保障充填体稳定性的爆破采矿方法

技术领域

本发明涉及金属矿开采技术领域，尤其涉及一种保障充填体稳定性的安全高效开采的爆破采矿方法。

背景技术

传统的爆破垮落金属矿开采会造成覆岩冒落破断，破坏地下含水岩系，引发地表塌陷和地表裂缝，危害地表建筑物，造成水资源流失和生态环境破坏。

为适应建设绿色矿山理念的提出，充填采矿法越来越受到相关领域技术人员的重视。充填采矿法一般是在矿房或矿块中，随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，而保障充填体稳定性是开展充填法的重要前提。

本申请的发明人在实现本发明创造的过程中发现：现有的金属矿充填开采方案，多基于爆破垮落法回采，在回采过程中，爆破荷载不可避免地会对充填体稳定性造成一定影响，充填体大范围的垮塌、片落等容易造成贫化率增高、不安全系数增大等，且悬顶问题未能改善是降低回采效率、增加不安全系数的重要原因之一。为更好地践行建设绿色矿山理念，充填法开采金属矿中遇到的上述问题亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种保障充填体稳定性的爆破采矿方法，以至少解决现有的充填法开采金属矿中存在的上述技术问题之一，从而提高金属矿开采效率。

第一方面，本发明实施例提供一种保障充填体稳定性的爆破采矿方法，其特征在于，包括步骤：

S10、布孔：

沿巷道延伸方向，自巷道顶部向上呈一定角度钻取一排扇形炮孔，所述扇形炮孔包含多个炮孔，多个炮孔呈扇形布设形成扇形炮孔；

S20、装药：

制备单个聚能装药结构，所述聚能装药结构分两种，第一种包含：管体，所述管体的侧壁上具有环向弧形切缝和轴向条形切缝，所述弧形切缝与所述条形切缝间隔设置；第二种包括：管体，所述管体的侧壁上具有环向弧形切缝；

向所述管体内装入聚能药卷，形成第一聚能药包和第二聚能药包，第一聚能药包对应第一种聚能装药结构，第二聚能药包对应第二种聚能装药结构；

向扇形炮孔中两侧边孔中装入第一聚能药包，第二聚能药包具有弧形切缝的管段朝向孔底设置，并使弧形切缝朝向靠近中间炮孔侧的矿体内壁；以及，

向扇形炮孔中两侧边孔之间的中间炮孔中装入第二聚能药包，所述第一聚能药包具有环形切缝的管段朝向炮孔孔底装入，并使所述弧形切缝朝向第一待爆破岩巷段的矿体设置，使所述条形切缝朝向岩巷延伸方向设置；

S30、起爆：

首先，起爆两侧边孔中的第一聚能药包，从所述第一聚能药包的靠近弧形切缝的一端起爆，利用该炮孔中的第一聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第一聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体，以及，利用第一聚能药包的条形切缝引导爆炸应力波从该条形切缝处释放能量形成射流至第一待爆破矿体侧以破碎矿体，在矿体上形成爆生裂纹，利用第一聚能药包与所述条形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体；

其次，在两侧边孔起爆第一预定时间后，起爆中心孔及与中心孔相邻的两个炮孔，从所述第二聚能药包的靠近弧形切缝的一端起爆，利用第二聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第二聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体；

最后，在中心孔及与中心孔相邻的两个炮孔起爆第二预定时间后，起爆与中心孔相邻的炮孔到两侧边孔之间的其余炮孔，利用本次起爆的炮孔中的第二聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第二聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体。

可选地，在步骤S30中，在步骤S30中，所述利用该炮孔中的第一聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第一聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体，以及，利用第一聚能药包的条形切缝引导爆炸应力波从该条形切缝处释放能量形成射流至第一待爆破矿体侧以破碎矿体，在矿体上形成爆生裂纹，利用第一聚能药包与所述条形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体过程中，所述方法还包括：在当次起爆后，第一聚能药包的爆破能量沿弧形切缝和条形切缝聚集能量，并将聚集的能量释放至预定方向的矿体侧；

