CN110307762B - 一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，包括以下步骤；步骤A1；围绕天井工程，在天井两端分别掘进天井联络平巷形成上下两个施工作业面；再按照工程设计，对所述天井的井筒中心线进行标定和施工放线；步骤A2；下部天井联络平巷进行扩帮压顶，浅孔爆破下部施工作业面，使下部作业面形成体积为V的硐室空间；步骤A3；沿天井断面布置炮孔，炮孔数量为N个，其中B个炮孔为装药孔，另外的N‑B个炮孔为大直径空孔；大直径空孔之间呈菱形布置；所述B个装药孔按其方位划分为一个核心孔和第一装药孔层、第二层装药孔层、第三层装药孔层，每个装药孔层均有C个炮孔；然后按设计装药后起爆成井；本发明能以爆破方式快速生成可投入使用的天井。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程以及矿山开采技术领域，尤其是一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法。
背景技术
天井在地下工程以及矿山开采技术领域指的是，为连接不同高度的两个工作区而开凿的垂直或倾斜的井或通道，英文称之为Raise。矿山的天井按不同的使用功能，有切割天井，通风天井，人行天井，溜矿井，充填天井。这些天井工程是进行地下矿床开采时的关键控制性工程，受限于地下有限的作业空间，天井成井的效率和安全性是工程技术人员必须面对和考虑的重要因素。
根据目前国内和国外相关文献，有以下几方面的技术特点：
(1)采用天井钻机开凿天井。这是天井掘进的最新发展趋势，代表着在不久的将来，矿床地下开采涉及的天井工程将会广泛地应用天井钻机进行开凿。但是这种技术目前来讲有以下几方面的因素制约了其大规模的应用：一方面，天井钻机设备目前造价高昂，限制了一大批没有足够的经济实力中小型矿山的购买和使用。另一方面天井钻机在使用过程中，须要足够的工作空间，关且在钻进的过程中，对岩石稳固性和天井的断面尺寸和倾角有非常严苛的要求。
(2)采用人工浅孔爆破上向开挖。这是目前使用最为广泛的天井开凿方法，存在以下方面的问题，一方面，对敲帮问顶和撬毛作业有很高的要求，作业人员直接暴露在顶板下，作业安全性底；另一方面，采有浅孔进行爆破，天井循环进尺一般在2～3m，工班效率和井尺效率低。
发明内容
本发明提出一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，能以爆破方式快速生成可投入使用的天井。
本发明采用以下技术方案。
一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，所述方法包括以下步骤；步骤A1；首先围绕天井工程，在天井的上下两端分别掘进天井联络平巷形成上下两个施工作业面；再按照工程设计，对所述天井的井筒中心线进行标定和施工放线；
步骤A2；下部天井联络平巷进行扩帮压顶，浅孔爆破下部施工作业面，使下部作业面形成体积为V的硐室空间；
其中V≥v(K-1)，v＝sh；
V下部硐室空间体体
v 第一层爆破矿岩崩落体积
h 第一层爆破矿岩崩落高度
s 天井断面
K矿岩碎胀性系数，取值范围为1.0～1.6；
步骤A3；沿天井断面布置炮孔，炮孔数量为N个，其中B个炮孔为装药孔，另外的N-B个炮孔为大直径空孔；大直径空孔之间呈菱形布置；
所述B个装药孔按其方位划分为一个核心孔和第一装药孔层、第二层装药孔层、第三层装药孔层，每个装药孔层均有C个炮孔；
核心孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L1，第一层装药孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L2，第二层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L3，第三层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L4；步骤A4；将炮孔的孔位逐个按照尺寸进行工程放样，并在天井上部工作面对孔位进行着色标记；
步骤A5；天井上部工作面布设潜孔钻机，安装直径为D1的硬质合金钻头，完成炮孔凿岩工作；炮孔凿岩工作生成的炮孔孔底不与下部硐室连通，以免发生钻头卡钻事故或是导致后续爆破炸药能量的不合理逸散影响爆破效果；装药孔底与下部凿岩同室顶板保持距离h1；所述大直径空孔与下部凿岩同室顶板的距离保持h2；大直径空孔深度超深装药孔，超深深度取h3；
