地下開(kāi)采礦山天井成井技術(shù)方案優(yōu)選及應(yīng)用

孫長(zhǎng)坤 于永純 魏曉明

摘要：針對(duì)保山金廠河鉛鋅礦礦體賦存條件，對(duì)天井施工技術(shù)方案進(jìn)行選擇。分析了普通鉆爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法、天井鉆機(jī)成井法的適用條件，采用定性和定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)各成井方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，按照經(jīng)濟(jì)對(duì)比、質(zhì)量對(duì)比、進(jìn)度對(duì)比、安全對(duì)比得出綜合評(píng)分，最終確定最優(yōu)方案。主溜井、采區(qū)溜井和采場(chǎng)溜井采用天井鉆機(jī)成井法成井，采場(chǎng)切割井采用VCR爆破成井法成井，回風(fēng)井采用普通鉆爆法成井。根據(jù)天井的不同用途，靈活采用不同的成井技術(shù)，工程應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：天井;一次成井;普通鉆爆法;VCR爆破成井法;天井鉆機(jī)

中圖分類號(hào)：TD262.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2022）02-0057-04

doi：10.11792/hj20220210

引 言

在金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中，天井的應(yīng)用十分廣泛[1]，如礦區(qū)主溜井、采區(qū)溜井、采場(chǎng)溜井、人行材料井、切割井等。天井的掘進(jìn)是礦山生產(chǎn)中至關(guān)重要的施工環(huán)節(jié)[2]，天井安全、及時(shí)施工直接決定著采礦工作的開(kāi)始和完成進(jìn)程。因此，天井的鉆鑿、爆破和施工技術(shù)一直是礦山行業(yè)研究人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，天井的掘進(jìn)方式主要采用鉆爆法[3]，其中又以普通鉆爆法應(yīng)用最為廣泛，常規(guī)的施工方法雖然已經(jīng)使用多年，但是存在施工環(huán)境差，施工效率低、成本高等多種問(wèn)題[4]。深孔爆破法掘進(jìn)天井，是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種爆破技術(shù)，又稱為一次爆破成井技術(shù)，適用于天井、溜井、切割井和充填井等垂直或急傾斜巷道，近些年一次爆破成井技術(shù)逐漸在地下開(kāi)采礦山、露天開(kāi)采礦山和隧道工程等施工中被廣泛使用。在大直徑深孔采礦中，VCR爆破成井法是深孔爆破成井的主流方法之一，起源于VCR采礦法，是基于利文斯頓爆破漏斗理論下向分層爆破成井的一種方法，業(yè)界對(duì)VCR爆破成井法的研究也較多。近年來(lái)，天井鉆機(jī)設(shè)備發(fā)展迅猛，中國(guó)從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始進(jìn)行鉆井法鑿井技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐，形成中國(guó)特有鉆井法鑿井技術(shù)，為解決中國(guó)復(fù)雜地層井筒建設(shè)，作出了巨大貢獻(xiàn)[5-8]。

保山金廠河礦業(yè)有限公司（下稱“金廠河鉛鋅礦”）位于云南省保山市隆陽(yáng)區(qū)瓦窯鎮(zhèn)金廠河，采用斜井開(kāi)拓，天井工程量多，如何根據(jù)天井的使用性質(zhì)合理地選用施工方案成為了一項(xiàng)值得研究的問(wèn)題。本文從成井的經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、進(jìn)度、安全性等方面進(jìn)行分析，給出合理的建議，為礦山安全高效回采提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

金廠河鉛鋅礦主礦體為低品位緩傾斜中厚礦體，平均厚度40 m左右，主要采用大直徑深孔側(cè)向崩礦充填采礦法進(jìn)行回采，占比78 %，共設(shè)計(jì)40個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)寬度為15 m，高度平均為40 m，長(zhǎng)度平均為120 m，為典型的大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場(chǎng)。根據(jù)采礦方法及采場(chǎng)布置，采用兩步驟進(jìn)行回采，一步驟回采礦房，二步驟回采礦柱，礦房礦柱交替布置，各占50 %。采用斜井開(kāi)拓，設(shè)計(jì)能力1 500 t/d。2#斜井為箕斗提升井，箕斗裝載硐室水平為1 635 m，鉛鋅礦石主溜井及銅礦石主溜井井口及井底標(biāo)高分別為1 720 m與1 635 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：主溜井井深共190 m，采區(qū)溜井120 m，采場(chǎng)溜井1 200 m，采場(chǎng)切割井1 600 m，回風(fēng)井600 m，充填回風(fēng)井640 m;主礦體共計(jì)需豎井工程量為4 350 m，結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)天井的使用性質(zhì)、使用年限、直徑（斷面）大小、井深長(zhǎng)短、施工安全、施工進(jìn)度等綜合考慮選擇施工天井的技術(shù)方案。本文就普通鉆爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法及天井鉆機(jī)成井法針對(duì)不同性質(zhì)天井進(jìn)行對(duì)比研究，優(yōu)選最佳方案。

