白云铁矿东采场小空间掘沟技术

2020-09-02崔占军李永华高淑娜王宏飞

露天采矿技术 2020年4期

张帅，刘峰，崔占军，李永华，丁科，高淑娜，王宏飞，李涛

（包钢白云铁矿，内蒙古包头014080）

白云铁矿是一座大型的露天矿山，作为包钢（集团）公司的主要原料基地，经过62 年的开采已经进入衰减末期。尤其东采场，从山坡露天矿开挖成了深凹露天矿，现采场底部距离封闭圈垂直深度达到了289 m，采场底部空间狭小，给采矿工作增加了一定的难度。主要体现在爆破规模小且爆区接头多，同时采场公路系统会占据一定空间，生产组织较为困难；而露天开采为了保持正常持续的生产，需要及时开拓新的水平，首要任务就是掘进出入沟，而出入沟的掘进则是露天矿山掘沟工程的关键所在，直接影响整个水平的掘进速度和采掘设备的效率[1-2]。针对白云铁矿东采场的生产现状，根据以往的经验，先掘临时沟再改固定路已经不适应采场现状，参考国内其他同类型的矿山掘沟工程，无一例外的都采用先做临时出入沟，调整空间后改变出入沟位置，废除临时出入沟，形成固定斜坡路。

1 掘沟现状

掘沟是三大工程之一，出入沟更是掘沟工程的第1 步，掘沟位置、孔网参数、穿孔方法、起爆网络等都会对整个掘沟工程的质量起到决定性作用。如何优化掘沟工艺，正确地选择掘沟方法，合理地确定掘沟的主要参数，提高设备效率和掘沟速度，对露天矿山的正常开采有着重要意义[3-4]。

白云铁矿东采场现工作台阶有2 ～3 个。完成最上部台阶的靠界工作的时候进行新水平的开拓工作。新水平的开拓工作主要有以下过程：①掘沟位置的确定：新水平的掘沟位置一般选在矿岩交界部位；②穿孔方式：白云铁矿采用KY-310 牙轮钻机穿全沟等深孔；③爆破：按照以往经验采用中间掏槽排间起爆的方式进行爆破；④采掘：白云铁矿采用WK-10 电铲进行采掘，利用10 m3电铲修筑临时出入沟，并形成开段沟，完成掘沟基本工作以后进行台阶扩帮。

台阶扩帮到一定程度后根据推进部位和空间需求会在本水平再重新修筑1 条调整临时斜坡路，废除第1 条临时斜坡路并为靠界爆破创造自由面，最后在固定斜坡路部位完成靠界爆破，并修筑固定斜坡路。此举需要多修筑2 条临时斜坡路，废除2 条斜坡路，费时费力费成本，增加作业负担，同时废除第1 条临时斜坡路时由于掘沟孔成孔率低，会出现大面积根底，给废路工作增加成本，而且极大地降低了工作效率。此外，以往的掘沟方式需要在采场底部靠中间的位置掘沟，运矿车生产上一水平的矿岩时，需要在出入沟两侧留足够宽度的公路，对采场空间要求更大。综合来说，由于狭小的作业空间限制，使得采场同一水平很难同时布置2 条斜坡路，掘沟工作成为影响采场正常生产的关键问题。

2 方案设计

2．1 掘沟位置的选择

与以往在采场最底部平台中间部位矿岩交界处开始掘沟不同，现将掘沟部位调整到固定斜坡路的部位，改变以往掘沟顺序，不掘临时出入沟和调整用的临时出入沟，直接在固定斜坡路部位掘沟，以往的掘沟顺序如图1，调整后的掘沟顺序如图2。

图1 以往的掘沟顺序

由于采场底部空间狭小，现在不论在哪个部位掘沟，都能够很快形成开拓系统，并进行矿岩的采剥，在靠界部位修筑好固定斜坡路后，只需要朝着需要的矿岩地质方向不断推进即可；公路系统也较为简单，不需要多余的空间来做临时公路和临时斜坡路，提高生产作业效率，节约生产成本，对公司的四降两提有着积极的作用。

图2 调整后的掘沟顺序

2．2 孔网的选择

不同于工作帮的台阶正常推进，靠界爆破工作不适用KY-310 牙轮钻机的穿爆工作。所以白云铁矿的靠界爆破工作由乙方单位承包，选用φ120 mm和φ140 mm 的潜孔钻机进行穿孔爆破；本次掘沟爆破设计亦使用小孔径钻机进行穿孔爆破。

本次穿孔选用φ140 mm 为主爆孔孔径，φ120 mm 为预裂孔孔径。采用全沟不等深孔的穿孔爆破的方式掘沟，靠近边坡的炮孔角度按照边坡靠界爆破角度设计，炮孔垂直方向布置示意图如图3，炮孔平行方向布置示意图如图4；起爆方式为中间孔掏槽爆破，按照正常爆破，中间孔掏槽孔爆破受到的夹制作用较大，孔距比正常爆破的孔距小约20%[5]。