从条形切缝释放的能量沿巷道走向切割矿体，形成光滑滑落面，用于回收矿石；以及，在对应条形切缝的矿体上形成爆生裂纹，通过所述爆生裂纹为后续爆破碎矿提供多个自由面；

在最后起爆过程中，利用提供的多个自由面的反射拉伸波作用，在自由面提高爆破能量，在预定矿体侧充分破碎矿石，使矿体产生片落；

利用靠近充填体侧的矿体上形成的爆生裂纹对部分爆炸应力波进行吸收阻碍，减轻透射至充填体的爆破能量，以保护相邻侧的充填体。

可选地，在步骤S30中，首先起爆的炮孔采用一段别雷管起爆，其次起爆的炮孔采用三段别雷管起爆，最后起爆的炮孔采用五段别雷管起爆。

可选地，在步骤S20中，两侧边孔采用不耦合间隔装药，两侧边孔的孔底安装第一聚能药包，两侧边孔之间的炮孔采用连续装药，且其孔底安装第二聚能药包，各炮孔其余部分安装普通药包或聚能药包；

在步骤S30中，利用孔底安装的第一聚能药包的弧形切缝引导约束爆炸应力波扩散，使其聚能后射流释放至预定侧矿体；

利用射流的气楔作用，将垂直于喷射流轴线方向的矿体向两侧挤压，爆炸应力波形成“楔子”楔入矿体，以在炮孔孔底附近矿体上切割出环形爆生裂缝。

可选地，所述炮孔直径为70-120mm，炮孔深度为8-20m，相邻两孔孔口距400-700mm，孔底距1.5-2.5m，炮孔深度10-30m，边孔倾斜角度为向外倾斜40-60°。

可选地，第一种聚能装药结构的弧形切缝间隔设置3组，相邻组弧形切缝间距设置为10cm；第二种聚能装药结构的弧形切缝与轴向条形切缝间隔20cm。

可选地，所述弧形切缝的宽度为1cm-3cm。

可选地，不耦合间隔装药的空气段采用竹签填充，空气段长度为50cm。

可选地，所述扇形炮孔包括9个炮孔，其中，从第一侧边孔向另一侧依次标记为1至9号；

两侧边孔为1号和9号，首先起爆；炮孔4-6号延迟时间设置为25ms-75ms，炮孔2-3和7-8延迟时间设置为50ms-100ms，炮孔4-6起爆时间较炮孔2-3、7-8提前25ms-50ms。

本发明实施例提供的保障充填体稳定性的爆破采矿方法，通过步骤S10～S30,利用制备的具有环向弧形切缝和轴向条形切缝按照预定的布设方式装入炮孔，起爆过程中，利用第一聚能药包和第二聚能药包的聚能切缝引导爆炸应力波朝向预定侧释放切割矿体，充分破碎矿石，提高开采效率，并利用管体未开缝侧可以有效保护该侧矿体和相邻充填体。

此外，通过将环向弧形切缝端安装于炮孔底部，并使弧形切缝朝向预定待爆破矿体侧聚能爆破，可以控制爆生能量扩散方向，避免落矿过程中出现倒斜坡状悬顶现象，从而解决了金属矿落矿中“悬顶”问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例保障充填体稳定性的爆破采矿工作面炮孔布置图；

图2为图1中布设的扇形炮孔结构示意图；

图3为本发明一个实施例中第一种聚能装药结构示意图；

图4为本发明一个实施例中第二种聚能装药结构应用于矿体炮孔中的示意图；

图5为两侧边孔采用第一种聚能装药结构不耦合装药结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1至图5所示，本发明实施例提供的保障充填体稳定性的爆破采矿方法，适用于金属矿开采工程中，特别适用于充填开采法开采金属矿场景中。

图1中，采区待采矿体1和充填体2毗邻，应当理解，在常规爆破开采中，矿石回采过程中，爆破荷载不可避免地会对相邻的充填体造成一定影响，充填体大范围的垮塌、片落等容易造成贫化率增高、不安全系数增大等，而且悬顶问题的出现是降低回采效率、增加不安全系数的重要原因之一。

为了保障充填体稳定性及解决矿体塌落悬顶问题，本实施例中提供的保障充填体稳定性的爆破采矿方法，通过改进装药结构、起爆时间、起爆方式等，实现能量的高效、合理利用，进而达到提高充填体稳定性、高效破碎矿石、避免悬顶问题的目的。

