一种竖井深孔大循环爆破施工方法

技术领域

本发明涉及矿山竖井的施工方法，尤其是竖井的爆破施工方法，具体为一种竖井深孔大循环爆破施工方法。

背景技术

竖井建设作为矿山建设的一期工程，是连接地面与井下的咽喉通道，属前期资金投入阶段，尽快缩短其建设周期对于矿山企业来说举足轻重。钻孔爆破法是目前竖井井筒掘开挖的主要方法。

随着浅层矿石资源的充分勘察与开发，浅部地层资源日益减少，我国目前有大批矿山进入深部开采模式，预计未来15年我国较多矿山开采将进入到1000～1500m深度，部分矿山开采将进入到1500～2500m深度。随着建井深度的提高，传统的3～5m的掘进施工段高循环将不再匹配千米深井建设需求，6m深孔乃至更深的大循环爆破方法将势必取代传统工艺。但是，如果只是在传统工艺的基础上，单纯的加深炮眼深度至6m，将会带来井帮下部超挖、井帮上部欠挖、混凝土耗量增加等诸多问题。这是由于在打眼过程中，需要预留一定的空帮距。当空帮距预留过小，会影响周边眼的钻孔作业；当空帮距预留过大，则存在较大的片帮风险，对井下作业人员的安全产生重大威胁。基于安全方面考虑，当前竖井井筒空帮距预留较小，一般为1m左右；然而，在竖井6m深孔大循环爆破中，竖井施工钎杆长度在 6.5m左右，每循环钻孔深度达6m。常规竖井井壁厚度一般为400mm，此时，钎杆长度远大于空帮距，这导致周边眼钻孔必须以一定的角度向井筒外侧偏斜。

具体参见图1～图3，图1为竖井工作面剖面图，图1中

除上述问题外，竖井6m深孔爆破掘进中，采用深孔爆破技术的一次起爆装药量可达 600kg以上，若采用传统的周边眼装药结构，使得炸药大多集中在炮眼下部，爆破后周边围岩超挖现象严重。超挖带来负面连锁反应——出矸量增加、混凝土浇筑量增加、时间成本增加，严重影响了矿井的正常掘进，也增加了井筒掘砌费用。

因此，如何做好竖井6m深孔大循环爆破的周边成型控制，形成一套适用于竖井6m深孔大循环爆破掘进工艺，实现井筒安全高效掘进，是当前迫切要解决的技术问题。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于实现竖井深孔大循环爆破，精准控制竖井井筒周边成型质量控制，解决传统周边眼集中装药带来的超欠挖现象，保证竖井大循环的安全高效施工。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种竖井深孔大循环爆破施工方法，其包括如下步骤：

第一步，设计掏槽眼、辅助眼、长周边眼、短周边眼的相关爆破参数，包括炮孔数量N、炮孔布置方式、炸药选型、装药系数；

第二步，在竖井井筒中心布置并施工第一圈掏槽眼；

第三步，在第一圈掏槽眼外围布置并施工至少一圈辅助眼；

第四步，计算长周边眼的炮眼长度、倾斜角度、炮孔间距，然后在辅助眼外围布置并施工倒数第二圈长周边眼；

第五步，计算短周边眼的炮眼长度、倾斜角度、炮孔间距，然后在倒数第二圈长周边眼外围布置并施工倒数第一圈短周边眼；

第六步，按照第一步中设计好的装药系数，在掏槽眼、辅助眼、长周边眼、短周边眼内进行反向装药，按照掏槽眼-辅助眼-长周边眼-短周边眼的顺序，完成全断面一次起爆，完成竖井井筒单次循环爆破施工，进入下一工序。

作为一种具体改进，第一步中，炮孔数量N在保证爆破效果的前提下，尽可能少，且应满足公式：

4kS≤N≤5kS

式中：N-炮孔数量，单位个；

S-竖井井筒的荒断面面积，单位m

k-单位修正系数，k＝1个/m

作为一种具体改进，第一步中，炮孔布置方式为：掏槽眼、辅助眼与掘进面呈90°进行掏槽，周边眼与掘进面呈一定角度倾斜。

作为一种具体改进，第一步中，炸药选型依据：若井筒含水量较少，且岩石的坚固性系数f＜8，采用岩石乳化炸药；若井筒含水量较大或岩石的坚固性系数f≥8，采用水胶炸药；若具备现场混装炸药的条件，采用现场混装炸药的方式通过柔性管道泵送到炮孔内，否则采用散装药卷。

