充填体下切割天井一次爆破成井技术研究与应用.pdf
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1、第 卷第期有色金属(矿山部分)年月犱 狅 犻:犼 犻 狊 狊 狀 充填体下切割天井一次爆破成井技术研究与应用郭鸿德,杨晓飞,刘国栋,张晓蕾,万串串,刘立顺,(矿冶科技集团有限公司,北京 ;国家金属矿绿色开采国际联合研究中心,北京 ;山东黄金矿业(莱州)三山岛金矿,山东 莱州 ;莱州市环境卫生管理中心,山东 莱州 ;北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 )摘要:爆破成井是中深孔或深孔采矿方法中关键的一个工艺,主要包括分次或一次爆破成井方式。在中深孔采矿工艺中,切割天井是重要的采切工程,通常采用普通法、吊罐法或爬罐法进行施工,存在较大的安全隐患,并且掘进效率较低,严重影响矿山生产。近年来,三山岛
2、金矿下向中深孔分段采矿面临充填体下中深孔采场切割天井的施工难题,研究了直孔掏槽法切割天井的一次爆破成井技术及应用效果。通过爆破参数计算,选用装药孔直径、补偿空孔直径 的钻孔孔径,综合考虑确定了装药孔与空孔之间的距离为 ,能够满足爆破补偿空间及自由面的要求。结合矿岩稳固条件,选用孔掏槽方式,进而制定了炮孔布置方案,即掏槽孔设计个中心装药孔,个空孔作为补偿孔,辅助孔个,周边孔 个,共计 个孔。在确定炮孔堵塞长度、炸药选择、装药结构、微差时间、起爆顺序等工艺参数之后,开展了切割天井的现场工业试验。试验表明:切割天井一次爆破成井方案是可行的,爆破块度均匀,无大块和过粉现象,爆破扰动小,爆破成形规格满足
3、设计要求,爆破效果良好,为其它类似条件的切割天井一次爆破技术应用提供了参考依据。关键词:切割天井;一次成井;充填体顶板;九孔掏槽;爆破效果中图分类号:文献标志码:文章编号:()犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犪 狀 犱犪 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 犾 狅 狋 狉 犪 犻 狊 犲狌 狀 犱 犲 狉 狋 犺 犲 犳 犻 犾 犾狑 犻 狋 犺狅 狀 犲 狋 犻 犿 犲犵 狉 狅 狅 狏 犲 犱犫 犾 犪 狊 狋 犻 狀 犵 狋 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 ,(,;,;,;,;,)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:郭鸿
4、德(),男,工程师,采矿工程专业,主要从事采矿工艺与岩石力学相关研究工作。:。第期郭鸿德等:充填体下切割天井一次爆破成井技术研究与应用 ,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;据不完全统计,目前国内外采用一次爆破成井法最大成井高度:国内,国外。我国传统天井施工工艺大多采用普通法,存在劳动强度大、施工效率低、施工成本高、安全风险高等缺点,在安全事故中占比较高 。随着矿山开采深度的增加,天井普通法施工安全风险和施工难度随之增加,不断制约矿山安全高效采矿,成为矿山亟需解决的技术难题。三山岛金矿作为国内机械化程度最高的黄金矿山之一,近年来与科研院所合作开展了下向中深孔分段采矿试验工作,其中充填体下采场切割天
