铁山矿区采场高阶段矿房切割拉槽爆破技术实践

马彦军 杨 俊

（中国华冶科工集团有限公司邯郸马万水分公司）

采用高阶段深孔切割拉槽，可同时为中深孔拉底与深孔侧向崩矿提供共用的自由面和补偿空间，其施工安全有保障，工序简单可靠，劳动强度较低，可节约施工成本。切割天井是形成切割槽的关键工艺，其形成的速度、质量、位置都影响着后续生产［1］。舞阳铁山矿-400 m水平采场深孔切割拉槽施工中常出现以下技术问题，一是切割井施工速度、质量受地质条件的制约，若选位不当会影响爆破效率；二是受地质条件、现场作业环境条件、凿岩设备性能、工人操作技能等诸多因素影响，造成切割井深孔偏斜率大而出现穿孔、窜孔现象，井底部抵抗线大幅增加，限制了分段爆破成井高度，造成爆破效率低下；三是受到单一深孔拉扩槽爆破的振动与冲击，使得出矿横巷顶板及眉线受到不同程度损坏，直接影响着出矿作业的安全，同时还会造成此出矿横巷的底部结构残留矿量增加。通过对舞阳铁山矿K13#矿房切割工程施工位置、爆破施工工序、主要爆破技术参数等进行优化，充分发挥VCR法和深孔爆破一次成井技术的优点，提高切割槽施工生产效率。

1 工程概述

舞阳矿业公司铁山矿西区铁古坑矿段-340～-400 m矿体赋存于条带状混合岩层之间，长1 300～1 400 m，矿层平均水平累计厚度约为60 m，倾角平均为36°，矿体以磁铁矿为主，f=8～13，密度为3.52 t/m³，矿层硬度大、稳定性较好。矿体局部地段受混合岩和闪长岩侵入，并切断矿体。混合岩与矿体接触带矽卡岩化较强，节理发育，有断层破碎带。上、下盘矿体围岩均为大理岩，白色、粗粒结晶结构。

-400 m水平采用阶段矿房VCR法深孔切割井、中深孔与深孔拉扩槽，采用中深孔拉底与高阶段深孔侧向崩矿嗣后充填联合采矿法开采［2］。矿房垂直矿体走向布置，长为矿体厚度，宽15 m，阶段高45 m，底部拉底补偿空间高度为15 m左右，侧向崩矿高度为30 m左右。采用高阶段深孔切割拉槽，贯穿整个阶段，可同时为中深孔拉底与深孔侧向崩矿提供共用的自由面和补偿空间。采切工程的切割槽长15 m，宽约4 m，深度约为45 m，在深孔凿岩硐室沿全段高从上向下用T-150型环形潜孔钻机钻凿一组平行炮孔（孔径130 mm），从下向上分别采用VCR法分段爆破技术和深孔爆破一次成井破顶的工艺形成切割井，再沿切割横巷采用中深孔与深孔从下至上侧向爆破形成倒梯段来进一步扩大切割井自由面，将切割槽全断面拉开（图1）。

2 切割槽施工位置合理确定

切割井施工速度、质量受地质条件的影响颇大，若是选位不当会影响爆破效果。由于-400 m水平矿体局部地段受混合岩和闪长岩侵入，在裂隙发育、岩层破碎的断层带地段，往往会使爆生气体过早逸出，还会造成动压失敏，对邻孔产生不良影响，每次装药时切割井清孔困难甚至部分孔堵塞，爆破效率低下。切割槽施工区域选位应根据采场现场矿岩地质特性和参考探矿地质编录相结合的办法，将其布置在矿岩成块状分布、坚硬稳固、致密的岩性之中，虽然会降低分段高度，但是优点显著。

3 爆破施工技术工序与工艺优化

良好的爆破技术与合理的爆破施工工序直接关系到高阶段切割工程施工速度、质量与效果。根据矿岩特性、孔偏斜率、孔径、炸药性质、成井断面尺寸补偿空间大小等相关因素，结合K22#、K19#、K16#等以往几个矿房切割拉槽爆破技术实践经验，确定切割拉槽工程爆破施工分别采用VCR法切割井小断面掏槽掘进、沿切割横巷采用中深孔与深孔从下至上侧向爆破形成倒梯段来进一步扩大掏槽自由面（中深孔拉底15 m段高和深孔侧向崩矿30 m段高的切割槽自由面补偿空间），再使用深孔爆破一次破顶成井技术，将切割槽全断面扩开［3-4］。

