任慶偉，李 勝, ，郭子林，杜英男，劉 偉

(1.河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司石人溝鐵礦， 河北 遵化市 064200；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山市 063009；3.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山市 063009)

0 引 言

河鋼礦業(yè)石人溝鐵礦是我國(guó)大型露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山，目前主要為地下開(kāi)采。該礦屬于鐵硅質(zhì)沉積建造變質(zhì)鐵礦床，礦石自然類型為石英巖型磁鐵礦，礦體厚 10～50 m，傾角為 65°～75°，平均70°；圍巖為黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖、含鐵斜長(zhǎng)片麻巖、磁鐵石英巖及中基性巖脈，礦巖堅(jiān)硬、穩(wěn)固性好。根據(jù)礦體的開(kāi)采技術(shù)條件，礦山采用的采礦方法為分段鑿巖階段礦房嗣后充填采礦法[1]。該方法分段高度為15 m，巷道規(guī)格為4.5 m×3.8 m，鑿巖設(shè)備為阿特拉斯 1354、1254采礦臺(tái)車，并在靠近上盤(pán)形成切割天井，通過(guò)切割平巷向上鉆鑿垂直炮孔進(jìn)行擴(kuò)槽，形成礦體開(kāi)采的自由面和補(bǔ)償空間，最后采用中深孔落礦進(jìn)行采礦。該方法切割井原采用76 mm+102 mm孔徑分段爆破一次成井技術(shù)。為減少采礦臺(tái)車設(shè)備故障，提高穿孔效率，通過(guò)開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)鉆頭直徑改為64 mm，切割井改為64 mm+ 102 mm孔徑后，原有孔網(wǎng)參數(shù)無(wú)法使切割井爆破一次成井，嚴(yán)重制約了礦山生產(chǎn)。因此對(duì)不同條件下切割井爆破一次成井孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 一次成井爆破參數(shù)計(jì)算原理

1.1 初始補(bǔ)償系數(shù)

空孔面積 S0與首爆裝藥孔所爆落巖碴的實(shí)體面積S1之比，稱為初始補(bǔ)償系數(shù)n。設(shè)計(jì)中要求初償空間能完全容納爆落的松散巖碴，而不發(fā)生擠死。從理論上分析，松散系數(shù)為1.4～1.6的礦巖，n為0.4～0.6，但實(shí)際中首爆裝藥孔爆破的巖碴拋至空孔的速度極大，槽腔容納巖碴完全不是處于靜態(tài)狀況，此時(shí)n值的設(shè)計(jì)要留有一定的余量。故對(duì)分段爆破天井，要求n≥0.7，對(duì)盲天井一次爆破成井除上述因素外，還要考慮一次爆破高度大小及孔底偏斜難以探測(cè)等因素，則要求n＞1.2。初始補(bǔ)償系數(shù)示意圖如圖1所示[1]。

圖1 初始補(bǔ)償系數(shù)示意圖

1.2 首爆裝藥孔與空孔中心的距離

合理的首爆裝藥孔與空孔中心的距離L，應(yīng)避免兩孔在天井內(nèi)鉆通，同時(shí)又應(yīng)滿足初始補(bǔ)償系數(shù)n的要求，根據(jù)其他礦山的經(jīng)驗(yàn)，其按式（1）計(jì)算。其原理如圖2所示[2]。

式中，D為大空孔直徑，102 mm；d為裝藥孔直徑，64 mm；n為初始補(bǔ)償系數(shù)，取n≥0.7，但對(duì)盲天井一次爆破成井，則取n≥1.2；L為首爆裝藥孔與空孔中心距離，mm。

圖2 首爆裝藥孔與初始補(bǔ)償空間的距離

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)n=0.7時(shí)，L=300 mm；當(dāng)n=1.2時(shí)，L=150 mm。

1.3 炮孔間距

礦巖破碎后體積膨脹，需要補(bǔ)償空間容納，如圖3所示[3]，其關(guān)系滿足式（2）。

圖3 補(bǔ)償空間法示意圖

式中，S預(yù)爆巖體為預(yù)爆巖體的面積；S補(bǔ)償空間為空孔面積；K為巖石碎脹系數(shù)，在此取1.5。

根據(jù)式（2）可推導(dǎo)出裝藥孔與空孔的距離，如式（3）所示[4]。

式中，a為空孔與裝藥孔距離；d為裝藥孔直徑，64 mm；Φ為空孔直徑，102 mm。經(jīng)計(jì)算，a≤229 mm。

為防止孔間貫通，a的值不能太小，需滿足式（4）：

式中，L為炮眼深度，取11 m；β為炮孔偏斜角度，取1°。經(jīng)計(jì)算，a＞121 mm。

為滿足分段爆破天井對(duì)初始補(bǔ)償空間的需求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取L為200 mm。根據(jù)式（1）計(jì)算初始補(bǔ)償系數(shù)n=0.75＞0.7。

1.4 周邊孔孔網(wǎng)參數(shù)的確定

切割井抵抗線一般為1000 mm，但為保證良好的爆破成井效果，將周邊孔抵抗線設(shè)定為 400～800 mm。

1.5 微差時(shí)間

小抵抗線、高炸藥單耗下產(chǎn)生裂隙和巖石碎渣拋向空壁的時(shí)間很小，可以忽略不計(jì)。因此槽腔所需時(shí)間主要取決于槽腔內(nèi)巖石碎渣軸向排棄時(shí)間，其計(jì)算公式如下[5]：