5、井的施工问题成为制约中深孔高效采矿的技术难题,为解决此难题,经研究论证,试验成功了切割天井一次爆破成井技术,为中深孔采场切割天井施工提供了理论依据与实践经验。概述山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿位于莱州市三山岛街道,本试验地点在三山岛金矿西山矿区 分段中深孔试验采场,该采场为二步骤回采采场,两侧分别为和中深孔采场,前端为中深孔采场,目前均已回采充填完毕;其顶部有多条进路采场胶结充填构筑成的假顶结构,如图所示。该采场设计宽度,长度,高度 ,下 部 水 平 布置 出矿 巷 道,规 格 (宽高,以 下 同),切 割 横 巷 规 格 ,切割天井规格 ,高度;上部 水平布置凿岩巷道,规格 。矿体主
6、要赋存于下盘的黄铁绢英岩化碎裂岩和黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩中,水文地质条件较好,岩 体 质 量 分 级 为级。岩 石 硬 度 系 数犳,岩 石 密 度 ,矿 岩 松 散 系数 。图中深孔试验采场情况犉 犻 犵 犿 犲 犱 犻 狌 犿 犱 犲 犲 狆犺 狅 犾 犲 狋 犲 狊 狋 狊 狋 狅 狆 犲犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 狊一次爆破成井方案选择一次爆破成井是指在岩体内按照设计断面和高度用钻机钻凿一系列平行钻孔,通过一次爆破形成符合设计要求的成井工艺。通常而言,一次爆破成井方式分为两类:直孔掏槽法和爆破漏斗法。如图所示。直孔掏槽法是利用大孔径空孔为初始自由面和补偿空间,掏槽孔借助空孔通
7、过爆破形成掏槽,然后通过辅助孔和周边孔逐次爆破成井;爆破漏斗法在凿岩形成的平行全高炮孔内按集中药包的形式分段装药,以下端面为自由面,从下至上各分段药包按顺序逐段爆破形成一系列倒置的爆破漏斗直至扩展成设计要求的天井。两种方法的机理不同、工艺要求也不尽相同。一般来说直孔掏槽法对炮孔参有色金属(矿山部分)第 卷数设计及钻孔精度要求较高,所需炮孔也较多,但其装药结构、起爆顺序比较简单,可操作性强,易于掌握,在分段高度不甚大时较易实现一次成井;爆破漏斗法虽对炮孔精度的要求较低,但对装药结构、起爆顺序要求较高,操作工序比较繁杂,实施困难较大,不便推广普及。图两种成井方式特征犉 犻 犵 犜 犺 犲犮 犺 犪
8、 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮狅 犳 狋 狑 狅狉 犪 犻 狊 犻 狀 犵犿 犲 狋 犺 狅 犱 狊根据数据统计,普通法、钻井法、爆破漏斗法和直孔掏槽法施工效率和成本综合比较情况如图所示。通过综合效率和成本比较,直孔掏槽法的优势较为明显。综上所述,本次设计选择直孔掏槽法进行爆破成井。基于设计的切割横巷宽度和高度,并根据切割天井断面越大、一次爆破成井的夹制性越小的原理,选取切割天井断面规格为 ,采用全高一次爆破成井装药结构。图不同方法综合效率及成本比较柱状图犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犪 狉 犻 狊 狅 狀犮 狅 犾 狌 犿 狀狅 犳 犮 狅 犿 犫 犻 狀 犲 犱犲 犳 犳 犻
9、犮 犻 犲 狀 犮 狔犪 狀 犱犮 狅 狊 狋 狅 犳犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狉 犪 犻 狊 犻 狀 犵犿 犲 狋 犺 狅 犱 狊爆破参数计算 钻孔孔径确定考虑到设计的切割横巷、切割天井断面及高度、矿山现有凿岩设备种类和可凿孔径大小、凿岩效率和凿 岩 成 孔 精 度 要 求 等,确 定 选 用 装 药 孔 直 径(台车施工),以此计算掏槽补偿空孔直径。根据装药孔直径犇与空孔直径犱关系:犇犱 ()()式中:犱为 装 药 孔 直 径,;犇为 补 偿 孔 直径,。当犱 时,犇 ,因此掏槽补偿 空 孔 直 径 选 用 ,采 用 凿岩台车进行施工。粉碎圈和裂隙圈半径计算由于岩石破坏准则判定的