充分利用井口、井底2个端部自由面的初始补偿空间，来优化起爆顺序与装药结构，提高爆破效率和功效。在井底端部，以各炮孔偏斜在井底端部的实际孔位而重新组合的炮孔布置结构，充分利用以井底端部自由面的初始补偿空间，优化装药结构与起爆顺序，解决因地质条件、凿岩设备性能与工人操作技能等诸多因素的影响；在井口端部，随着切割井炮孔从下至上趋向达到设计炮孔布置结构，实施深孔爆破一次成井，对井口端部剩余12 m左右厚的顶层进行爆破破顶，来提高爆破作业功效。

采用中深孔与深孔从下至上形成倒梯段侧向爆破技术，不仅解决了随着切割井施工高度向上延伸井底部轮廓自由面缩小、爆破夹制力加大、爆破效率低下的技术问题，而且还克服了全部采用深孔扩槽爆破的较大振动与冲击力。

4 爆破技术参数优化

4.1 切割井掏槽形式和炮孔间距

由于切割井从下向上分别采用VCR法与深孔爆破一次成井破顶爆破技术，采用平行空孔掏槽形式较适宜，其装药结构、起爆顺序比较简单，可操作性强。这种方法是在深孔凿岩硐室沿全段高从上向下用T-150型环形潜孔钻机钻凿一组平行炮孔（孔径130 mm），以空孔为自由面，掏槽孔爆破将其扩大，再利用辅助扩槽孔和周边孔最终完成爆破作业。此种爆破技术对掏槽孔间距参数设计及凿岩钻孔精度要求较高。

（1）在等直径孔的限定条件下，设计采用菱形掏槽方式，其中K1、K2空孔为中间1#孔提供初始补偿空间，2#、3#孔扩大槽腔。

（2）首响掏槽孔布置在粉碎裂隙圈半径内，可按照式（1）计算确定［5］。

式中，L为炮孔间距，mm；Rt为以炮孔为中心的粉碎裂隙圈半径，一般Rt=（2.5～4.5）D，D为孔径，mm。

（3）首响掏槽孔间距应满足初始补偿空间距理论，可按照式（2）计算确定。

式中，D为孔径，130 mm；K为矿岩碎胀系数，因为首响掏槽眼在粉碎圈内取1.2～1.3［6］。计算得出L≦610 mm。

（4）装药孔数的确定与天井的断面尺寸、矿岩岩性条件等因素有关。切割井断面为3 m×3 m，矿岩硬度系数f=10～13，属于坚硬矿岩，同时考虑切割井深度大和岩体中有断层、裂隙等地质构造，以及孔的偏斜误差，所需炮孔数增多，仍然按照掏槽孔、辅助孔、周边孔来布置炮孔数目。可按照公式（3）计算确定。

式中，N为装药孔总数目；K为断面系数为1；S为切割井断面积，m2；g为炸药单耗量，经验值为12～18 kg/m3［1］；η炮孔装药系数，一般为0.6～0.8；r为每米炮孔装药量，kg/m。代入上式计算可得N=14～16个，其中掏槽孔3个、辅助孔4个、周边孔8个，力求炮孔的位置在断面内分布均匀。拉扩槽深孔、中深孔由于受空间夹制性大，排距分别按照1.5～2.0 m、1.2～1.5 m均匀布置。