式中，H為爆破分段高度，石人溝鐵礦切割井平均高度為11 m；C為炸藥爆速，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥實(shí)測(cè)爆速為4200 ms；M為待爆礦石重量；Q為炸藥量。另外，根據(jù)大多數(shù)礦山爆破成井的經(jīng)驗(yàn)，一般輔助孔與掏槽孔微差時(shí)間100 ms左右。

經(jīng)計(jì)算掏槽形成需要87 ms；輔助孔爆破需要61.5 ms。目前石人溝鐵礦現(xiàn)有半秒延期塑料導(dǎo)爆管雷管段位完全滿足微差需求。

2 不同條件下切割井設(shè)計(jì)

2.1 一般條件下切割井設(shè)計(jì)

（1）孔網(wǎng)參數(shù)。根據(jù)上述孔網(wǎng)參數(shù)計(jì)算原理，設(shè)計(jì)該孔網(wǎng)參數(shù)如圖4所示。空孔呈菱形布置，空孔旁邊的裝藥孔與空孔的間距是200～250 mm，周邊孔距空孔的間距為750 mm，爆破范圍內(nèi)兩端周邊孔間距為1900～2000 mm。

圖4 一般條件孔網(wǎng)參數(shù)圖

（2）起爆方式。該條件下切割井起爆方式如圖5所示。菱形布置的空孔中心的炮孔首先起爆，然后空孔兩端炮孔分別起爆形成爆破自由面和補(bǔ)償空間，最后周邊孔按段別起爆。

（3）成井效果。按照該參數(shù)設(shè)計(jì)起爆，成井規(guī)格與設(shè)計(jì)相差較小，孔壁較為光滑，形狀完整，成井效果良好。

圖5 一般條件起爆方式

2016年底開(kāi)始，石人溝鐵礦改用此孔網(wǎng)參數(shù)，累計(jì)施工切割井58個(gè)，一次爆破成井44個(gè)，一次成井率76%。期間未考慮地質(zhì)條件復(fù)雜及上分層有水的情況。

2.2 巖層復(fù)雜條件下切割井設(shè)計(jì)

（1）孔網(wǎng)參數(shù)。根據(jù)上述孔網(wǎng)參數(shù)計(jì)算原理，設(shè)計(jì)該孔網(wǎng)參數(shù)如圖7所示。在切割井中心布置2個(gè)裝藥孔，孔間距200 mm，圍繞中心裝藥孔按六邊形布置6個(gè)空孔，在六邊形邊角布置4個(gè)裝藥孔，與空孔間距200 mm。最后布置周邊孔，周邊孔與空孔間距701 mm。

圖6 巖層復(fù)雜條件下孔網(wǎng)參數(shù)圖

（2）起爆方式。該條件下切割井起爆方式如圖7所示。切割井中心2個(gè)裝藥孔首先起爆，然后六邊形空孔邊角的4個(gè)裝藥孔分別起爆，形成自由面和補(bǔ)償空間，最后周邊孔按段別分別起爆。

圖7 巖層復(fù)雜條件下起爆方式圖

（3）成井效果。按照該參數(shù)設(shè)計(jì)起爆，成井規(guī)格與設(shè)計(jì)相差較小，孔壁較為光滑，形狀完整，成井效果良好。

2017年下半年開(kāi)始，石人溝鐵礦在復(fù)雜巖石條件下采用此設(shè)計(jì)，累計(jì)施工切割井 13個(gè)，一次爆破成井13個(gè)，成井率100%。

2.3 上分層巷道積水條件下切割井設(shè)計(jì)

（1）孔網(wǎng)參數(shù)。根據(jù)上述孔網(wǎng)參數(shù)計(jì)算原理，設(shè)計(jì)該孔網(wǎng)參數(shù)如圖8所示。在切割井中心布置1個(gè)裝藥孔，圍繞中心裝藥孔按六邊形布置6個(gè)空孔，裝藥孔與空孔間距為200 mm，然后布置兩排周邊孔，靠?jī)?nèi)部的周邊孔間距800 mm，呈正方形4個(gè)頂點(diǎn)布置，外圍周邊孔孔間距1000 mm，也呈正方形4個(gè)頂點(diǎn)布置。

圖8 上分層巷道積水條件下孔網(wǎng)參數(shù)圖

（2）起爆方式。該條件下切割井起爆方式如圖9所示。切割井中心1個(gè)裝藥孔首先起爆，然后六邊形空孔邊角的裝藥孔分別起爆，形成自由面和補(bǔ)償空間，最后周邊孔按段別分別起爆。

（3）成井效果。按照該參數(shù)設(shè)計(jì)起爆，成井規(guī)格與設(shè)計(jì)相差較小，孔壁較為光滑，形狀完整，成井效果良好。

2018年初，石人溝鐵礦在上分層有積水的條件下，為避免水流入切割井孔造成孔壁光滑，裝藥時(shí)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥無(wú)法粘在孔壁的情況，采用此方案并在施工時(shí)進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，即將切割井炮孔縮短1 m，不與上分層地板穿透。截止目前，該切割井設(shè)計(jì)累計(jì)施工4個(gè)，一次爆破成井4個(gè)，成井率100%。

3 結(jié) 論

對(duì)石人溝鐵礦不同條件下切割天井爆破一次成井的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并通過(guò)一年多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了各不同條件的孔網(wǎng)參數(shù)。目前基本實(shí)現(xiàn)了不同條件下切割井一次爆破成井。切割井能夠一次爆破成井在降低設(shè)備故障率和提高穿孔效率的同時(shí)極大地保證了該礦正常生產(chǎn)。