深孔爆破成井技术在某铀矿天井掘进中的应用研究

张宝俊

(中核(广东)科技有限公司，广东 韶关 512029)

天井掘进是矿山开拓和采切工程中一个相当重要的环节，天井掘进工程量占矿山年掘进总量的20%～25%[1]664。采用常规的普通法、吊罐法、爬罐法掘进天井，作业人员工作环境恶劣、安全性差、成本高、效率低；采用钻井法掘进天井，虽然作业人员不在井内施工，工作环境好、安全系数高；但施工机械庞大，设备购置成本高，尤其是施工机械本身还有待完善，因而其应用受到限制[2-5]。

相比之下，深孔爆破法成本为普通法的40%，钻井法的30%；而效率则为普通法的141%，钻井法的128%；另外在施工作业环境和技术操作方面，该方法也具有很大优势[6]。

深孔爆破法掘进天井的研究始于20世纪50年代，研究人员对深孔爆破法成井技术进行了研究[7-10]；但对深孔爆破法掘进天井的技术应用不够成熟，有关参数的选择主要基于经验和工程类比，该方法一直没能得到普遍推广。

某铀矿为了提高井下天井的掘进效率、改善作业环境、降低劳动强度并促进技术进步，参考国内外类似工程实例与研究成果，开展了深孔爆破法掘进天井的应用研究。

1 工程概况

矿床的含矿岩性主要为硅化碎裂岩、花岗碎裂岩，矿化岩性常发育绢云母化、赤铁矿化、萤石化、碳酸盐化、黄铁矿化等。生产实践表明，岩石的可爆性能较好。试验天井为某铀矿-150 m的充填法采场的通风天井，设计断面规格2 m×2 m，高度为13.6 m。

2 爆破方案选择

深孔爆破一次成井方案按装药结构和掏槽形式可分为直孔掏槽成井和多孔球状药包爆破成井。直孔掏槽成井的主要特点：1)以平行空孔为槽孔自由面，进行掏槽爆破；2)将天井划分为若干分段，分段高度由炮孔偏斜率和空孔决定。多孔球状药包爆破成井的主要特点：1)采用球状药包爆破；2)将天井划分为若干分层；3)分层高度由自由面宽度和孔径决定。

爆破方案的选择主要应考虑岩性、孔偏大小、成井断面大小和成井高度等(表1)。当岩石韧性大和孔偏大(超过1%)时，不适合采用直孔掏槽方案；当成井断面较小(<4 m2)或成井高度超过40 m时，采用多孔球状药包爆破成井方案不经济。

表1 2种爆破方案的适用条件

根据矿岩地质情况、试验天井规格，及矿山现有的钻机设备与性能、爆破器材等条件，确定采用直孔掏槽爆破成井方案。为达到研究目的和保证试验效果，并确保爆下岩石有足够的碎胀空间，将天井分为两段、采取分次爆破，即第一次爆破5 m，第二次爆破8.6 m。

3 爆破技术设计

3.1 掏槽方式及相关参数确定

3.1.1 掏槽方式选择

考虑到孔深和孔偏，采用桶形直孔掏槽。根据成井高度，选用若干空孔作为初始自由面和补偿空间。有关资料表明，一次成井高度8 m以下时，采用单空孔；8～15 m时，采用双空孔；15 m以上时，采用3个以上的空孔[1]667。本设计采用双空孔补偿方案。

3.1.2 装药孔数

装药孔数和天井的断面尺寸、岩石的岩性等因素有关。一般天井断面越大，岩石坚固性越高，所需炮孔数越多，装药孔数计算公式为[11]

(1)

式中：N—装药孔数；k—断面系数，取1.0；S—天井断面面积，m2，取4 m2；g—每m3岩石炸药消耗量，取3.2 kg/m3；r—每m炮孔装药量，取3 kg/m；η—炮孔装药系数，一般为0.6～0.8，取0.75。

由式(1)计算得N=5.7。据此设计装药孔数为6个，其中布置1个掏槽孔(3#孔)，5个周边孔(4#～8#孔)。

3.1.3 炮孔间距

根据现有的HGY-100型地质取芯钻机和采用的钻头(φ90 mm和φ75 mm)，掏槽孔与2个补偿空孔成三角形布置；其中补偿空孔直径为90 mm，掏槽孔和周边孔直径均为75 mm。

掏槽孔与补偿孔距离的计算公式为

(2)

式中：a—掏槽孔与补偿孔距离，mm；D—补偿孔的孔径，mm；d—掏槽孔和周边孔的孔径，mm；K—岩石碎胀系数，取1.5。由式(2)计算得a=385.6 mm，取a=350 mm。

