基于水压爆破理论疏通堵塞溜井技术研究

2021-04-17赵元培李向东姚松明李强李士超

采矿技术 2021年2期

赵元培，李向东，姚松明，李强，李士超

(1.嵩县前河矿业有限责任公司，河南洛阳市 471000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410000)

0 引言

前河金矿成因类型为构造蚀变岩型中低温热液金矿床，葚沟矿床赋存于近东西向的 F4断裂带中，矿体产于断裂特定的构造部位，葚沟矿区南端矿体极不稳固、上盘围岩不稳固、下盘围岩不稳固至中等稳固，矿体倾角 70°左右，厚度较薄，为急倾斜薄矿体，矿石品位较高。矿体及其上下盘岩石受蚀变和构造影响严重，矿体主要为软弱性岩石，自稳性差。

矿山主要开拓方式为明竖井+盲竖井+盲斜井联合开拓，矿山目前的主要回采中段为120 m、80 m、40 m和0 m 4个中段，中段高度40 m，相邻勘探线间距为40 m，矿山目前的日产量约为500 t。

2019年8月出矿时发现主溜井0 m中段～40 m中段范围出现较长堵塞段，由于120 m、80 m、40 m中段为主要生产中段，主溜井堵塞严重影响采区主要生产中段采场施工进度，为了不影响出矿，实现顺利达产，需尽快疏通主溜井堵塞路段。

1 溜井堵塞原因分析

首先对溜井堵塞原因进行检查，顶部采用手电筒或探照灯照射，观察溜井堵塞情况，底部采用氢气球测出堵塞高度。结合矿山现场实际情况分析，主要有以下几个方面造成溜井堵塞[1-2]。

（1）溜井基建施工质量未达到要求，导致井壁凹凸不平，从而使溜井内产生断面较小的区域，出矿时矿石易堵塞该区域。

（2）当井内矿岩存放量较多，且存放时间过长时，底部的矿岩被长时间压盖，产生大面积结块，因此在放矿时，矿岩与井壁摩擦力较大，同时堵塞物底部形成平衡拱，产生矿岩堵塞。

（3）井内预留矿石较少，导致溜井卸矿时矿岩自由落体距离较大，造成井筒内矿石被冲击力压实，产生结块堵塞。

（4）由于前河金矿矿岩内含水及黏性粉状物较多，沉降压力及冲击压力导致矿石产生的结块黏聚力更强，与井壁间产生的摩擦力更大，因此造成主溜井内堵塞矿岩底部形成悬拱，产生堵塞。

溜井堵塞后的安全有效处理是目前矿山亟待解决的大问题，本着安全、可靠、合理、有效的原则进行溜井堵塞处理方法技术研究，提出可行的溜井疏通方案，并结合矿山实际情况加以改进。

2 溜井堵塞处理

2.1 溜井堵塞处理方法

目前矿山常用的疏通堵塞溜井的方法有以下几种[1-2]。

（1）竹竿捅落法。适用于堵塞高度低且堵塞范围小的情况，处理过程中人员需要有好的安全位置，符合上述条件优先采用竹竿捅落法，简单高效。

（2）药包支撑爆破。适用于堵塞物距井口底部高度较低，同时竹竿捅落效果较差的条件，采用竹竿支撑药包至堵塞部位底部，通过炸药爆炸产生爆破振动及冲击波破坏堵塞物粘结作用，导致堵塞物失去应力平衡，借由堵塞物自重应力疏通井筒。

（3）矿用火箭炮。通过发射筒内爆炸物的爆炸气流将火箭弹发射到溜井堵塞物底部，采用引爆装置引爆火箭弹，同样是通过爆破振动疏通井筒堵塞物。

（4）浅孔爆破法。适用于大块堵塞溜井口，有良好的打孔装药爆破条件，将大块堵塞物破碎处理。

（5）高压风（水）射流处理方法。适用于距溜井口堵塞部位较近的情况，采用高压风流或水流进行冲击，采用水的溶解作用以及冲击应力破坏堵塞物的应力平衡，从而疏通井筒堵塞物。