2 成井技術(shù)方案

目前主流的成井技術(shù)方案分為普通鉆爆法、一次爆破成井法、VCR爆破成井法和天井鉆機(jī)成井法。本文以金廠河鉛鋅礦設(shè)備及技術(shù)為工程背景，根據(jù)不同天井的使用性質(zhì)和使用年限等，闡述各種成井的技術(shù)方案。

2.1 普通鉆爆法

普通鉆爆法即人工成井法，自下而上鉆孔-爆破。以2.5 m天井為例，采用氣腿式手抱鉆機(jī)，鉆桿長(zhǎng)度2.5 m，實(shí)際孔深2.2～2.3 m，每茬炮循環(huán)進(jìn)尺2 m，其中布設(shè)掏槽孔7個(gè)，小輔助孔4個(gè)，大輔助孔4個(gè)，周邊孔8個(gè)，炸藥單耗0.8 kg/t。炮孔布置見(jiàn)圖1。循環(huán)后架設(shè)人行梯，并搭設(shè)人工操作平臺(tái)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。其工序分為鉆孔鑿巖-爆破-出渣。

2.2 一次爆破成井法

一次爆破成井法掘進(jìn)天井的技術(shù)出現(xiàn)至今有30余年的歷史，由于它具有成本低、效率高和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于采場(chǎng)切割天井掘進(jìn)。所謂“一次爆破成井”就是沿井的全高鉆鑿一組平行的深孔，然后一次裝藥爆破，從而完成符合設(shè)計(jì)要求的掘進(jìn)工程掘井工藝。但是，在有色冶金礦山，這一技術(shù)并未被很好加以利用，尤其是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。由于金廠河鉛鋅礦切割井均較深，一次爆破成井所需炸藥量非常大，受爆破震動(dòng)及單響藥量限制，目前金廠河鉛鋅礦暫未采用一次爆破成井法。

2.3 VCR爆破成井法

使用國(guó)產(chǎn)T150鉆機(jī)自鑿巖硐室向下鉆鑿孔徑為165 mm的鉆孔，孔深為鑿巖硐室底板至底部受礦硐室頂板。鉆孔間排距為3.0 m×2.8 m，掏槽區(qū)加密孔，使得孔間距為2 m左右，掏槽井?dāng)嗝鏋?.0 m×5.6 m，采用VCR爆破成井法拉槽，采用1號(hào)巖石乳化炸藥，炸藥長(zhǎng)500 mm、直徑145 mm，間隔裝藥，孔底堵孔長(zhǎng)度為2 m左右，3卷藥為一組，組與組之間采用1.2 m竹筒間隔，孔內(nèi)雙導(dǎo)爆索，孔與孔間微差起爆，每次拉槽高度為5～6 m，炸藥單耗為0.45 kg/t，直至掏槽區(qū)爆破成井后再以掏槽區(qū)為自由面及補(bǔ)償空間進(jìn)行側(cè)向崩礦。金廠河鉛鋅礦VCR爆破成井法切割井炮孔布置見(jiàn)圖2。

2.4 天井鉆機(jī)成井法

采用天井鉆機(jī)成井法施工天井前期準(zhǔn)備工作時(shí)間較長(zhǎng)，但成井速度較快，井壁質(zhì)量好。天井鉆機(jī)釆用由上向下鉆進(jìn)導(dǎo)孔，然后由下向上擴(kuò)孔的施工工藝。和爆破刷大的導(dǎo)井不同，采用天井鉆機(jī)成井法，需要一次擴(kuò)孔到所需直徑，鉆進(jìn)直徑1.5～3.0 m，破巖面積增大13倍。大體積破巖釆用盤形滾刀和鑲齒滾刀，通過(guò)大扭矩為盤形滾刀和鑲齒滾刀提供動(dòng)力，完成破巖。金廠河鉛鋅礦采用的天井鉆機(jī)見(jiàn)圖3。

