍，數量3～5個，直徑為50～75 mm。

2.1.4 首響炮與炮孔間距

爆破是一次成井的關鍵技術，采用孔間微差爆破的方式。為保證槽腔內巖石充分破碎，首響炮孔必須布置在裂隙圈內[16]。實際中常使用補償空間理論對炮孔間距進行計算，即補償空間需要滿足能夠容納爆破后的破碎礦巖破碎，由式(1)確定。

S預爆巖體K≤S補償空間+S預爆巖體

(1)

式中，S預爆巖體為預爆巖體的體積；S補償空間為空孔體積；K為巖石碎脹系數，根據礦山巖石條件選取，普朗銅礦取值為1.69。

此外，有研究使用應力波強度理論確定炮孔間距，該理論的核心思想是：爆炸產生的應力波在空孔中發生反射，對巖石產生拉應力；同時，炮眼里的炸藥爆炸產生爆炸應力；兩種應力的破巖范圍要連續貫通[17]。

2.1.5 裝藥孔數

裝藥孔的數量需結合考慮天井的橫截面積、炸藥性質、巖體物理力學性質等參數?；疽幝墒翘炀畽M截面積越大、周圍巖石整體性和硬度高，設計的裝藥孔則越多；通過式(2)進行估算。

(2)

式中，N為裝藥孔的總數；K為斷面系數，根據斷面尺寸選取見表1；g為單位體積礦巖的炸藥單耗，kg/m3；η為炮孔的裝藥系數，約0.6～0.8；r為線裝藥密度，kg/m。

表1 斷面系數選取表Table 1 Table of section coefficient selection

2.1.6 炮孔位置的確定

天井一次爆破的炮孔可根據具體作用分為掏槽孔、輔助孔和周邊孔三類。其中掏槽孔起掏槽、提供初始爆破補償空間的作用，通常由1～2個大空孔和3～4個小空孔組成；輔助孔通常1～2個，起補助掏槽作用；周邊孔一般由4個小孔組成，分布在圓形或方形天井斷面四周；在礦巖硬度系數較高情況下，可適當增加周邊孔數目，以確保天井設計外形。

2.2 普朗銅礦一次成井爆破技術

2.2.1 主要技術參數

根據上述理論分析及現場多次現場試驗，獲得普朗銅礦盲天井一次爆破成井參數見表2。

表2 普朗銅礦一次爆破成井主要參數表Table 2 Main parameters of one-shot deep-hole blasting in Pulang copper mine

2.2.2 盲天井炮孔設計參數

中深孔爆破有兩個重要的參數，一是補償空間，二是孔間微差爆破時間。普朗銅礦盲天井的炮孔布置設計如圖1所示。其中孔1為裝藥的掏心孔，孔徑為89 mm；孔2#～9#為裝藥的周邊控，孔徑為76 mm；K1～K12為空孔，孔徑為89 mm。

圖1 普朗銅礦盲天井一次爆破成井炮孔設計圖Fig.1 Blast hole design for the blind shaft one-shot blasting in Pulang copper mine

2.2.3 爆破參數

炮孔采用分段裝藥，每個孔裝藥長度按照設計米數裝填，裝1發數碼雷管，兩發起爆彈(采用粒狀藥)，充填長度0.3 m，反向孔底起爆。裝藥使用BQF-100裝藥器，采用黏性粒狀炸藥，爆速不低于2 800 m/s，起爆藥包采用50 mm或70 mm乳化炸藥，電子雷管延期時間控制在1 500 ms以內。

炮孔內裝藥結構分上下兩層，如圖2所示。炮孔的下層孔底裝有起爆藥包(數碼雷管)，在粉狀炸藥裝至距離孔口7.5 m位置時敷設上層孔口起爆藥包(數碼雷管)，上層裝藥完成之后使用炮泥封堵300 mm；然后繼續裝下層孔底起爆藥包(數碼雷管)及黏性炸藥，至距離孔口1 m處敷設下層孔口起爆藥包(數碼雷管)，裝藥完成后堵塞炮孔，孔口不裝藥長度約300 mm。

