垂直平行中深孔回采在张马屯铁矿的应用

2015-03-08郭峰

现代矿业 2015年4期

关键词：矿房天井炮孔

郭峰

(济南钢城矿业有限公司)

垂直平行中深孔回采在张马屯铁矿的应用

郭峰

(济南钢城矿业有限公司)

济南张马屯铁矿使用浅孔留矿采矿法开采，虽然有效消除爆破振动对地表建筑物的影响，但在采准施工及回采过程中无法保证施工人员的人身安全。为提高施工作业的安全性，并且控制爆破振动对居民的影响，采用垂直平行中深孔布置方式，可灵活控制每次爆破的装药量，方便在回采效率与爆破振动之间找到平衡点，并且施工安全性高。通过实际应用，取得了预期效果。

垂直平行中深孔近地表开采爆破振动

张马屯铁矿始建于1966年，1977年投产。以矿床北西向F1断层为界，分为西矿体和东矿体，西矿体(Ⅰ#矿体)勘探提交储量2 098万t，开采至今已近40 a，当前保有储量约400万t。2010年由于增产需要，对Ⅱ#矿体进行开拓施工，并于2012年完成基建投产。Ⅱ#矿体分布于4～-1勘探线闪长岩与灰岩接触带内，矿体呈透镜状，长460 m，倾斜延伸100～230 m，赋存标高为-40～-320 m(地面标高+30 m)，厚20～44 m，平均为24.7 m；走向NE41°，倾向NW，倾角为40°～60°，上缓下陡，保有储量为334万t。Ⅱ#矿体的开采水平在-80～-200 m，距离地表较近，且地表四周已经形成一定规模的居民区，虽然沿用主矿体的扇形中深孔爆破回采所产生的爆破振动不会对地表建筑物产生破坏[1-2]，但爆破产生的地震波会使居民楼产生振动，影响居民生活，给正常生产带来不利影响。因此，必须降低回采爆破振动[3]。

1 原采矿方法

Ⅱ#矿体采用浅孔留矿法回采，下行式顺序开采嗣后全尾砂胶结充填处理采空区，自上而下共分为-80,-120,-160,-200 m 4个阶段水平，-80～-120 m水平增设-100 m水平用于增强通风、行人、出矿。-80～-160 m矿房主要垂直矿体走向布置，-160～-200 m矿房主要沿矿体走向布置。矿房段高40 m，宽12 m，分一步、二步矿房：一步矿房回采、充填完成后，待充填体强度达到施工要求后再回采二步矿房，不留间柱。在矿房上、下盘分别布置人行通风天井，天井内垂直间隔5 m布置人行联络道用于人员进出及矿房内通风，留5 m顶柱。主要采切工程包括人行通风天井、充填天井、上下盘沿脉巷、穿脉巷以及底部铲运机出矿巷等。

先在开采水平由下盘运输巷道施工穿脉巷道，再进行铲运机运输巷、底部出矿巷及堑沟巷的掘进，底部每隔8 m设置一条出矿巷道。在堑沟巷内两侧均以50°倾角向上落矿施工至矿房边界处，形成底部受矿堑沟；堑沟形成后，正式回采，保持好顶板与留矿堆的高度，向上层层落矿，加强顶板情况观察，确保落矿期间的安全。Ⅱ#矿体原采准布置见图1。

图1 Ⅱ#矿体原采准布置

2 存在的问题

浅孔留矿法经过近2 a的使用，发现实际施工中存在一些问题：

(1)矿房人行天井在施工时底部会保留一些碎碴石，能够在发生施工人员坠井事故时起到缓冲作用，降低伤害程度。但测量技术人员不方便测量设备的安装定点，无法实现精准控制而造成人行天井倾斜度出现偏差。

(2)40 m高的人行天井施工超过20 m,凿岩爆破后炮烟排出困难，如不及时通过辅助手段加强通风，很容易造成后续凿岩施工人员炮烟中毒。

(3)人行天井施工难度大，成本高，天井断面较小，后期为方便施工人员安全进出矿房，在每个联络道口处还要再安装平台，使人行天井的通风能力进一步下降，不利于矿房内的通风。

可见，使用浅孔留矿法虽然可有效解决爆破振动问题，但施工人员在作业时存在较多的危险因素，不利于生产安全。

3 采矿工艺优化

3.1 矿房布置及构成要素

矿房与浅孔留矿法布置相同，为垂直矿体走向，底部结构不变，顶部根据开采情况决定是否预留顶柱。阶段高40 m，矿体高不足40 m时，阶段高度为矿体高度；每10 m设一个分段水平；沿矿体走向布置时矿房长不宜超过30 m；垂直走向布置时矿房宽6 m；需要预留顶柱时，顶柱厚5 m。

3.2 采切工程

在各分段水平的矿体下盘布置沿脉运输巷，用于设备调运、人员进出、矿房通风。在矿房出矿水平沿矿房布置受矿堑沟巷，垂直堑沟巷每隔10 m布置铲运机装矿巷，相邻矿房的堑沟巷作为出矿巷使用。各分段水平先施工拉底平巷，然后按照设计尺寸拉底至矿房边界，拉底高度为2.5 m。在各水平矿房端部布置2 m×2 m切割天井，横向布置切割炮孔。在各水平拉底空场内以一定网度施工垂直平行回采炮孔。优化后矿房采切布置见图2。

