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地下中深孔大规模爆破的研究与实践 3 袁节平 1 ,宋嘉栋 2 ,欧任泽 2 1. 湖南柿竹园有色金属有限责任公司, 湖南 郴州市 423037; 2.长沙矿山研究院, 湖南 长沙 410012 摘 要柿竹园多金属矿床累积300万m3采空区一直未能 进行处理,给矿山持续发展带来严重威胁。在长沙矿山研究 院的全力支持下,采用地下大规模爆破方法回采矿柱以及处 理采空区,在1 a时间内,先后成功实施了“ 亚洲地下中深孔 第一爆 ” 和“ 世界地下中深孔第一爆 ”, 2次共完成了493. 3 t 炸药的爆破,解决了大空区上部放顶的关键凿岩工艺技术难 题,首创多向组合微差控制技术,实现了大范围、 大孔量雷管 的合理布置与立体分区综合控制爆破,形成了卸压天窗、 消 除了矿区西北角采空区的安全隐患,同时回采富矿145万 t,为后续的矿柱回采与采空区处理提供了基础支撑技术,创 造了安全条件,经济效益和社会效益非常显著。 关键词地下矿山;大规模爆破;空区处理;崩落采矿法 中图分类号 TD235, TD853. 391 文献标识码A 文章编号 1005 - 27632008 01 - 0076 - 05 Research and Practice of Large - scale Underground Blasting Yuan Jieping1, Song Jiadong2, Ou Renze2 1. Hunan Shizhuyuan NonferrousMetals Co. Ltd, Chenzhou, Hunan 423037,China; 2. Changsha Institute ofMining Research, Changsha, Hunan 410012, China Abstract The cumulative volume of mined - out area has been up to 3106 m3, which is not treated and causes serious threat2 en to the sustained development of the mine in Shizhuyuan multi - metal mine. Under the full support of Changsha Institute of Mining Research, the mine has adopted large - scale under2 ground blasting to excavat ore pillar and treatmined - out area. In a year, “ the underground medium - length hole blasting with the maximum explosive charge in Asia“ and“ the underground medium -length hole blasting with the maximum explosive charge in world“were successfully carried out one after the other in thismine, the total explosive charge of the two times blasting was up to 493. 3 t . The most crucial technical difficulty of drill2 ing for the top caving of mined - out area was solved. A com2 bined multi - directional millisecond delay controlled blasting techniquewas invented, the rational arrangementof detonators for a number of boreholes in a wide range and stereo - zoning syn2 thetically - controlled blasting were realized, a “ top windows“ for stress - relaxation was ed, and the hidden Perils caused by mined - out area in the northwest ward of themining areawere removed. Meanwhile, the excavated rich ore was up to 1. 