圖2 炮孔裝藥結構圖Fig.2 Blast hole charging structure diagram

普朗銅礦切割天井高17 m，炮孔高度方向分為上下兩層分層起爆，先爆破下部8 m，后爆破上部9 m，如圖3所示。每一層孔口及孔底雙向起爆，孔間微差爆破。裝藥時上部與下部炸藥采用黃泥分開，黃泥充填高度300 mm。起爆時先起爆下層1#孔，由近及遠起爆2#～9#孔，然后再起爆上層1#～9#孔，逐級形成天井，各孔起爆延時見表3。

圖3 盲天井爆破順序示意圖Fig.3 Diagram of blind shaft blasting sequence

表3 普朗銅礦盲天井一次爆破成井的炮孔延期表Table 3 Blast delay table for blind shaft one-shot blasting in Pulang copper mine

3 現場應用效果

經過多次現場試驗，盲天井一次爆破成井在普朗銅礦拉底爆破成功應用，效果顯著?，F場選擇了4處地點(分別為3 720 m水平S8-S9-W1、N1-S1-E16聚礦槽，3 736 m水平S1N與N1S拉底穿脈西中間，N1N與N2S拉底穿脈西中間)進行試驗，均獲得了成功。目前普朗銅礦首采區礦量8 250萬t，服務年限8 a，達產需要聚礦槽數量為10個。通過該技術的使用，每年增加聚礦槽50～60個，減少了人力和物力，節約了施工成本，提高了效率。經與前期機械鉆進天井進行對比，施工工期縮短了70%、成本降低80%～90%。此外，盲天井一次爆破成井技術施工安全、工程質量好，現場爆破后效果見圖4。在推廣應用的1年中，一次成井合格率達100%，盲天井爆破施工中的工傷事故為0，該技術應用從安全、時間、質量以及經濟等多方面均取得顯著效果。

圖4 盲天井一次爆破成井現場效果圖Fig.4 Practical appearance of the blind shaft completion by one-shot blasting

4 結論

1)一次爆破成井的主要技術參數與巖石性質、設備能力、爆破參數、施工水平等因素緊密相關，需根據各個礦山具體情況進行論證分析，并借鑒于類似工程經驗，開展多次現場試驗，最終獲得符合礦山實際的一套一次爆破成井關鍵技術。

2)爆破是一次成井的關鍵，為保證槽腔內巖石充分破碎，首響炮孔必須布置在裂隙圈內，裝藥孔數的確定與天井的斷面尺寸、巖石的巖性等因素有關；需合理分配掏槽孔、輔助孔和周邊孔的孔徑大小，保障爆破補償空間。

3)普朗銅礦盲天井一次成井的斷面為2 m×2 m，炮孔深17 m，共布置21個炮眼，其中有1個裝藥的中孔作為掏心孔，孔徑為89 mm；有8個裝藥的周邊控，孔徑為76 mm；有12個不裝藥的空孔，孔徑為89 mm。炮孔采用分段裝藥，每個孔裝1發數碼雷管(延期時間控制在1 500 ms以內)，兩發起爆彈，采用50 mm或70 mm乳化炸藥，炮孔堵塞長度0.3 m。爆破時先爆破孔下部8 m，后爆破上部9 m；每一層孔口及孔底雙向起爆，孔間微差爆破，裝藥時上部與下部炸藥采用黃泥分開，黃泥充填長度0.3 m。

4)普朗銅礦一次成井爆破技術應用以來，盲天井的施工工期縮短了70%，成本降低了80%～90%；與傳統普通法、爬罐法、吊罐法、機械鉆進法掘進相比，該技術施工工藝簡單，場地易于布置、工程進度快、干擾因素少，同時大幅降低了安全風險，成井質量效果良好，可在類似礦山進行推廣應用。