图2 优化后采切工程布置

3.3 矿房回采

根据切割井布置在上盘，回采顺序为自上盘向下盘后退式回采。沿矿房高度，自上而下分段回采爆破。具体回采步骤如下：

(1)自上而下对各分段水平的切割拉槽炮孔进行装药爆破，形成切割槽并严格控制爆破药量，减小爆破振动。

(2)切割槽形成后，自上而下对回采炮孔进行装药爆破。根据爆破振动的实际情况，每次爆破控制在4～6个炮孔。上下分段的爆破进度要进行合理控制，尽量不要出现因下分段过早爆破造成上分段抽底，或下分段爆破不及时造成上分段爆堆堵孔，影响正常装药爆破。

(3)矿房底部使用堑沟结构出矿，因此底部为扇形炮孔。扇形孔孔深加大且单排分次爆破不便操作，为不使爆破振动过大，需要根据实际情况调整装药结构及爆破顺序。

3.4 爆破方法优化

垂直扇形中深孔回采方法被广泛使用，其具有施工人员作业安全性高及矿房回采效率高的特点，但爆破振动较大[4]。根据《爆破安全规程》(GB 6722—2011)爆破振动安全允许距离计算公式：

(1)

式中，R为爆破振动安全允许距离，m；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，齐发爆破最大药量不会超过200 kg，取200 kg；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度，一般地面民用建筑所允许的最大振动速度为2 cm/s；K、a为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，井下矿岩普氏硬度系数f为8，属坚硬岩石，取K=150、a=1.5。

计算得出R=104 m，而Ⅱ#矿体最高开采水平的装药点与地表垂直距离为120 m，与建筑物的斜距大于150 m，因此，在Ⅱ#矿体使用扇形中深孔回采，其爆破振动对地面建筑物的影响是符合规定的，但仍需要降低振动。

垂直扇形孔落矿单次回采爆破作业至少装药1排，药量近200 kg，即使使用一个炮孔一个段别的微差分段爆破，也不会显著降低爆破振动，影响爆破振动最主要的因素是总装药量。如果为降低爆破振动，减少炸药用量而对单排扇形孔分多次进行爆破则会严重破坏临近炮孔。于是采用垂直平行中深孔代替扇形中深孔[5]，垂直平行孔单孔装药量计算公式为

Q=(πd2ΔL)/4 ，

(2)

式中，Δ为装药密度，1 g/cm3；d为炮孔直径，5.5 cm；L为装药长度，600 cm。

计算得出单孔装药量Q=14.25 kg。但还需要考虑尽可能提高回采效率，再根据实际应用时地表的震感强弱来调整每次爆破炮孔的数量，最终使爆破振动对居民的影响与回采效率之间达到平衡。

回采爆破相关参数：

(1)炮孔直径。炮孔直径越小则装药量越小，越有利于降低爆破振动。结合实际情况，井下现有设备可施工的最小孔径为55 mm。

(2)炮孔深度。分段水平高10 m，拉底高度为2.5 m，预留0.5 m，则孔深为7 m。

(3)最小抵抗线。

按公式计算：

(3)

式中,d为炮孔直径，55 mm；Δ为装药密度，g/cm3；η为深孔装药系数，炮孔装药后对孔口填堵1～1.5 m，装药系数取0.85；m为炮孔密集系数，m=a/W，平行深孔为0.8～1.1,取1；q为单位炸药消耗量，1.1 kg/m3。

计算得出W=136 cm。

按最小抵抗线和孔径的比值选取，对于坚硬岩石，则

W=(23～30)d.

(4)

计算得出W=126.5～165 cm。

根据矿山类似资料选取，孔径为50～60 mm，则最小抵抗线W=1.4～1.7 m。

综合以上计算结果，确定最小抵抗线W=1.4 m。由此布孔网度确定为1.4 m×1.4 m。

4 应用效果

根据井下实际情况，在各方面都符合要求的Ⅱ#矿体1204矿房上部应用了垂直平行中深孔回采方法。拉底空间形成后，空场内顶板整体情况良好，无大面积片帮、塌落，后续中深孔凿岩施工不存在较大安全问题；由于孔径小、拉底空场大，凿岩进度及通风环境要比主矿体好。存在的主要问题是拉底空场底板平整度对施工垂直孔的精度影响较大，频繁挪动钻机大大增加了施工人员的劳动强度，可引进适用设备。

2013年12月16日，对矿房切割孔的前两排实施了装药爆破。总共装药6个炮孔，使用炸药100 kg，每孔对应放置1～6段的毫秒导爆管雷管，小区1#楼1单元内对井下爆破无明显震感。2013年12月18日，共装药6个炮孔，使用炸药65 kg，每孔对应放置1～6段毫秒导爆管雷管，小区1#楼2单元内基本感觉不到振动。后续在矿房爆破作业多次，每次装药量均控制在100 kg以内，且每孔一个段别，地面居民楼内基本都无明显震感，而且每次爆破的落矿量在400 t左右，超过了浅孔留矿法的回采效率。