45 106 t . This provides basic support technology and safe condition for excavating ore pillar and treatingmined - out area in the fu2 ture. The economic and social benefits are remarkable. KeyW ordsUnderground mine,Large - scale blasting,Mined - out area treat ment, Caving 湖南柿竹园有色金属有限责任公司自2002年 4月先后与长沙矿山研究院合作进行了“ 多金属矿 床连续开采方案研究 ” 和“ 群空区条件下连续采矿 及地压监控技术研究 ”,在取得相关研究成果的基 础上,于2005年开始“ 柿竹园2000 t/d多金属技术 改造工程建设 ”,计划2006年10月技改工程建成投 产,达到4500 t/d采矿生产能力。2006年9月21 日上午10时45分“ 采矿天窗及其610中段以上富 矿回采大爆破 ” 成功实施,群空区条件下采矿“ 卸压 天窗 ” 和初期覆盖层形成,为技术改造工程按时投 产创造了条件。 1 工程概况及技术难点 柿竹园多金属矿床自1987年采用分段凿岩阶 段矿房采矿法开采以来,因多方面因素的制约,井下 累积300万m 3 采空区一直未能进行处理,空区顶板 最大连续暴露面积8000 m 2 , 15 m厚的连续条带矿 柱共有5处垮落,地下300 m300 mⅢ 矿带富矿段 原规划开采的36个矿块的矿房回采大部分已结束。 大量采空区如何安全有效地进行处理、 后续采矿如 何进行、 矿柱矿柱矿石量1300多万t,约占矿段矿 量的60 如何安全有效地进行回收等问题,是矿 山持续发展面临的技术瓶颈。围绕这一技术难题, ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215/TD 矿业研究与开发 第28卷 第1期 M I N I NG R 北侧用水平孔和上向孔 爆破见图 2 。 图2 天窗大爆破布置 整个爆破分8个爆区微差一次起爆第1爆区 为拉底层,位于空区西侧558～603 m水平之间,用 上向扇形孔以切割槽和空区为自由面排间微差爆 破;第2爆区位于空区西侧603～617 m水平之间, 用水平孔以拉底层为自由面排间微差爆破;第3爆 区是在617 m水平P1巷以西凿上向扇形孔,以切割 槽为自由面排间微差爆破;第4爆区位于617 m水 平以上,利用P1巷和天窗0 井 ,布置水平扇形孔,以 第2爆区和空区为自由面爆破;第5爆区位于空区 北侧,利用2 凿岩天井炮孔或小药室爆破 ;第6爆 区位于空区北侧598～619 m水平,用上向扇形孔以 空区为自由面爆破;第7爆区分东、 西两部分,西端 部分位于617 m水平以上,用药室以第5爆区为自 由面爆破,东端部分位于622 m水平以上,利用天窗 1 井 ,布置水平扇形孔,以第6爆区为自由面爆破; 第8爆区位于空区南侧617 m水平以上,用药室以 空区为自由面爆破。爆区上方地表为马鞍形陡峭山 谷,东高西低,倾向西北,山坡角35 ～42 。地表主 要为中、 上泥盆统灰岩,覆盖有少量第四纪表土,植 被茂盛,主要为灌木林和小树林。爆区南710 m水 平和爆区上方750 m水平有简易公路通过,未见其 它建筑物、 山川、 河流或泥石流等;山下有东坡甘港 河和柿竹园至东坡的公路,山脚有拦石坝和临时工 棚。爆破于2006年9月成功实施,形成了水平面积 约7000 m 2 的卸压天窗,为后续的矿柱回采与采空 区处理创造了基本安全条件,但仍存在以下几方面 的问题。 1爆堆为西高东低、 南高北低,倾向东北, “ 天窗 ” 北东侧岩矿体悬空,而且高度大。同时, “ 天窗 ” 以下490 m水平在不断进行大量放矿,爆堆 高度不断下降,又未补充覆盖层,造成“ 天窗 ” 北、 东、 南三侧岩体悬空高度越来越大。P2和C2交汇 处离西北面的矿堆在600 m水平左右,且490中段 底部结构在出该处的矿石,矿堆高度仍在下降中。 2“ 天窗 ” 东侧558以下为K2 - 2、K2 - 3大空 场, Z2 - 2/3大部分垮塌,空场体积约为20万m 3。 3有2条较大规模的破碎带斜跨此区,导致 该区的部分巷道局部出现了开裂垮落现象,特别是 536, 547, 558分段在P2和C2交汇处更为严重,如 不及时进行处理,有可能导致大面积崩塌,破坏矿 柱,形成大块,给后续采矿、 出矿和空区处理以及覆 盖层的形成留下重大安全隐患。