对于一般常用处理方法不具备处理条件，或不具备设备加工条件时，采用一些特殊方法进行处理，主要有以下4种[3]。

（1）座炮法。主要有挖坑埋炸药以及打管埋炸药两种方法，通过将炸药埋设在堵塞矿岩顶部，采用毛石填埋药包顶部或堵塞药管，进行起爆。

（2）下挖法。在溜井上部安装提升设备，采用人工下挖的方式将堵塞物向上提升，但是此方法效率低、安全性差，因此该方法使用情况较少。

（3）灌水法。通过井口向井内灌水，通过水流冲刷堵塞矿岩黏结物，同时使易溶于水的堵塞物溶解，从而疏通堵塞溜井。

（4）氢气球悬挂药包法。利用氢气球的悬浮能力，通过将药包捆绑在氢气球底部，接近堵塞物，采用爆破疏通溜井。

2.2 溜井堵塞处理技术研究

在主溜井0 m～40 m中段堵塞前，中段天井、溜井同样发生过堵塞，从适用性来看，矿山采用的解决方法主要采用药包支撑爆破法、人工下挖法、灌水法、座炮法等。

在主溜井堵塞段采用以上方法进行施工设计发现：由于堵塞长度较长，药包支撑爆破法只能解决溜井口附近少量堵塞物，难以较好地解决问题；采用人工下挖效率低、安全性差，因此不建议使用；采用灌水法进行处理发现溜井堵塞情况没有明显好转；同时采用座炮法，从上部打爆破筒埋设炸药进行崩矿，由于爆破产生的炮烟及有毒气体需通风，上覆矿块毛石重新形成堵塞物，以及溜井内堵塞物较长，导致疏通效率低，耗时较长，因此放弃该方法疏通溜井。

由于常规方法难以尽快解决溜井堵塞问题，考虑到堵塞物堵塞长度较长，且堵塞密实程度较大，因此主体解决方法仍采用爆破法。由于常规爆破未能起到良好的爆破效果，施工效率较低，不能连续放炮，因此决定引入水介质，使爆破冲击波应力集中，采用水压爆破的原理以及水的溶解作用解决溜井堵塞问题。

根据上述分析结果设计现场试验，现场试验方法如下：下放人员至溜井上部堵塞处；从上部堵塞处下挖药坑，埋设6.0 kg药包；药包上面用塑料膜装水覆盖药包，塑料薄膜上覆水深1.0 m左右；引爆药包，观察堵塞段是否下沉，多次操作若保持下沉情况则说明现场试验成功，现场试验药包埋设示意见图1。

实际操作过程中，第1次水压爆破崩矿，井内堵塞物下沉1.3 m，溜井下口落矿量为16 m3，说明试验方案产生较好的效果；第2次爆破崩矿，堵塞物又下沉0.9 m，溜井下口落矿量为8 m3，堵塞段持续下沉，但落矿量减少；第3次崩矿，堵塞物下沉0.7 m，溜井下口落矿量为10 m3。经过3次水压爆破，通过观察底部堵塞物情况，判断堵塞物黏结力已经被大幅破坏。考虑操作方便性，采用竹竿支撑药包进行尝试性爆破，最终通过爆破振动产生的冲击波将松动未塌落的堵塞物震落，最终疏通了溜井。现场试验情况说明引入水压爆破疏通溜井的技术产生了良好的效果。

图1 药包安装示意

2.3 水压爆破试验理论研究

炸药的爆炸过程是一个能量迅速释放的过程，水介质的作用能够使炸药爆破产生的能量均匀分布在水介质周围[4]。由于水介质顶部为最小抵抗线方向，因此爆破能量传递方向主要为顶部水介质方向，相对于常规座炮法采用毛石覆盖在药包顶部进行爆破，水介质具有不可压缩的特性，这种不可压缩的特性使水介质具有良好的缓冲效果及能量收束效果。爆炸产生的冲击波首先接触底部和两侧的堵塞物，以及顶部的水介质，由于水介质与堵塞物的不同物理属性，爆破产生的冲击波会在水、岩分界面产生反射及透射作用[5]。堵塞物的松散性较高，反射作用较弱，透射冲击波进入堵塞物内。对于水介质而言，爆炸产生的冲击波会使水介质产生反射向心冲击波，以及透射的爆炸冲击波。向心冲击波会重新传导至底部堵塞物内，侧向的透射冲击波到达溜井井壁后，由于井壁相对底部松散堵塞物及水介质强度较大，同时井壁相对光滑，认为冲击波与井壁的碰撞为弹性碰撞，即不产生压碎区，因此冲击波冲击井壁会再次产生反射作用，形成反射波，导致爆炸冲击波能量主要释放在下部堵塞物、水介质顶部暴露面2个方向，减少了对溜井井壁的损坏，同时增大了对底部堵塞物的冲击压力。

虽然水的密度与空气不同，但是炸药爆炸冲击波传播理论同样遵循3大守恒定律，满足爆炸冲击波的3个基本关系式[6]：

式中，E0、0ρ、P0、v0分别为水介质初始条件下的内能、密度、压力和速度，其中初始速度v0=0；E1、1ρ、P1、v1分别为冲击波通过瞬间的水介质的内能、密度、压力和速度；D为冲击波的波速。

2.4 水压爆破处理堵塞优势

水压爆破相比顶部压盖毛石的座炮法具有较大优势，可以提高爆炸能量利用率，降低爆破振动对井壁的破坏，由于上部覆水，可有效降低有害烟尘和气体扩散，缩短爆破循坏周期。同时，爆破对堵塞物产生冲击作用，导致松散堵塞物内部产生大面积裂隙，顶部水流入裂隙内冲刷和溶解黏结物，提高堵塞物的松散性。用水代替压覆毛石可以避免上部压盖毛石堵塞增加出渣量和反复出渣问题。与常规方法相比，水压爆破技术提高了疏通效率，大幅缩短了作业时间，降低了劳动强度，提高了安全系数。