深孔分段爆破掘进天井

完成时间：1971～1974年，1980～1982年

工程地点：湖南黄沙坪铅锌矿

完成单位：中南大学、湖南冶金研究所、湖南黄沙坪铅锌矿

项目主持人及参加人员：陈寿如等

撰稿人：陈寿如、林大能

1基本情况

    黄沙坪铅锌矿属中温热液裂隙充填交代矿床，围岩有灰岩、砂页岩、矽卡岩、花岗岩和石英斑岩，以灰岩为主。主要矿物有铅矿、闪锌矿、黄铁矿和斑铜矿。矿岩一般稳固，矿石f=6～8，灰岩f=6～12，花岗岩和矽卡岩f=12～16，矿岩松散系数为1.4～1.6．矿石体重一般为3.4～3.98t／m³。采用水平分层干式充填法为主的采矿方法，掘进工作量大。其中，天井的工作量占总掘进工程量的1／3。天井一般深度为15～36m，大部分在28m以上，有充填井、溜矿井、废石井、通风井和人行井。端面为1.5m×1.5m，2m×2m及妒．5m的圆井，倾角为65°～90°。以前采用普通法掘进，存在工效低、劳动强度大、粉尘浓度高、作业条件差、木材消耗量大、安全性差等缺点。

为解决这一系列问题，湖南省冶金工业局下达了科研任务，试验组大胆提出了“深孔分段爆破掘进天井”的设想，并于1971年上半年开始试验，经过十余年的试验，表明对于倾角70°以上、高度在36m内的普通天井来说，“深孔分段爆破掘进天井”的新工艺是成功的。

2凿岩工艺

  深孔分段爆破掘进天井，即在天井设计范围内，采用深孔凿岩设备一次钻完天井所有炮孔，然后分段爆破成井。

2.1钻机

  先采用YQ-100型、YQ-100A型及YQ-80型钻机。进行上向凿岩，该方法有以下缺点：炮孔偏斜大，凿岩速度低，由于炮孔流水，电机容易受潮烧坏，因此改为下向凿岩，采用TYQ-80型钻机，大大提高了穿孔速度。

2.2钻架

    改进和试制了TYQ型钻架，它主要由立柱、副立柱、大框架、小框架组成。整个运动靠液压油缸操纵；以立柱为中心，除以0.5m为半径的死角外，能钻半径为1.8m任意位置的炮孔，实现了一次立钻钻完全部天井炮孔。对提高炮孔质量、减少辅助作业时间和加快成井速度起了重要作用。

2.3钻具的改进

    (1)钻杆。使用TYQ型钻架的同时，选用了F60mm的钻杆，它的直径与孔径之差由原来的50mm减到30mm左右，改善了排粉条件，提高了穿孔速度。

    (2)开门钻头。为消除或减少钻孔开门时炮孔偏斜，采用了F170mm的开门钻头，首先将岩石凿平，保证开孔时钻孔不移位，对提高炮孔质量起到了良好作用。

    (3)钻头。改用柱齿钻头，一方面，提高了钻头的使用寿命，在f=12～16的花岗岩中：片状钻头寿命为16～20m，柱齿钻头为50～60m，在灰岩中，片状钻头寿命为36～50m，柱齿钻头为300m左右；另一方面，因提钻更换钻头次数大大减少而减少了辅助时间，使纯凿岩时间的比例由原来32％～35％提高到50％～55％；使台班效率由6～8m／台班提高到15～20rm/台班。同时省去了钻头修磨工序，减少了辅助作业人员。此外，孔径变化均匀。试验证明，采用柱齿钻头对保证炮孔质量、减少粉尘浓度、提高凿岩效率、降低凿岩成本是有利的。

    (4)扩孔钻头和并联导向器。天井爆破效果的好坏，取决于初始补偿空间和破碎角的大小，为扩大空孔面积，改进扩孔方式，设计和试制了并联导向器；同时采用了F150mm的扩孔钻头与并联导向器相结合的扩孔方案。实践表明，扩孔钻头和并联导向器的应用，对改善爆破条件、提高一次爆破分段高度具有重要意义。

2.4钻孔工艺

开钻前根据设计要求检查硐室，测定好天井方位和倾角，给出中心点和孔位；打好吊环孔，然后安装钻机，并调整好钻机的方位和倾角，使之符合设计要求。开孔时首先用Fl.70mm开门钻头，将孔口凿平，然后用F130mm或F150mm左右的开孔钻头开孔，开孔要慢速、减压、精心操作，当孔深钻到原岩深0.1～0.2m时，停止钻进，校核钻机的方位和倾角。使之符合设计要求，并清除孔内积渣、埋设套管，换上F90mm的钻头进行凿岩，并在冲击器后接2～3根导向钻杆，以控制炮孔偏斜。