步骤A6；更换安装D2直径的扩孔钻头，对菱形布置的大直径空孔进行扩孔，使大直径空孔的直径从D1扩孔为直径D2；
步骤A7；炮孔冲洗与验收作业；对所有炮孔逐个进行检查验收，对于关键参数达不到设计要求的炮孔务必采取补孔，重新钻进等措施；所述关键参数包括倾角、直径、炮孔间距；
步骤A8；对完成炮孔施工的天井分两层进行爆破，两爆破层间设有隔离层，隔离层高度h4；导爆索和起爆药包组成逐孔起爆网络，
爆破作业装填炸药时，装药孔使用空气间隔不耦合装药，大直径空孔装药高度至多为超深深度；
爆破时，使大直径空孔首先起爆，装药孔按照一定的微差时间延期起爆，并确保两层炮孔的爆破网络激发为完全点燃阵面。第二层首爆孔的延期时间为t，满足：
t≥t1+t2+t3
t1第一层炮孔最大延期时间，单位ms；
t2第一层最后一个炮孔爆破持续时间，用于形成粉碎区和破裂区，单位ms；
t3 第一层爆堆降落至下部硐室并的时间，单位s；
k 爆堆降落过程系数，与崩落矿岩的摩擦系数、天井倾角有关，取值范围1.0～2.0；
g重力加速度值，单位m/s2；
步骤A9；对爆破网络检查无误且确定安全警戒后，点火爆破；
步骤A10；爆破后，开户局部通风设备进行通风，并完成后续作业流程，完成天井的掘过作业；所述后续作业包括出渣、支护。
所述N＝17；B＝13；C＝4。
所述爆破作业采用高精度非电导爆管雷管。
所述炸药为2号岩石乳化炸药或重铵油炸药。
两爆破层间采用炮泥或钻孔碎屑进行隔离。
所述导爆索和起爆药包组成双保险复式逐孔起爆网络。
所述天井为矿山开采技术领域大于55度的急倾斜天井工程，包括通风天井、人行天井、溜井、充填井或切割井中的任一种。
本发明综合采用新的炮孔布置方式和钻孔、装药起爆方法，将天井分两层进行逐孔起爆。实现一次凿岩，一次爆破，天井成井高度能够达到10～25m。解决了传统天井掘进方法安全性低、工效低的工程实践难题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是天井断面的炮孔布置示意图；
附图2是起爆药包、导爆索和隔离层在倾斜天井的设置示意图；
附图3是起爆药包、导爆索和隔离层在垂直天井的设置示意图；
图中：1-装药孔；2-大直径空孔；3-核心孔；4-天井联络平巷；5-导爆索；6-天井；7-起爆药包；8-隔离层；9-硐室空间。
具体实施方式
如图1-3所示，一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，所述方法包括以下步骤；
步骤A1；首先围绕天井工程，在天井6的上下两端分别掘进天井联络平巷4形成上下两个施工作业面；再按照工程设计，对所述天井的井筒中心线进行标定和施工放线；
步骤A2；下部天井联络平巷进行扩帮压顶，浅孔爆破下部施工作业面，使下部作业面形成体积为V的硐室空间9；
其中V≥v(K-1)，v＝sh；
V下部硐室空间体体
v 第一层爆破矿岩崩落体积
h 第一层爆破矿岩崩落高度
s 天井断面
K矿岩碎胀性系数，取值范围为1.0～1.6；
步骤A3；沿天井断面布置炮孔，炮孔数量为N个，其中B个炮孔为装药孔1，另外的N-B个炮孔为大直径空孔2；大直径空孔之间呈菱形布置；
所述B个装药孔按其方位划分为一个核心孔3和第一装药孔层、第二层装药孔层、第三层装药孔层，每个装药孔层均有C个炮孔；
核心孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L1，第一层装药孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L2，第二层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L3，第三层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L4；步骤A4；将炮孔的孔位逐个按照尺寸进行工程放样，并在天井上部工作面对孔位进行着色标记；
步骤A5；天井上部工作面布设潜孔钻机，安装直径为D1的硬质合金钻头，完成炮孔凿岩工作；炮孔凿岩工作生成的炮孔孔底不与下部硐室连通，以免发生钻头卡钻事故或是导致后续爆破炸药能量的不合理逸散影响爆破效果；装药孔底与下部凿岩同室顶板保持距离h1；所述大直径空孔与下部凿岩同室顶板的距离保持h2；大直径空孔深度超深装药孔，超深深度取h3；
步骤A6；更换安装D2直径的扩孔钻头，对菱形布置的大直径空孔进行扩孔，使大直径空孔的直径从D1扩孔为直径D2；
步骤A7；炮孔冲洗与验收作业；对所有炮孔逐个进行检查验收，对于关键参数达不到设计要求的炮孔务必采取补孔，重新钻进等措施；所述关键参数包括倾角、直径、炮孔间距；