4.2 装药结构

切割井顶层破顶段高约12 m左右，分为2个分层，采用深孔爆破一次性成井爆破技术。孔内采用ϕ110 mm、4 000 g/卷的2#岩石乳化炸药+全长敷设导爆索，掏槽孔和辅助孔采用球状药包不耦合连续装药结构，周边孔采用球状药包不耦合空气间隔装药结构（1+1模式），空气间隔使用长度为0.4～0.6 m的竹筒。分层间填塞1 m左右碎岩屑间隔，均为孔底起爆。最下层药包进置深度为0.4～0.8 m，炮孔下部堵塞材料用水泥塞子与岩粉堵塞。掏槽和辅助孔平均单孔装药量为90 kg左右，周边孔平均单孔装药量为50 kg左右。单孔炮孔长12 m左右，实际装药长度平均为9 m，线装药密度分别为9和5 kg/m，炸药合计用量为1 030 kg，爆破总方量为108 m3，炸药单耗约为9.5 kg/m3。如图2所示。

VCR法采用孔间微差爆破技术，由于先爆炮孔可能使后续炮孔处于高密集裂隙区域内续爆，爆生气体自裂隙很快逸出，使爆能利用不充分。解决的途径是适当加大炸药单耗，靠增加的应力波作用来完成破碎和抛射，从而创造一个良好的新自由面［4］。考虑到分段每次爆破施工高度较大，除从井底始端的第一分段与拉底而扩大井底自由面后的分段为7～9 m左右外，剩余各段均为5 m左右进行一次爆破，因此所有孔装药采用球状药包不耦合连续装药结构，孔口起爆。最下层药包进置深度为0.4～0.8 m，炮孔下部用水泥塞子与岩粉堵塞。分段高度为5和9 m的单孔装药量分别为50和100 kg，炸药合计用量分别为750和1 500 kg，爆破总方量分别为45和81 m3，炸药单耗约为18 kg/m3。如图2所示。

深孔拉扩槽采用2#岩石乳化炸药+全长敷设导爆索，采用球状药包不耦合空气间隔装药结构（1+1模式），使用长度为0.6 m竹筒空气间隔。中深孔扩槽采用粉状膨化硝铵炸药，密实柱状连续装药结构，由于中深孔扩井排布置在出矿横巷侧，为降低对出矿横巷顶板震动，防止破坏眉线，确保装运矿作业的安全，每排爆破孔数和每孔装药量的长度要严格按照设计参数控制，使扩槽爆破后形成的底部堑沟的沟帮坡面角与其毗邻的受矿巷底部堑沟的沟帮坡面角相一致。

4.3 填塞长度

合理控制药包埋深和填塞高度，基本可以杜绝冲孔反渣现象［7］。切割井炮孔上、下端部堵塞长度最优值与矿岩地质特性、炮孔质量、孔径、各炮孔间抵抗线距、装药量大小、施暴分段高度等因素密切相关，因此要根据切割工程施工条件的实际，确定合理的炮孔堵塞长度。

深孔爆破一次成井技术破顶的上端部炮孔口合理堵塞长度和良好填塞质量，既能使爆炸冲击波和爆生气体应力波在顶部岩层中合理分布，使岩石破碎块度均匀，不发生大块“悬顶”与大量岩渣上冲、上反的不良现象，又能使破碎的岩石在重力作用之下向下掉落，从而保证破顶的爆破效果。深孔爆破一次成井技术破顶时，槽孔、辅助孔及周边孔的上端部炮孔口堵塞长度不尽相同，与其功能要相符。确定原则：一是槽孔孔口堵塞长度应不小于孔底堵塞长度的3倍；二是辅助孔、周边孔口堵塞长度为该孔最小抵抗线距的0.6～1.0倍［6-8］。根据以上确定原则，经现场试验，槽孔孔口堵塞长度一般取值为1.5～2.0 m，辅助孔、周边孔口堵塞长度取值为1.0 m左右。依次递减掏槽孔、辅助孔、周边孔孔口堵塞长度，逐次扩大槽腔，防止出现反渣“悬顶”卡堵现象。

对于切割井VCR法爆破的上、下端部孔口堵塞，若长度过短，堵塞物就会过早冲出炮孔，这样不仅会减少爆生气体的作用时间，从而易产生大块，尤其破坏上端部预留孔的完整性，给下次装药的清孔带来困难，而且还会造成大量爆炸能量的浪费。若长度过长，单孔装药量减少，因此爆破能量降低，不能顺利形成槽腔，下端部还易造成邻孔带炮，同时上端部还易造成堵塞物压缩，不能顺利抛出孔外而形成“再生岩”滞留在孔内，造成预留炮孔不畅通，给下次爆破装药带来困难。