3爆破工艺

3.1掏槽方式

    深孔天井爆破系一次钻孔，分段爆破成井，因每次爆破后要求所有的炮孔畅通，故掏槽应相当可靠。1980年以前采用直径与装药孔相等的1lOmm空孔。从1980年开始试验扩孔，以F1．70mm的大空孔作为平行炮孔掏槽的自由面，取得了一定效果。1982年开始试验并联导向器套孔和先扩后套的联合扩孔方案，成功地使用双空孔和三空孔，即将F9Omm孔扩成F150mm后，再利用并联导向器在孔旁钻一个F130mm的空孔或者在F90mm孔旁钻2个F130mm的空孔方案；增大了空孔面积，改善了爆破条件，使装药槽孔允许偏差增大，提高了爆破的可靠性，在现场试验中均取得良好效果。

3.2爆破参数的确定

    3.2.1  孔径

    根据使用的钻孔、钻具，装药孔径定为F90mm，以F90mm、F130mm、F150mm三种孔径组成不同形式的空孔。

    3.2.2孔距

第一响槽孔至大空孔(150ram)的距离L₁，根据补偿空间大小和自由面宽度来确定，根据图1，导出计算公式： 

图l  l号槽孔与大空孔间距的计算

    将相关数值代人上式，并取初始补偿系数n=0.7，可算出L₁’ =339．6mm，L₁=348.6mm。在试验中取350mm。施工时按设计在天井中心打两个间距为350mm的槽孔，选择质优者扩孔，并根据孔偏情况采取远偏近套、近偏远套的办法，以调节抵抗线大小，尽量使n达到设计要求。

    其余槽孔至空孔的距离，应在确保补偿空间和自由面宽度的前提下，尽量增大槽腔面积，要考虑孔偏影响。第二响槽孔至孔间的距离，一般取L₂=400～500mm，同样，第三响槽孔取L₃= 500～600mm，第四响槽孔取L₄=550～650mm。按不同天井规格，要求最终形成槽腔面积达到0.2～O.3m²以上。炮孔布置见图2。

    3.2.3初始补偿系数的确定

    理论上，对松散系数为1.5的岩石，当补偿系数为0.5时，空孔或槽腔空间就能容纳槽孔崩落的岩渣，但应考虑孔偏、岩矿的黏结性和装药量，否则会使实际的槽腔面积减小、甚至形成再生岩，把槽腔堵死。因此，应采用较大的补偿系数。

    3.2.4炸药单耗q

    单位体积炸药消耗量与矿岩性质、天井断面、分段高度、药包直径及装药结构等因素有关。通过现场试验，天井的单耗为8kg／m³左右。

图2  炮孔布置图(单位：mm)

    每米炮孔装药量：槽孔采用间隔装药，药包F70mm，长480mm；按槽孔距空孔远近和空孔面积大小，采用160mm、240mm、480mm三种装药长度。间隔为200mm，槽孔每米装药量分别为1.65kg、2.05kg、2.67kg。周边孔采用连续柱状装药结构时，每米装药量为3.6～3.74kg。

3.3一次爆破分段高度

    实践表明，一次爆破分段高度主要与爆破条件有关。当补偿系数为O.55～0.7，破碎角度大于30。时，分段高度可达5～7m。当补偿系数小于0.5时，分段高度随之下降到2～4m。

3.4装药结构及爆破顺序

    3.4.1  炸药

    采用自制的含5％TNT。的硝铵炸药，药包规格为70mm×480mm，药包重量1.8kg／个。

    3.4.2装药结构

    槽孔采用间隔装药，根据抵抗线和自由面大小，每个药包间隔一个200mm的竹筒，并在装药全长敷设导爆索，周边孑L采用连续柱状装药。装药方式，除第一分段从下往上装药外，其余分段均由上往下装药。起爆药包装在装药段上部1／3处。

    3.4.3起爆顺序

    第一分段先放掏槽孔，第二分段掏槽孔与第一分段周边孔同时爆破，一般掏槽孔超前周边孔一个分段。深孔分段爆破掘进天井

3.5填塞

    装药时下填塞高度以不超过该孔最小抵抗线为宜，试验中槽孔下填塞高度一般为0.3～0.4m，周边孔为0.4～0.5m。上填塞高度为0.5m以上。填塞材料为木楔、炮泥和碎岩渣。

3.6起爆方法与网路

每个炮孔装2发导爆管雷管，用火雷管反向起爆导爆管，孔内各药包用导爆索连接。毫秒延时间隔时间，考虑炮孔爆破后有充裕的排渣时间，掏槽孔取100m。以上，周边孔取200ms以上。

4深孔分段掘进天井技术经济指标

    通过试验新的机械设备及先进钻具，提高了钻孔速度，扩大了空孔自由面宽度和面积。进一步完善凿岩爆破工艺，采用新的起爆器材和装药结构，使技术经济指标逐步提高，材料消耗成本降低。实际掌子面工效为0.41m／(工.班)，实际台班工效为0.23m／(台.班)，5人台钻实际月成井速度为52.3 m／月。本工艺允许三班连续作业，因此月成井速度与劳动组织有关，如合理安排劳动组织，按11人的小组计算，则月成井速度可达123.8m／月。

  长期的应用表明，该方法具有以下优点：

  (1)掘进速度快，减轻劳动强度；

  (2)安全条件好，粉尘浓度低；

  (3)节约木材；

  (4)成井质量满足生产要求，进尺成本与普通法相近，经济效益好。