作为一种具体改进，第一步中，装药系数由不同的炮眼类型并根据岩石的坚固性系数f进行调整。

作为一种具体改进，第四步中，长周边眼自上而下向竖井外倾斜，并且长周边眼的顶端起于掘进面，底端止于本次循环爆破施工竖井井筒的同侧底角；

优选的，长周边眼的长度满足公式：

式中：L

α-每循环的炮孔垂直深度，一般取6m；

θ

优选的，长周边眼与水平面所成的切斜角度θ

式中：β-竖井井壁厚度与模板厚度之和，一般取0.4～0.8m；

γ-井帮的空帮距，即工作面到井壁底端的垂直高度。

作为一种具体改进，第四步中，长周边眼的炮孔间距满足：

R

式中：L

R

R

作为一种具体改进，第五步中，短周边眼自上而下向竖井外倾斜，并且短周边眼的顶端起于掘进面，底端止于本次循环爆破施工竖井井筒的同侧侧壁；

优选的，短周边眼的长度满足公式：

式中：L

α-每循环的炮孔垂直深度，一般取6m；

θ

优选的，短周边眼与水平面所成的切斜角度θ

式中：β-竖井井壁厚度与模板厚度之和，一般取0.4～0.8m；

γ-井帮的空帮距，即工作面到井壁底端的垂直高度。

作为一种具体改进，第五步中，短周边眼的炮孔间距满足：

R

式中：L

R

R

作为一种具体改进，所述竖井深孔为不低于6m的深孔，配套6m模板和6m深孔大循环凿岩设备。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种适用于竖井深孔大循环爆破方法，尤其适用于竖井6m深孔大循环，该方法依据设计、钻眼、爆破、出渣、砌壁、清底的施工工序，配套6m模板和6m深孔爆破技术，形成一套适用于竖井6m深孔大循环爆破掘进工艺。特别地，爆破设计两圈周边眼，并采用插花式布置，倒数第二圈长周边眼可以控制底部成型，倒数第一圈短周边眼可以控制上部成型，从而实现了周边成型质量控制，解决了传统周边眼集中装药带来的超欠挖现象，保证了竖井大循环的安全高效施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为竖井工作面剖面图；

图2为竖井传统周边眼布置剖面图；

图3为竖井传统周边眼布置工作面实际开挖效果剖面图；

图4为本发明一种实施方式的竖井炮眼布置平面图；

图5为本发明一种实施方式的竖井炮眼布置剖面图；

图6为本发明一种实施方式的竖井工作面炮眼布置剖面图；

图7为本发明一种实施方式的竖井工作面理想开挖效果剖面图；

图8为炮孔装药示意图；

图9为周边眼爆破问题数学模型；

图10为传统炮眼布置方式爆破效果模拟的爆后腔体形态图；

图11为本发明的深孔大循环炮眼布置方式爆破效果模拟的爆后腔体形态图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照附图对本发明的技术方案进行具体阐述。

参见图4-图7，一种竖井深孔大循环爆破施工方法,包括如下步骤：

第一步，设计掏槽眼、辅助眼、长周边眼、短周边眼的相关爆破参数，包括炮孔数量N、炮孔布置方式、炸药选型、装药系数；

第二步，在竖井井筒中心布置并施工第一圈掏槽眼1，如图5所示；

第三步，在第一圈掏槽眼1外围布置并施工至少一圈辅助眼2、3；

第四步，计算长周边眼的炮眼长度、倾斜角度、炮孔间距，然后在辅助眼2、3外围布置并施工倒数第二圈长周边眼4；

第五步，计算短周边眼的炮眼长度、倾斜角度、炮孔间距，然后在倒数第二圈长周边眼4外围布置并施工倒数第一圈短周边眼5；

第六步，按照第一步中设计好的装药系数，在掏槽眼、辅助眼、长周边眼、短周边眼内进行反向装药，按照掏槽眼-辅助眼-长周边眼-短周边眼的顺序，完成全断面一次起爆，完成竖井井筒单次循环爆破施工，进入下一工序。

本发明针对竖井深孔大循环爆破掘进工艺存在的超挖和欠挖问题，设计两圈周边眼，并采用插花式布置；其中，布置倒数第二圈长周边眼以控制底部成型，布置倒数第一圈短周边眼以控制上部成型，该布置方法可以实现周边成型质量的精准控制，形成如图7中

在一个具体实施例中，炮孔数量N在保证爆破效果的前提下，尽可能少，且应满足公式：

4kS≤N≤5kS

式中：N-炮孔数量，单位个；

S-竖井井筒的荒断面面积，单位m

k-单位修正系数，本发明中取k＝1个/m

上述公式由工程实践规律总结得到，采用上述公式设计出的炮孔数量既可以保证爆破效果，又不至于浪费。

在一个具体实施例中，炮孔布置方式为：掏槽眼、辅助眼与掘进面呈90°进行掏槽，周边眼与掘进面呈一定角度倾斜。

在一个具体实施例中，炸药选型依据：若井筒含水量较少，且岩石的坚固性系数f＜8，采用岩石乳化炸药；若井筒含水量较大或岩石的坚固性系数f≥8，采用水胶炸药；若具备现场混装炸药的条件，将炸药的半成品运送到爆破现场，在现场混合后直接通过柔性管道泵送到炮孔内，否则采用散装药卷。