图3 炮孔垂直方向布置示意图

1）超深h 与孔深L。白云铁矿东采场台阶设计高度为14 m，固定斜坡路的角度为8%。可得出固定斜坡路的全长为175 m。超深h=（0～10）d（d 为孔径），为了保证爆破质量，此次设计超深为1.4 m。II区和III 区段为了保证孔深，超深设为1.6 m 和2.0 m。则I 区段的孔深为全段沟不等深穿孔将出入沟分为3 个部分[6]，长度分别为58、58、59 m。I 区段孔深L1=6 m；II 区段孔深L2=10.9 m；III 区段孔深L3=16 m。

图4 炮孔平行方向布置示意图

2）填塞长度T。填塞长度T =（20～30）d，3 个区段分别设计为2.8、3.5、4.2 m。

3）孔距和排距。此次布孔设计为正三角形布孔，密集系数m 为1.15，排距b = (1～1.5)T,考虑到掏槽爆破的夹制作用，3 个区段排距b 分别设计为3.4、4.2、4.6 m。根据m =a /b 得出3 个区段的孔距a 分别为3.8、4.8、5.3 m。

4）单孔装药量。根据乳化炸药密度和炮孔孔径可知线装药密度t 为20.4 kg/m, 即t = 20.4 kg/m；根据公式Q=（L-T）（L=L1+L2+L3）t 得出3 个区段的单孔装药量分别为65.3、160.0、240.7 kg，各区段孔网参数见表1。

表1 各区段孔网参数

2．3 起爆方式及起爆网络

纵观国内露天矿山，多为传统的起爆方式，即排间微差起爆[7]，但是该方法爆破振动较大，考虑到白云铁矿东采场采深较大，同时，在采场北帮C 区发生过大规模滑塌事故，为了保护边坡的稳定性，保障可持续安全发展，所以本次爆破设计选用的起爆方式为中间孔掏槽逐孔微差爆破，选用最新的数码电子雷管，主爆孔以逐孔微差起爆的方式起爆，预裂孔和辅助孔仍然采用同时起爆的方式。起爆网络图如图5。该起爆方式的最大优点就是可以根据采场岩性以及爆破目的设置微差时间，同时数码电子雷管采用芯片延期的方式实现延期目的，所以在爆破指令发出后会直接传递到孔内雷管上，不存在传统的导爆管传爆时发生砸管等不利于安全爆破的现象，既安全又高效。

图5 起爆网络图

2．4 提高成孔率

穿孔是掘沟的第1 步，也是关键的一步，由于在正常生产穿孔爆破的时候，钻机穿孔时需要超深2 m 左右，超深部分对底板造成粉碎性破坏。在新掘沟的时候炮孔基本都是满孔水，钻机穿孔时，高压气体把满孔的地下水和粉渣一同吹出孔口，形成夹带粉渣的高压水流，孔口在高压水流的作用下不断冲刷扩大成喇叭状，深部的粉渣无法排出孔外，有的孔甚至冲刷孔壁至坍塌。导致孔深无法达到技术要求[8]。为了提高成孔率，首先考虑降低底板表层的过度粉碎，即在该部位上1 个平台在进行穿爆作业的时候降低孔网参数，同时减小炮孔的超深；其次在掘沟爆破前，在掘沟部位的旁边用310 钻机穿3 个半深孔，提前爆破做水泵坑抽水，降低水位后在进行掘沟爆破的穿孔作业；最后在成孔后及时爆破，避免爆区放置时间过长导致塌孔等现象。

2．5 掘沟时间的选择

露天矿的掘沟时间一般要避开雨季和冬季，如果在雨季开始掘沟，由于受到地表汇水和地下水的影响，沟里最下面的台阶将出现大面积的满孔水的情况，钻机成孔更加困难，严重影响掘沟速度和设备效率，而且在掘沟过程中如果出现大雨等情况，随时有可能出现淹没台阶的情况，造成人员和设备的安全隐患[9]。白云鄂博地区地处西北，常年少雨，但也出现过暴雨集中的情况，发生电铲被淹的事故案例，雨季主要集中在每年的7 — 9 月。所以应当避开该时节；如果在冬天掘沟，由于白云鄂博的冬天气温可低至零下30 ℃，所以会出现成孔后炮孔孔口冻冰的情况，为施工带来困扰，同时，完成爆破后如果采掘不及时，爆堆会被渗水冻结，造成挖掘困难，底板不平且无法继续向下延深的问题。综合以上情况，建议掘沟时间主要集中在每年的4— 6 月。