10、多样性,其计算的粉碎圈半径和裂隙圈半径不同。本文采用 准则判断岩石破坏,以此计算粉碎圈与裂隙圈半径。)耦合装药条件粉碎圈半径狉犮:狉犮狏犃犅槡()犮 犱狉犫,犃犮狆犮狆狏,犅()犱()()犱()()式中:、为中间变量,不代表其他含义,为第期郭鸿德等:充填体下切割天井一次爆破成井技术研究与应用炸药密度,;为矿岩密度,;狏为炸药爆速,;为动荷载传播衰减指数,前苏联学者给出应力波衰减指数与岩石泊松比之间的经验关系,冲击波作用取“”,应力波作用取“”;犮狆为纵波在岩石中的传播速度,;犮 犱为矿岩动载荷抗压强度,;狉犫为炮孔直径,;为侧压系数,犱犱;犱为岩石动态泊松比。裂隙圈半径狉狋:狉狋犮 犱()狋
11、犱狏犃犅槡()犮 犱狉犫()式中:狋 犱为矿岩动载荷抗拉强度,。其它符号含义同上。)不耦合装药条件粉碎圈半径狉犮:狉犮狀犅犾犲槡犮 犱犃犮犃()犫()狉犫()式中:狀为爆轰产物与炮孔壁碰撞时反射压力为入射压力倍数,一般,接近耦合装药时取大值;犃犮为药卷面积,;犃犫为炮孔面积,。其它符号含义同上。裂隙圈半径狉狋:狉狋犮 犱()狋 犱狏狀犅犾犲槡犮 犱犃犮犃()犫()狉犫()式中:为应力波传播衰减指数,犱犱。其它符号含义同上。选 取岩 石 乳 化 炸 药,炸 药 密 度为 ,爆速犇为 ,岩石密度为 ,岩石纵波速度犮狆为 ,岩石动态泊松比犱为 ,岩石抗压强度为 ,岩石抗拉强度为 ,粉碎区抗压动加载应
12、变率 为 ,裂 隙 区 抗 压 动 加 载 应 变 率 为 ,抗拉动加载应变率为,炮孔直径狉犫为,爆轰产物与炮孔壁碰撞时反射压力为入射压力倍数狀取值。以此计算耦合与不耦合装药条件下粉碎圈及裂隙圈的半径,如表所示。表耦合装药与不耦合装药粉碎圈及裂隙圈半径范围值犜 犪 犫 犾 犲犆 狉 狌 狊 犺 犻 狀 犵犪 狀 犱犳 狉 犪 犮 狋 狌 狉 犲犮 犻 狉 犮 犾 犲 狉 犪 犱 犻 狌 狊狅 犳 犮 狅 狌 狆 犾 犲 犱犪 狀 犱狌 狀 犮 狅 狌 狆 犾 犲 犱犮 犺 犪 狉 犵 犻 狀 犵项目耦合装药不耦合装药 狉犮 狉犮狉犫 狉狋 狉狋狉犫 狉犮狉犫和狉狋狉犫为粉碎圈和裂隙圈与炮孔半径
13、的比值,经计算,岩石粉碎圈半径约为炮孔半径的 倍,裂 隙 圈 半 径 约 为 炮 孔 半 径 的 倍。哈努卡耶夫的研究认为,埋入岩石中的炸药爆炸后,形成的粉碎圈半径为装药半径的倍,裂隙圈半径为装药半径的 倍,计算结果与上述研究较为吻合。掏槽孔与空孔之间的距离主要由补偿空间、炸药破碎范围和钻孔偏斜等确定,掏槽爆破主要通过装药孔的爆破贯穿提供补偿空间及初始自由面的空孔来形成槽腔,装药孔与空孔要满足能够为两孔之间的被爆 岩石提 供 足够 的补 偿 空 间 与 自 由 面 的要求。)补偿空间理论补偿空间应满足矿岩碎胀后所需要体积,不然就会发生“挤死”,导致爆破失败。由图可知:图装药孔与空孔补偿原理图犉
14、 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犲 狀 狊 犪 狋 犻 狅 狀犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 狋 犺 犲犮 犺 犪 狉 犵 犻 狀 犵犺 狅 犾 犲犪 狀 犱犲 犿 狆 狋 狔犺 狅 犾 犲犛犓犛犛犛()式中:犛为预爆岩体的横截面积,;犛为空孔横截面积,;犛为装药孔横截面积,;犓为岩石碎胀系数,一般为 ,根据地质资料取 。根据孔间距离、孔面积及两孔之间覆盖的面积,结合上式,能够推导出装药孔与空孔需要满足的距有色金属(矿山部分)第 卷离关系式如下:(犔犇犱犇犱)犓犇犱犔犇 犔(犇犱)犓()犇()犱犓()()计算得到:犔 。)破碎范围理论炸药爆破时产生的爆炸能量应满足孔间岩体爆破所需要的能量要求,否则
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