在一个具体实施例中，不同的炮眼类型应选取不同的装药系数，并根据岩石的坚固性系数进行调整，参考范围如下表1：

表1装药系数表

在一个具体实施例中，参见图6，长周边眼4自上而下向竖井外倾斜，并且长周边眼的顶端起于掘进面，底端止于本次循环爆破施工竖井井筒的同侧底角；本发明这样布置长周边眼，能够精准控制底部成型，避免出现底部超挖，即有效防止了出现如图3中的△

进一步的，短周边眼5自上而下向竖井外倾斜，并且短周边眼的顶端起于掘进面，底端止于本次循环爆破施工竖井井筒的同侧侧壁；如此布置短周边眼，能够精准控制上部成型，避免出现上部欠挖，即有效防止了出现如图3中的△

在一个具体实施例中，参见图5，本发明中长周边眼4的长度L

式中：L

α-每循环的炮孔垂直深度，一般取6m；

θ

进一步的，长周边眼4与水平面所成的切斜角度θ

式中：β-竖井井壁厚度与模板厚度之和，一般取0.4～0.8m；

γ-井帮的空帮距，即工作面到井壁底端的垂直高度。

较佳的，本发明中长周边眼4的炮孔间距L

R

式中：L

R

R

R

在一个具体实施例中，参见图5，本发明中短周边眼5的长度L

式中：L

α-每循环的炮孔垂直深度，一般取6m；

θ

本发明中短周边眼5的长度存在临界范围，与长周边眼4的长度相关，取1/3～1/2的长周边眼长度，可以保证炸药均匀分布在周边井壁，使得炸药能量分散均匀，防止超欠挖。

较佳的，短周边眼5与水平面所成的切斜角度θ

式中：β-竖井井壁厚度与模板厚度之和，一般取0.4～0.8m；

γ-井帮的空帮距，即工作面到井壁底端的垂直高度。

较佳的，本发明中短周边眼5的炮孔间距L

R

式中：L

R

R

R

继续参见图8，第六步中，在掏槽眼、辅助眼、长周边眼、短周边眼内进行反向装药，在图8中，炮孔底部为装药段8，半秒延期电雷管9安装在装药段8底部，半秒延期电雷管9 通过8m长脚线6引伸到炮孔外，炮孔顶部为封堵段7封堵，所用材料为碎砂。

本发明尤其适用于不低于6m的竖井深孔，提供一种适用于竖井6m深孔大循环爆破方法，该方法依据设计、钻眼、爆破、出渣、砌壁、清底的施工工序，配套6m模板和6m深孔大循环凿岩设备，形成一套适用于竖井6m深孔大循环爆破掘进工艺，保证了深井大循环的安全高效施工。

本发明为了能够从理论上对竖井深孔大循环中长、短周边眼的布置方式的优势进行验证，将周边眼的爆破问题简化成数学模型，并对下部岩体超挖量、上部岩体欠挖量、混凝土充填量进行了理论计算。为了便于计算，选择忽略一些次要因素，并将岩体抽象为理想化的材料，然后进行理论分析。所做的基本假设如下：

1、均匀性假设，认为周边眼爆破过程中，被爆岩体的力学性能是均匀且连续的，任意一处取出的岩块，均可以代表整个物体的力学性能。

2、连续性假设，认为岩体在其整个体积内连续地充满岩块且之间没有空隙，也就是说，岩体在没有发生断裂破坏之前，尽管变形较大，但依然保持着连续性。

3、各向同性假设，认为岩体在各个方向的力学性能和物理性质是相同的。

4、朝自由面做功假设，以相邻炮孔中心线的切面为分界面，岩体被切面分为两部分，认为周边眼爆破做功全部用于破坏拥有更多自由面方向的岩体，靠近辅助眼方向的岩体被充分破碎，靠近井筒周边侧的岩体则不受到破坏，完整的保留在井帮上。

基于上述假设，将传统周边眼的爆破问题简化成数学模型，如图9，分别计算了下部岩体超挖量V

在R

l

l

l

V

V

式中：R-竖井井筒的荒断面半径；

V

V

V

通过软件对深孔大循环的爆后效果进行模拟，传统炮眼布置方式形成的腔体形态如图10所示，采用本发明深孔大循环的炮眼布置方式形成的腔体形态如图11所示。可以看出，传统炮眼布置方式形成的腔体整体呈“喇叭”型，上部开口小，处于欠挖状态，下部开口大，处于超挖状态，爆破效果差；本发明深孔大循环的炮眼布置方式形成的腔体整体呈“直筒”型，上下轮廓均匀，爆破效果较好。

总之，本发明提供一种适用于竖井深孔大循环爆破方法，尤其适用于竖井6m深孔大循环，该方法依据设计、钻眼、爆破、出渣、砌壁、清底的施工工序，配套6m模板和6m深孔爆破技术，形成一套适用于竖井6m深孔大循环爆破掘进工艺。特别地，爆破设计两圈周边眼，并采用插花式布置，倒数第二圈长周边眼可以控制底部成型，倒数第一圈短周边眼可以控制上部成型，从而实现了周边成型质量控制，解决了传统周边眼集中装药带来的超欠挖现象，保证了竖井大循环的安全高效施工。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。