3.1.4 炮孔布置

根据以上计算，此天井深孔爆破成井炮孔数目共计8个(2个补偿孔，6个装药孔)，炮孔布置设计如图1所示。

图1 炮孔布置设计图

3.2 深孔施工质量控制

深孔施工质量是深孔爆破成井技术的关键。深孔的偏斜会造成孔口和孔底的最小抵抗线不一致，进而影响爆破效果。深孔的偏斜包括起始偏斜和钻进偏斜，钻机性能、立钻精确度和开孔误差是引起初始偏斜的主要因素[12]，岩层变化、钻杆刚度和操作技术是引起钻进偏斜的基本因素。

根据HGY-100型地质取芯钻机性能和爆破方案，确定控制深孔施工偏斜率<1%。

3.3 装药结构

3#掏槽孔采用连续柱状装药；4#～8#周边孔采用轴向空气间隔装药(间隔材料为0.30 m或0.35 m长的竹筒)。采用2#号岩石乳化炸药，设计装药单耗3.2 kg/m3。炮孔全长敷设导爆索，采用秒延期非电导爆管雷管起爆。

由于深孔为上下贯通状，为此进行孔底封堵。孔底的封堵方法：1)将铁丝在炮孔内由上向下放到底部，并用铁丝绑好装有细沙的编织袋；2)将编织袋提到孔底并拉紧，然后将上口铁丝固定牢。完成孔底封堵后，倒入细沙进行堵塞，堵塞深度为0.8 m；按设计完成装药后，再倒入细沙进行上部堵塞，堵塞长度为1.6～2.0 m。装药结构如图2、图3所示。

图2 孔底封堵示意图

图3 轴向空气间隔装药示意图

4 深孔爆破成井现场试验

4.1 深孔施工

为保证钻孔施工质量，在钻孔施工过程中采取了以下措施：1)加设孔口套管，保证开孔时位置准确；2)将钻机底柱固定在枕木上，并将钻机底座用混凝土浇筑固定，保证在钻进过程中钻机不会移位；3)施工过程加强测量校核检查，发现问题及时纠偏；4)调配钻机熟练操作人员，减少人员操作误差。

钻孔测孔记录见表2，实测钻孔上下口位置如图4所示。

表2 钻孔测孔记录结果

图4 实测钻孔上下口位置示意图

由表2和图4可看出，除6#、8#孔外，其余炮孔的偏斜率均<1%。6#、8#孔为周边孔，且偏斜后未增大最小抵抗线，不会影响后续爆破实施。通过质量控制，钻孔偏斜率基本满足设计要求，可以进行下一步爆破。

4.2 现场爆破

4.2.1 装药

现场试验时没有专门定制炸药，采用2#岩石乳化炸药，药卷直径为32 mm，长度为0.3 m，药卷质量为0.3 kg。由于装药孔径为75 mm，所以将3节2#岩石乳化炸药药卷用胶带缠绑后作为装药的单节药柱。

装药时，随时测量孔底堵塞段、装药段、空气间隔段、上部堵塞段的高度，保证装药质量。

4.2.2 起爆顺序

炮孔起爆顺序：掏槽孔3#→周边孔4#→周边孔5#和6#同段→周边孔7#和8#同段。雷管段别分别采用秒延期的3段、5段、7段和9段导爆管雷管，跳段选择雷管段的目的是使前段爆破的岩石有充分的时间下落，为下段炮孔爆破腾出充足的补偿空间。有空孔掏槽爆破槽腔的形成过程大致可以分为岩石破碎阶段，岩石渣抛掷充满槽腔阶段，以及岩石碎渣轴向排弃形成有效槽腔阶段[13]。雷管跳段起爆是保证爆破效果的有效措施。

两段分次爆破成井试验的装药参数见表3。空气间隔长度按节长0.30 m或0.35 m的竹筒在孔中均匀布置。

表3 爆破成井试验装药参数

4.2.3 爆破效果

第一次5 m段爆破后，实测天井断面为3.6 m2，爆破效果基本达到设计要求；爆破炸药单耗为3.85 kg/m2，单耗较高。分析认为炸药单耗较高的主要原因是没有根据炮孔直径专门定制炸药，而且因考虑夹制作用适当增加了装药用量。

总结第一次爆破试验经验，进行第二次爆破现场试验。此次爆破成功将剩余天井段贯通，实测天井断面尺寸约为3.3 m2，炸药单耗为3.17 kg/m3，较第一次的炸药单耗有所下降。虽然第二次爆破天井断面较第一次爆破成井规格略小，但仍能满足要求。天井贯通效果如图5所示。

4.3 爆破成井效果评价

通过两次现场深孔爆破成井试验，验证了2 m×2 m天井深孔爆破成井的炮孔布置参数、堵孔方法、装药结构和起爆网络等技术的可行性，确定了深孔爆破成井分段爆破高度在5～8 m，基本达到了预期的指标要求。

图5 天井贯通效果图

5 结论

深孔爆破成井技术的一次爆破成井高度可达8 m，深孔爆破成井现场试验验证了此工艺技术和参数在该铀矿的应用效果。深孔爆破成井技术安全可靠、技术可行，本研究为下一步开展深孔爆破一次成井技术研究与实施奠定了基础。