步骤A8；对完成炮孔施工的天井分两层进行爆破，两爆破层间设有隔离层8，隔离层高度h4；导爆索5和起爆药包7组成逐孔起爆网络，
爆破作业装填炸药时，装药孔使用空气间隔不耦合装药，大直径空孔装药高度至多为超深深度；
爆破时，使大直径空孔首先起爆，装药孔按照一定的微差时间延期起爆，并确保两层炮孔的爆破网络激发为完全点燃阵面。第二层首爆孔的延期时间为t，满足：
t≥t1+t2+t3
t1第一层炮孔最大延期时间，单位ms；
t2第一层最后一个炮孔爆破持续时间，用于形成粉碎区和破裂区，单位ms；
t3 第一层爆堆降落至下部硐室并的时间，单位s；
k 爆堆降落过程系数，与崩落矿岩的摩擦系数、天井倾角有关，取值范围1.0～2.0；
g重力加速度值，单位m/s2；
步骤A9；对爆破网络检查无误且确定安全警戒后，点火爆破；
步骤A10；爆破后，开户局部通风设备进行通风，并完成后续作业流程，完成天井的掘过作业；所述后续作业包括出渣、支护。
所述N＝17；B＝13；C＝4。
所述爆破作业采用高精度非电导爆管雷管。
所述炸药为2号岩石乳化炸药或重铵油炸药。
两爆破层间采用炮泥或钻孔碎屑进行隔离。
所述导爆索和起爆药包组成双保险复式逐孔起爆网络。
所述天井为矿山开采技术领域大于55度的急倾斜天井工程，包括通风天井、人行天井、溜井、充填井或切割井中的任一种。
实施例：
实例1形成矩形断面2m×2m，高15m，倾角65°的切割天井
山东某矿实验采用分段矿房法对矿床进行高效开采，设计分段高度15m，赋存矿体平均厚度7～15m，倾角60～75°，矿体稳固性系数f＝8～12，矿岩的稳固性为中等稳固，矿床水力补给主要为裂隙水，水文地质条件简单。在分段落矿前，必须形成断面2m×2m的切割天井以满足后续大规模落矿所需要的自由补偿空间，设计切割天井的倾角与矿体的平均倾角保持一致。
(1)首先围绕切割天井工程，在切割天井的上下两端分别掘进天井联络平巷形成上下两个施工作业面。按照工程设计，将天井的井筒中心线进行标定和施工放线。
(2)对下部天井联络平巷进行扩帮压顶浅孔爆破下部施工作业面，下部作业面形成体积为V的硐室空间。
V≥v(K-1)v＝sh(K-1)
V下部硐室空间体体
v 第一层爆破矿岩崩落体积
h 第一层爆破矿岩崩落高度
s 天井断面
K矿岩碎胀性系数，1.0～1.6
根据设计参数，第一层爆破矿岩崩落高度为7.5m，K＝1.3，下部硐室体积V为：
V≥2×2×7.5(1.3-1)＝9m3
(3)沿天井断面布置炮孔，炮孔数量为17个，其中13个装药孔，4个大直径空孔，炮孔倾角与天井倾角平行，为65°。大直径空孔之间呈菱形布置。13个装药孔包含一个核心孔，三层装药孔，每层装药孔为4个炮孔，为方便叙述称为第一层装药孔，第二层装药孔，第三层装药孔。核心孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.4m，第一层装药孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.4m，第二层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.6m，第三层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.6m。
(4)将炮孔的孔位逐个按照尺寸进行工程放样，并须在天井上部工作面对孔位进行着色标记。
(5)天井上部工作面布设潜孔钻机，安装直径为65mm的硬质合金钻头，完成17个炮孔凿岩工作。炮孔孔底不与下部硐室连通，以免发生钻头卡钻事故，并导致后续爆破炸药能量的不合理逸散，影响爆破效果。13个装药孔底与下部凿岩同室顶板的距离保持1.0～1.4m。4个大直径空孔与下部凿岩同室顶板的距离保持0.5～0.9m。4个大直径空孔深度超深13个装药孔，超深深度取0.5m。
(6)更换安装120mm直径的扩孔钻头，对菱形布置的大直径空孔进行扩孔，使大直径空孔的直径从65mm扩孔为直径120mm。
(7)炮孔冲洗与验收。对所有炮孔逐个进行检查验收，对于倾角，直径，炮孔间距等关键参数达不到设计要求的炮孔务必采取补孔，重新钻进等措施。
(8)天井分两层进行爆破，两爆破层采用炮泥或钻孔碎屑进行隔离，隔离高度1.0m。第一层爆破度高度为7.5m，第二层爆破高度7.5m。
(9)采用高精度非电导爆管雷管，导爆索和起爆药包组成双保险复式起爆网络，13个装药孔采用空气间隔不耦合装药，炸药为2号岩石乳化炸药或重铵油炸药。