为此,经过多次研 究讨论,决定采用大爆破方式处理此区的安全隐患, 即“ 天窗隐患处理大爆破 ” 。 1. 2 “ 世界地下中深孔第一爆 ” “ 世界地下中深孔第一爆 ” 即柿竹园多金属采 矿天窗隐患处理大爆破,位于原300 m300 m范 围的西北角,“ 天窗 ” 的东南侧, K1 - 2东和K2 - 2西采 空区顶板矿体及其矿柱上部矿体。标高在547～650 m 高103 m之间,其范围东西长68 m,南北宽55 m。 77 袁节平,等 地下中深孔大规模爆破的研究与实践 众所周知,大量崩落法回采矿柱的主要优点是 回采强度大,效率高,成本较低,劳动条件好,但爆破 工艺复杂,施工要求严格。据现有文献和相关调研, 有不少国内外矿山曾实施过井下大爆破,且近年来 有发展趋势,其中典型实例见表1。 资料显示,地下大规模爆破的实施主要依靠采 矿技术和凿岩设备的发展,采用VCR法和地下台阶 大直径深孔爆破或小药室爆破。但柿竹园多金属矿 床现有的工程、 设备以及生产需要等条件,不允许采 用大直径深孔爆破;同时,为了保证低大块率产出和 减少对周边工程的破坏,也不宜采用大量的小药室 爆破。因此,为充分利用现有设备、 工程和实施条 件,决定采用水平深孔、 上向扇形中深孔加小药室实 施地下大规模爆破见图1、 图 3 。 表1 国内外井下大爆破典型案例 矿山名称 爆破目的爆破方案 爆破规模 总装药量 总崩矿量 备注 华锡集团 铜坑矿 处理采 空区 阶段密集深 孔为主中深 孔和小硐室 为辅 150 t77万t2005年3 月28日 北山矿区处理采 空区 条形药室162. 5 t 18. 5万m32004年 韦岗铁矿处理采 空区 倾斜扇形 中深孔 96 t13. 5万m32000年 寿王坟 铜矿 矿柱回采 垂直扇形孔 和水平孔 106 t27. 3万t1987年 3月 赤马山 铜矿 矿柱回采中深孔、 浅孔 39 t11万t1983年 澳大利亚 芒特艾萨 铜铅锌矿 矿柱回采大直径 中深孔 280 t120万t1980年 8月 苏联图林 斯克铜矿 矿柱回采扇形或环 形中深孔 140 t 图3 典型剖面布置 根据爆破范围以及爆区情况,矿房顶板矿体利 用布置在矿柱中的9 、 变 9 、 加 9 凿岩天井所凿的 水平扇形深孔,以下部采空区为自由面排间顺序微 差爆破,爆高56. 5 m;矿柱上部矿体,利用布置在矿 柱内的558, 575, 586, 603, 610, 620和630分段凿岩 巷道钻凿上向扇形中深孔,以切割槽和采空区为自 由面排间微差爆破。水平孔、 上向孔共28个爆破分 区相对独立,面向各自的自由面爆破。 1爆破顺序。水平扇形中深孔按照每排炮孔 一段雷管的原则,从下往上依次爆破;上向扇形中深 孔从558～630,各分段下分段超前上分段2～3段 爆破,即上下分段微差间隔时间为50～75 ms。整 体上水平深孔超前上向扇形孔先爆,水平深孔爆后 形成的空间作为上向扇形孔的辅助自由面。 2凿岩参数。水平扇形中深孔孔径 Φ110 mm ,炮孔抵抗线为2. 0～2. 5 m,最大孔底距为3. 0 ～3. 5m ;上向扇形中深孔孔径 Φ60 mm,炮孔抵抗 线为1. 2 m,最大孔底距为2. 4～2. 6 m;小药室规格 为1. 8 m2 m,最小抵抗线为14 m。 3装药结构与堵塞。上向扇形炮孔采用多孔 粒状铵油炸药连续装药水孔用柱状乳化炸药 , 并 沿炮孔全长敷设导爆索,起爆药装在孔底,孔口1. 5 ～2. 5 m采用黄泥加木楔堵孔。水平孔炮孔长度小 于20 m时,采用多孔粒状铵油炸药连续装药水孔 用柱状乳化炸药 , 在孔底安装起爆药包;炮孔长度 大于20 m时,分别在孔底和中部各安装一个起爆药 包,自孔口20 m往里装填 Φ90 mm柱状乳化炸药, 孔口段装填多孔粒状铵油炸药,采用黄泥加木楔堵 孔。小药室在木板上堆放袋装多孔粒状铵油炸药, 中部安设2 岩石炸药起爆药箱 ,采用袋装砂石堵 塞,堵塞长度不小于7 m。 4起爆系统。采用导爆索-导爆管微差雷管 复式起爆系统。排层间利用雷管本身微差延时, 孔中或孔底双雷管、 孔内全长敷设导爆索起爆。局 部爆破网络见图4。 图4 局部爆破网络 87 矿 业 研 究 与 开 发 2008, 281 各炮孔引出的导爆管与孔外的排层间传爆 导爆索联接,排层间传爆导爆索与主传爆导爆索 联接。各炮孔引出的导爆管需均匀分布在传爆导爆 索周围,且每点根数不得超过15根。各凿岩天井的 主导爆索用锚杆固定,导爆索不得从积水处通过,不 得已时必须采取防水措施。引爆采用起爆器击发双 瞬发电雷管,双瞬发电雷管再引爆双传爆导爆索。 2 爆破施工准备与组织 2. 