上端部孔口填塞长度（Ls）按照式（4）确定：

计算得出Ls=2.5～3.5 m，并根据矿岩地质特性、炮孔质量、孔径、各炮孔间抵抗线距、装药量大小、施爆分段高度等因素及时调整。

深孔爆破一次成井技术和VCR法的掏槽孔、辅助孔与周边孔孔底堵塞长度，分别按照各炮孔抵抗线距来确定。一般取值在0.4～0.8 m较为合理。

4.4 起爆顺序与网络设计

深孔爆破一次成井技术破顶层，分上下2个分层，上分层段高稍大于下分层段高，下分层先起爆为上分层腾出补偿空间，分层间填塞1 m左右岩粉间隔，每孔底毫秒非电导爆管引爆+孔内分段导爆索传爆，上下分层段间延时≧150 ms，下分层孔间延时为50～90 ms，上分层孔间延时为60～80 ms，每分层只爆破掏槽孔与辅助孔，采用4个段别微差爆破技术。另外，为了降低生产成本，根据现场切割井槽腔形成的情况，尽量使切割井周边孔与拉扩槽孔一起爆破崩落。

VCR法各孔起爆顺序根据各炮孔偏斜在井底端部的实际孔位，以端部自由面的初始补偿空间来确定，由于各炮孔抵抗线距大小不规则，应因地制宜，常以类似“螺旋状”由近及远顺序起爆。以每孔口毫秒非电导爆管引爆+孔内导爆索传爆，采用多个段别微差爆破技术网络。

中孔扩井排炮孔采用孔底反向起爆，每个孔底起爆药包采用0.5 m左右长度的导爆索+毫秒非电导爆管联接引爆，段间延时25～250 ms，一次性爆破多排炮孔。以上爆破网络设计均采用孔外毫秒非电导爆管簇联起爆网络，专用起爆器起爆。

5 爆破试验效果

13#矿房切割工程通过安全高效的施工，使切割槽底部的出矿横巷顶板围岩稳固性好、眉线未受破坏，确保了铲运矿作业安全，减少了残留矿的损失量。

通过统计分析13#矿房切割井施工费用，从炮孔凿岩施工至爆破结束，总施工费用约为10.9万元。与K25、K19等矿房切割井施工费用相比较，其中人工装药费用与爆破器材费用分别降低约40%与10%，而且提高了爆破功效，进一步降低了劳动强度、缩短了工期。如果与反井钻机施工相比较，反井钻机施工ϕ3 m或ϕ2 m成井，总费用分别约33万元和20万元，降低成本分别为70%与45%，而且凿岩设备利用率高，作业人员还不存在停窝工现象，经济效果显著。

6 结 语

（1）切割槽施工区域选位，应在同等矿岩地质条件下，布置靠近矿房中部上盘侧，这有利于回采装运矿的安全。凿岩前要清理平整作业面，使钻机能够横平竖直站立在坚硬的原岩上，保证钻机水平和钻杆垂直，力求炮孔偏斜率控制在设计范围内。

（2）在钻孔时，要留有详细的钻孔岩性记录，详细记录某段高部位出现断层、溶洞等地质特性资料，便于装药时采取爆破技术措施，顺利“渡过”地质条件差的部位。

（3）由于大部分炮孔偏斜率较大，尤其在第1～2分段爆破装药时，需要依据孔底部各炮孔偏斜的实际孔位现场重新设计、布置各孔装药结构和起爆顺序，在切割井底端部进行偏斜测定做标记、“挂孔”封堵时，需要1人监护1人作业，加强切割井底端部顶板的安全管理。

（4）一次爆破技术破顶时出现“悬顶”卡堵现象，利用就近的扩槽孔耦合连续装药爆破，使“悬顶”卡堵段挤压破坏。

（5）VCR法切割井与拉扩槽在高阶段矿房采场施工中，具有安全高效、节能降耗的优点，值得推广应用。