(10)4个大直径空孔装药高度为超深深度，即为0.5m，并首先起爆。13个装药孔按照一定的微差时间延期起爆，并确保两层炮孔的爆破网络激发为完全点燃阵面。第二层首爆孔的延期时间为t，满足：
t≥t1+t2+t3
t1第一层炮孔最大延期时间，ms
t2第一层最后一个炮孔爆破持续时间，用于形成粉碎区和破裂区，mst3 第一层爆堆降落至下部硐室并的时间，s
k 爆堆降落过程系数，与崩落矿岩的摩擦系数、天井倾角有关，取1.0～2.0
g重力加速度值，m/s2
取k＝1.4，第一层爆破孔与孔之间的延期时间为25ms，最大延期时间为t1＝13×25＝325，t2＝20ms。
第二层首爆孔的最小延期时间为t
t≥t1+t2+t3＝325+20+1700＝2045ms
第二层爆破孔与孔之间的延期时间同为25ms。
(11)爆破网络检查无误，确定安全警戒后，点火爆破。
(12)爆破后，开户局部通风设备进行通风，并完成后续出渣、支护等作业流程，完成天井的掘过作业。
实例2形成矩形断面2.5m×2.5m，高20m，倾角90°的垂直天井。
(1)首先围绕切割天井工程，在切割天井的上下两端分别掘进天井联络平巷形成上下两个施工作业面。按照工程设计，将天井的井筒中心线进行标定和施工放线。
(2)对下部天井联络平巷进行扩帮压顶浅孔爆破下部施工作业面，下部作业面形成体积为V的硐室空间。
V≥v(K-1)，v＝sh；
V下部硐室空间体体
v 第一层爆破矿岩崩落体积
h 第一层爆破矿岩崩落高度
s 天井断面
K矿岩碎胀性系数，1.0～1.6
根据设计参数，第一层爆破矿岩崩落高度为10m，K＝1.3，下部硐室体积V为：
V≥2.5×2.5×10×(1.3-1)＝18.75m3
(3)沿天井断面布置炮孔，炮孔数量为17个，其中13个装药孔，4个大直径空孔，炮孔倾角与天井倾角平行，为90°。大直径空孔之间呈菱形布置。13个装药孔包含一个核心孔，三层装药孔，每层装药孔为4个炮孔，为方便叙述称为第一层装药孔，第二层装药孔，第三层装药孔。核心孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.6m，第一层装药孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.6m，第二层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.8m，第三层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为0.8m。
(4)将炮孔的孔位逐个按照尺寸进行工程放样，并须在天井上部工作面对孔位进行着色标记。
(5)天井上部工作面布设潜孔钻机，安装直径为76mm的硬质合金钻头，完成17个炮孔凿岩工作。炮孔孔底不与下部硐室连通，以免发生钻头卡钻事故，并导致后续爆破炸药能量的不合理逸散，影响爆破效果。13个装药孔底与下部凿岩同室顶板的距离保持1.0～1.4m。4个大直径空孔与下部凿岩同室顶板的距离保持0.5～0.9m。4个大直径空孔深度超深13个装药孔，超深深度取0.5m。
(6)更换安装165mm直径的扩孔钻头，对菱形布置的大直径空孔进行扩孔，使大直径空孔的直径从76mm扩孔为直径165mm。
(7)炮孔冲洗与验收。对所有炮孔逐个进行检查验收，对于倾角，直径，炮孔间距等关键参数达不到设计要求的炮孔务必采取补孔，重新钻进等措施。
(8)天井分两层进行爆破，两爆破层采用炮泥或钻孔碎屑进行隔离，隔离高度1.5m。第一层爆破度高度为10m，第二层爆破高度10m。
(9)采用高精度非电导爆管雷管，导爆索和起爆药包组成双保险复式起爆网络，13个装药孔采用空气间隔不耦合装药，炸药为2号岩石乳化炸药或重铵油炸药。
(10)4个大直径空孔装药高度为超深深度，即为0.5m，并首先起爆。13个装药孔按照一定的微差时间延期起爆，并确保两层炮孔的爆破网络激发为完全点燃阵面。第二层首爆孔的延期时间为t，满足：
t≥t1+t2+t3
t1第一层炮孔最大延期时间，ms
t2第一层最后一个炮孔爆破持续时间，用于形成粉碎区和破裂区，mst3 第一层爆堆降落至下部硐室并的时间，s
k 爆堆降落过程系数，与崩落矿岩的摩擦系数、天井倾角有关，取1.0～2.0
g重力加速度值，m/s2
取k＝1.4，第一层爆破孔与孔之间的延期时间为25ms，最大延期时间为t1＝13×25＝325，t2＝20ms。
第二层首爆孔的最小延期时间为t
t≥t1+t2+t3＝325+20+1970＝2315ms
第二层爆破孔与孔之间的延期时间同为25ms。
(11)爆破网络检查无误，确定安全警戒后，点火爆破。
(12)爆破后，开户局部通风设备进行通风，并完成后续出渣、支护等作业流程，完成天井的掘过作业。
