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

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%。