3 成井技術(shù)方案優(yōu)選及應(yīng)用

金廠河鉛鋅礦天井工程量多，如何根據(jù)天井的使用性質(zhì)合理地選用施工方案成為一項(xiàng)值得研究的課題。本文根據(jù)成井的經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、進(jìn)度、安全性等條件，采用賦值法進(jìn)行分析，選取最優(yōu)的成井技術(shù)方案。將最優(yōu)的取3分，次優(yōu)的取2分，不優(yōu)的取1分，不滿足條件的取0分。采場(chǎng)切割井?dāng)嗝娲?，普通鉆爆法無(wú)法一次擴(kuò)刷到斷面規(guī)格，要通過(guò)多次擴(kuò)刷才能實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)切割井?dāng)嗝?，故定義為不滿足條件;天井鉆機(jī)鉆進(jìn)最大直徑為3 m，也無(wú)法一次形成采場(chǎng)切割井的大斷面，定義為不滿足條件。金廠河鉛鋅礦采場(chǎng)及采區(qū)回風(fēng)井均較短，若采用VCR爆破成井法成井，需在回風(fēng)井上口開(kāi)鑿鉆機(jī)硐室，浪費(fèi)工程量，定義為不滿足條件;若采用天井鉆機(jī)成井法成井，需在回風(fēng)井上口開(kāi)鑿天井鉆機(jī)硐室及排水設(shè)施，浪費(fèi)工程量，定義為不滿足條件。充填回風(fēng)井也較短，VCR爆破成井法和天井鉆機(jī)成井法均不滿足條件。

3.1 經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

根據(jù)各方案成井單價(jià)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2 成井質(zhì)量對(duì)比分析

根據(jù)成井情況、井壁光滑度等，分析各成井方案成井質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表3。

3.3 成井進(jìn)度對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，分析各方案成井進(jìn)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

3.4 成井安全對(duì)比分析

根據(jù)成井安全性，分析各方案成井施工安全，結(jié)果見(jiàn)表5。

3.5 各方案綜合評(píng)價(jià)

將表2～5中對(duì)應(yīng)位置得分相乘，得到各方案施工各種天井的綜合得分，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知：主溜井、采區(qū)溜井、采場(chǎng)溜井選擇天井鉆機(jī)成井法施工方案最優(yōu)，采場(chǎng)切割井采用VCR爆破成井法施工方案最優(yōu)，回風(fēng)井、充填回風(fēng)井采用普通鉆爆法施工最優(yōu)。但是，實(shí)際工程施工中，當(dāng)采場(chǎng)溜井較短時(shí)，采用天井鉆機(jī)成井法浪費(fèi)工程，因此可采用普通鉆爆法成井。當(dāng)回風(fēng)井和充填回風(fēng)井較深時(shí)，為達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、安全性較好，可采用天井鉆機(jī)成井法。

3.6 工業(yè)應(yīng)用

根據(jù)上述成井方案綜合得分，金廠河鉛鋅礦按該方法確定最優(yōu)的成井方案。其中，鉛鋅礦石主溜井（95 m）、銅礦石主溜井（95 m）、C采區(qū)溜井（65 m）、25#采場(chǎng)溜井（50 m）采用天井鉆機(jī)成井法成井，具有井壁光滑，施工速度快，安全性好等優(yōu)點(diǎn);15#、19#、23#采場(chǎng)切割井（采場(chǎng)高度40～50 m）采用VCR爆破成井法，具有施工速度較快，安全性較好等優(yōu)點(diǎn);15#、19#、23#采場(chǎng)溜井（20～30 m）、回風(fēng)井（10～20 m）采用普通鉆爆法成井，具有靈活性好，前期準(zhǔn)備工作時(shí)間少，可根據(jù)需求快速成井的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

根據(jù)各天井的功能，采用3種成井方案分別就成井的經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、進(jìn)度、安全性等對(duì)比分析，得出了相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并統(tǒng)計(jì)了綜合得分，得出以下結(jié)論：

1）主溜井、采區(qū)溜井、采場(chǎng)溜井選擇天井鉆機(jī)成井法施工方案最優(yōu)，當(dāng)采場(chǎng)溜井較短（小于30 m）時(shí)可采用普通鉆爆法施工方案。

2）采場(chǎng)切割井采用VCR爆破成井法施工方案最優(yōu)。

3）回風(fēng)井、充填回風(fēng)井采用普通鉆爆法施工最優(yōu)，當(dāng)回風(fēng)井、充填回風(fēng)井較深時(shí)（大于50 m）可采用天井鉆機(jī)成井法施工方案。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 周傳波.深孔爆破一次成井模擬優(yōu)化與應(yīng)用研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2004.

[2] 馬志慧.礬山磷礦切割井中深孔一次成井爆破技術(shù)[J].中國(guó)礦山工程，2019，48（2）：23-25.

[3] 劉志強(qiáng).大直徑反井鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2014.

[4] 姜科.切割井一次爆破成井實(shí)踐[J].金屬礦山，2003（1）：11-12.

[5] 姚囝，葉義成，王其虎，等.分段采礦法切割立槽施工方案的優(yōu)選[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2013，33（6）：15-19.

[6] 彭錦浩.VCR掏槽+側(cè)崩成井機(jī)理及應(yīng)用研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2020.

[7] 王志峰.地下開(kāi)采深孔拉槽爆破掏槽方式優(yōu)化研究[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2014.

[8] 周傳波，谷任國(guó)，羅學(xué)東.堅(jiān)硬巖石一次爆破成井掏槽方式的數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（13）：2 298-2 303.

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