Claims (7)
1.一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
步骤A1；首先围绕天井工程，在天井的上下两端分别掘进天井联络平巷形成上下两个施工作业面；再按照工程设计，对所述天井的井筒中心线进行标定和施工放线；
步骤A2；下部天井联络平巷进行扩帮压顶，浅孔爆破下部施工作业面，使下部作业面形成体积为V的硐室空间；
其中V≥v(K-1)，v＝sh；
V下部硐室空间体体
v第一层爆破矿岩崩落体积
h第一层爆破矿岩崩落高度
s天井断面
K矿岩碎胀性系数，取值范围为1.0～1.6；
步骤A3；沿天井断面布置炮孔，炮孔数量为N个，其中B个炮孔为装药孔，另外的N-B个炮孔为大直径空孔；大直径空孔之间呈菱形布置；
所述B个装药孔按其方位划分为一个核心孔和第一装药孔层、第二层装药孔层、第三层装药孔层，每个装药孔层均有C个炮孔；
核心孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L1，第一层装药孔与菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L2，第二层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L3，第三层装药孔与最近菱形大直径空孔的水平和垂直距离为L4；
步骤A4；将炮孔的孔位逐个按照尺寸进行工程放样，并在天井上部工作面对孔位进行着色标记；
步骤A5；天井上部工作面布设潜孔钻机，安装直径为D1的硬质合金钻头，完成炮孔凿岩工作；炮孔凿岩工作生成的炮孔孔底不与下部硐室连通，以免发生钻头卡钻事故或是导致后续爆破炸药能量的不合理逸散影响爆破效果；装药孔底与下部凿岩同室顶板保持距离h1；所述大直径空孔与下部凿岩同室顶板的距离保持h2；大直径空孔深度超深装药孔，超深深度取h3；
步骤A6；更换安装D2直径的扩孔钻头，对菱形布置的大直径空孔进行扩孔，使大直径空孔的直径从D1扩孔为直径D2；
步骤A7；炮孔冲洗与验收作业；对所有炮孔逐个进行检查验收，对于关键参数达不到设计要求的炮孔务必采取补孔，重新钻进等措施；所述关键参数包括倾角、直径、炮孔间距；
步骤A8；对完成炮孔施工的天井分两层进行爆破，两爆破层间设有隔离层，隔离层高度h4；导爆索和起爆药包组成逐孔起爆网络，
爆破作业装填炸药时，装药孔使用空气间隔不耦合装药，大直径空孔装药高度至多为超深深度；
爆破时，使大直径空孔首先起爆，装药孔按照一定的微差时间延期起爆，并确保两层炮孔的爆破网络激发为完全点燃阵面；第二层首爆孔的延期时间为t，满足：
t≥t1+t2+t3
t1第一层炮孔最大延期时间，单位ms；
t2第一层最后一个炮孔爆破持续时间，用于形成粉碎区和破裂区，单位ms；
t3第一层爆堆降落至下部硐室并的时间，单位s；
k爆堆降落过程系数，与崩落矿岩的摩擦系数、天井倾角有关，取值范围1.0～2.0；
g重力加速度值，单位m/s2；
步骤A9；对爆破网络检查无误且确定安全警戒后，点火爆破；
步骤A10；爆破后，开户局部通风设备进行通风，并完成后续作业流程，完成天井的掘过作业；所述后续作业包括出渣、支护。
2.根据权利要求1所述的一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：所述N＝17；B＝13；C＝4。
3.根据权利要求1所述的一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：所述爆破作业采用高精度非电导爆管雷管。
4.根据权利要求1所述的一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：所述炸药为2号岩石乳化炸药或重铵油炸药。
5.根据权利要求1所述的一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：两爆破层间采用炮泥或钻孔碎屑进行隔离。
6.根据权利要求1所述的一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：所述导爆索和起爆药包组成双保险复式逐孔起爆网络。
7.根据权利要求1所述的一种基于深孔逐孔起爆技术的天井快速成井方法，其特征在于：所述天井为矿山开采技术领域大于55度的急倾斜天井工程，包括通风天井、人行天井、溜井、充填井或切割井中的任一种。
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