所述方法包括步骤：

S10、布孔：

沿巷道3延伸方向，自巷道顶部向上呈一定角度钻取一排扇形炮孔4，所述扇形炮孔包含多个炮孔，多个炮孔呈扇形布设形成扇形炮孔，如图1和图2所示。

所述扇形炮孔包括9个炮孔，其中，从第一侧边孔向另一侧依次标记为1至9号。

S20、装药：

制备单个聚能装药结构，所述聚能装药结构分两种，第一种包含：管体100，所述管体100的侧壁上具有环向弧形切缝101和轴向条形切缝102，所述弧形切缝与所述条形切缝间隔设置，间隔距离L3表示，如图3所示。第二种包括：管体200，所述管体的侧壁上具有环向弧形切缝201，如图4所示。聚能装药结构的管体为PVC管等材质制作而成。

向所述管体内装入聚能药卷，形成第一聚能药包和第二聚能药包，第一聚能药包对应第一种聚能装药结构，第二聚能药包对应第二种聚能装药结构；

向扇形炮孔中两侧边孔中装入第一聚能药包，所述第一聚能药包具有环形切缝的管段朝向炮孔孔底装入，并使所述弧形切缝朝向第一待爆破岩巷段的矿体设置，使所述条形切缝朝向岩巷延伸方向设置；以及，

向扇形炮孔中两侧边孔之间的中间炮孔中装入第二聚能药包，第二聚能药包具有弧形切缝的管段朝向孔底设置，并使弧形切缝朝向靠近中间炮孔侧的矿体内壁。

其中，两侧边孔采用的第一种聚能装药结构，沿聚能管体某一端部切割3组半环向弧形聚能切缝，同时沿管轴向切割出对称状长条形聚能切缝。其余炮孔底部所采用的第二种聚能装药结构，采用类似材质沿特定长度管壁某一端部切割3组半环向弧形切缝，增强环向切割效果。

扇形孔采用孔间延迟起爆形式爆破，起爆过程接下来将详细描述。

S30、起爆：

首先，起爆两侧边孔中的第一聚能药包，从所述第一聚能药包的靠近弧形切缝的一端起爆，利用该炮孔中的第一聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第一聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体，以及，利用第一聚能药包的条形切缝引导爆炸应力波从该条形切缝处释放能量形成射流至第一待爆破矿体侧以破碎矿体，在矿体上形成爆生裂纹，利用第一聚能药包与所述条形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体；

其次，在两侧边孔起爆第一预定时间后，起爆中心孔及与中心孔相邻的两个炮孔，从所述第二聚能药包的靠近弧形切缝的一端起爆，利用第二聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第二聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体；

最后，在中心孔及与中心孔相邻的两个炮孔起爆第二预定时间后，起爆与中心孔相邻的炮孔到两侧边孔之间的其余炮孔，利用本次起爆的炮孔中的第二聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第二聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体。

在一些实施例中，两侧边孔为1号和9号，首先起爆；炮孔4-6号延迟时间设置为25ms-75ms，炮孔2-3和7-8延迟时间设置为50ms-100ms，炮孔4-6起爆时间较炮孔2-3、7-8提前25ms-50ms。

所述炮孔直径为70-120mm，炮孔深度为8-20m，相邻两孔孔口距400-700mm，孔底距1.5-2.5m，炮孔深度10-30m，边孔1和9倾斜角度为向外倾斜40-60°。

在一些实施例中，在步骤S30中，所述利用该炮孔中的第一聚能药包的弧形切缝引导爆炸应力波从该弧形切缝处释放能量至第一待爆破矿体侧以碎岩，利用第一聚能药包与所述弧形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体，以及，利用第一聚能药包的条形切缝引导爆炸应力波从该条形切缝处释放能量形成射流至第一待爆破矿体侧以破碎矿体，在矿体上形成爆生裂纹，利用第一聚能药包与所述条形切缝相背的另一侧保护该侧矿体及充填体过程中，所述方法还包括：在当次起爆后，第一聚能药包的爆破能量沿弧形切缝和条形切缝聚集能量，并将聚集的能量释放至预定方向的矿体侧；