1 爆破技术准备 在工程掘进、 凿岩以及装药连线施工的同时,针对爆 区周围进行了大量地压及其控制技术的试验研究工 作,并建立了声发射监测、 矿柱压力监测、 岩移观测、 巷道变形监测等4个矿山地压监测预报系统,基本 掌握了矿区的地压活动规律,在监测预报的基础上, 采取相应的地压控制技术,确保了项目实施过程的 安全可靠。 爆破设计分别验算了爆破地震效应、 爆炸空气 冲击波、 爆破有毒气体的最小安全距离,然后取其中 的最大值作为爆破的安全距离。并在爆前进行了爆 破地震效应模拟测试,爆破时请湖南省爆破学会进 行了爆破地震效应检测。 2. 2 爆破施工组织 两次大爆破施工时间紧、 任务重,爆破准备工作 量大、 参加人员多、 劳动强度大、 工序复杂、 技术要求 严格、 安全要求高,必须有严密的施工组织管理。 为保证爆破施工安全并按质、 按量、 按期完成施 工任务,设立了严密的施工组织管理机构见图5 , 由专门成立的爆破指挥部全面指挥与组织大爆破的 各项工作。 图5 大爆破施工组织机构 爆破指挥部下设秘书、 技术监督、 现场技术及施 工、 供应设备、 安全保卫、 后勤等6个职能组,各组根 据需要另下设若干实施小组。整个大爆破在指挥部 的统一领导和指挥下,分工负责、 落实到位。 通过工程技术人员的精心设计与现场把关和井 下作业工人的辛勤劳动,两次大爆破均在5 d内顺 利地完成了运药、 装药、 堵孔、 连线、 防护、 撤离等工 作,于设计时间准时成功起爆。 3 爆破效果 1“ 亚洲地下中深孔第一爆 ” 掘进工程量为 739 m 9697 m 3 , 凿岩工程量为37310 m Φ80 mm 钻孔4885 m 、 Φ 60 mm钻孔16368 m 、 Φ 110 mm钻孔 16057 m ,总装药量为184. 5 t 粒状铵油炸药 149415 kg、 乳化炸药33633 kg, 2 岩石炸药 1456 kg ,最大同段爆破药量为11781 kg,消耗雷管4664 发,总崩矿量达62万t。爆后实地观察,爆破区段内 无拒爆现象,无飞石及爆破地震影响,原设计爆破穿 透地表的天窗面积为2000～3000 m 2 ,实际形成的 天窗面积超过7000 m 2 ,而且爆碴块度好,大块率 小,爆破效果比原预想更佳。 2“ 世界地下中深孔第一爆 ” 掘进工程量为 1378 m 15257 m 3 , 凿岩工程量为105636 m Φ60 mm钻孔7473个、93319 m,Φ110 mm钻孔756个、 12317 m ,总装药量达308. 8 t粒状铵油炸药290. 4 t、 乳化炸药17 t, 2 岩石炸药 1. 4 t ,最大同段爆破 药量19056 kg,消耗雷管16458发,总崩矿量83万 t。爆后实地观察,爆破区段内无拒爆现象,无飞石 及爆破地震影响,爆破矿石块度好,大块率小。爆破 效果好,达到了预期目标。 3“ 亚洲地下中深孔第一爆 ” 解决了大空区 上部放顶的凿岩和大空区周边及顶板地压控制等关 键工艺技术难题,确保了作业期间的安全生产;解决 了地下大规模钻孔含少量药室爆破的关键技术 和施工组织难题,爆破灾害控制技术先进可靠。 4“ 世界地下中深孔第一爆 ” 首创多向组合 微差控制技术,实现了大范围、 大孔量雷管的合理布 置,确保了爆破网络安全可靠;采用独创的立体分区 综合控制爆破技术,将整个爆破分解成28个相互独 立的爆区,均以各自的自由面爆破,确保了地下超大 规模钻孔爆破的爆破效果和周边矿柱的稳定;在 587 ms内完成了8229个炮孔共308. 8 t炸药的爆 破,提高了我国地下爆破的整体技术水平;水平大孔 以采空区为自由面由下往上顺序爆破高度达56. 5 m,其技术独具特色、 世界领先曾有过30多米爆高 97 袁节平,等 地下中深孔大规模爆破的研究与实践 的报道。 5“ 亚洲地下中深孔第一爆 ” 和“ 世界地下中 深孔第一爆 ” 的成功实施,消除了矿区西北角采空 区的安全隐患,为后续的矿柱回采与采空区处理提 供了基础支撑技术,创造了安全条件,大大有利于矿 山安全生产,同时为柿竹园“ 多金属连续开采 ” 的 “ 崩落法 ” 方案实施提供了可靠的技术依据。二次 爆破共回采 Ⅲ 矿带富矿145万t,目前市价10亿元 以上。同时,该项目的实施,可减少常规充填处理采 空区的充填费用3亿多元,经济效益显著。 6通过两次大规模爆破的实施与组织管理, 培养了一支勇于办大事打硬仗的职工队伍。 7该项目技术成果,能为类似矿山采用大爆 破方式回采矿柱和处理群空区提供良好的借鉴,社 会效益良好。 参考文献 [1 ]袁节平.用潜孔钻机钻凿水平炮孔的试验研究[ J ].采矿技 术, 2004, 4. 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