从条形切缝释放的能量沿巷道走向切割矿体，形成光滑滑落面，用于回收矿石；

以及，在对应条形切缝的矿体上形成爆生裂纹，通过所述爆生裂纹为后续爆破碎矿提供多个自由面；

在最后起爆过程中，利用提供的多个自由面的反射拉伸波作用，在自由面提高爆破能量，在预定矿体侧充分破碎矿石，使矿体产生片落；

以及，利用靠近充填体侧的矿体上形成的爆生裂纹对部分爆炸应力波进行吸收阻碍，减轻透射至充填体的爆破能量，以保护相邻侧的充填体。

如图1所示，对边孔1、9设置空气间隔装药，单个装药段均采用半环向与轴向聚能装药结构，即第一种聚能装药结构，线性聚能方向沿巷道延伸方向设置。通过采用该种装药结构一则可形成光滑的滑落面，有助于矿石回收，提高矿石回收率。二则可形成爆生裂缝，为后续炮孔爆破提供爆生自由面，充分利用爆炸应力波反射拉伸作用，提高在矿石破碎过程中的能量利用率，充分破碎矿石。三是利用爆生裂纹对爆炸应力波的吸收阻碍作用，为后续炮孔爆破后产生的应力波形成屏障，充分保护相邻侧充填体，提高了充填体稳定性，可高效破碎矿石、避免悬顶问题。

在一些实施例中，在步骤S30中，首先起爆的炮孔采用一段别雷管起爆，其次起爆的炮孔采用三段别雷管起爆，最后起爆的炮孔采用五段别雷管起爆。

如图5所示，在步骤S20中，两侧边孔采用不耦合间隔装药，图5中箭头所指方向为孔底端，两侧边孔的孔底安装第一聚能药包，两侧边孔之间的炮孔采用连续装药，且其孔底安装第二聚能药包，各炮孔其余部分安装普通药包或聚能药包；

在步骤S30中，所述方法还包括：利用孔底安装的第一聚能药包的弧形切缝引导约束爆炸应力波扩散，使其聚能后射流释放至预定侧矿体；

利用射流的气楔作用，将垂直于喷射流轴线方向的矿体向两侧挤压，爆炸应力波形成“楔子”楔入矿体，以在炮孔孔底附近矿体上切割出环形爆生裂缝。

在一些实施例中，第一种聚能装药结构的弧形切缝间隔设置3组，可增强环向切割效果，解决悬顶问题。相邻组弧形切缝间距设置为10cm；第二种聚能装药结构的弧形切缝与轴向条形切缝间隔20cm。通过在除两侧边孔以外的其余炮孔底部采用新型半环向聚能装药结构，通过设置多组环向聚能装置有效控制爆生能量，形成环向破碎区，可避免“悬顶”现象的出现。

所述弧形切缝的宽度为1cm-3cm。

其中，不耦合间隔装药的空气段采用竹签填充，空气段长度为50cm。通过在边孔设置空气间隔装药，各装药段间采用竹签阻隔，减小单响药量的同时对单个装药段采用半环向+轴向聚能装药结构，能有效保护围岩，进而控制能量随机扩散，保护充填体。

根据上述公开描述可知，本发明实施例提供的保障充填体稳定性的爆破采矿方法，通过步骤S10～S30,利用制备的具有环向弧形切缝和轴向条形切缝按照预定的布设方式装入炮孔，起爆过程中，利用第一聚能药包和第二聚能药包的聚能切缝引导爆炸应力波朝向预定侧释放切割矿体，充分破碎矿石，提高开采效率，并利用管体未开缝侧可以有效保护该侧矿体和相邻充填体，保障填充体稳定性。

此外，通过将环向弧形切缝端安装于炮孔底部，并使弧形切缝朝向预定待爆破矿体侧聚能爆破，可以控制爆生能量扩散方向，避免落矿过程中出现倒斜坡状悬顶现象，从而解决了金属矿落矿中“悬顶”问题。

本实施例中，针对充填开采方法存在的问题，提出了“CLB-R”的爆破新方法，“C”：Cut，即边孔采用半环向+轴向聚能装药结构的第一种装药结构，率先起爆形成爆生自由面；“L”：Loose，中部孔第二次起爆利用多自由面反射拉伸作用，提高爆破效率。“B”：Blast，剩余炮孔最后起爆充分破碎矿体。“R”：Ring，炮孔底部采用新型半环向聚能装药结构，即第二种聚能装药结构，可以解决矿石垮落悬顶问题。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。