矿建立井硬岩凿岩施工的新技术

目前,矿山立井机械化快速施工破岩方式主要采用钻爆法施工,而造孔普遍采用以压缩空气为动力的伞型钻机,这种钻机一般有5~9台风动凿岩机同时作业,每次钻孔深度4~5米,造孔速度较快、效率相对较高。但对于硬度大的岩石极不适应,主要是造孔时间长,易断钎杆、掉钻头、卡钻等现象。为此,在借鉴岩石平巷施工采用的液压凿岩台车的应用情况下,创新伞钻凿岩机具的办法:即采用电动液压伞钻代替风动伞钻,提高凿岩机的工作效率,提高硬岩地层的立井施工速度,并解决立井凿岩工序中的噪音和高能耗等突出问题。

一、程地质概况

国投新集一矿的井田位于凤台县城西17公里处,走向长6.85公里、宽3.65公里,面积25平方公里。矿井原设计生产能力为90万吨/年,经过改扩建后,核定生产能力达到400万吨/年。新集一矿西副井是该矿改扩建的一个井筒,井筒全深755米,净直径7.2米,冻结深度300米,新生界松散层厚度190.26米;寒武系片麻岩深度190~442.6米,厚度252.6米;二迭系含煤地层深度442.6~810米;其中寒武系片麻岩属于风化基岩,主要有角闪片麻岩和花岗片麻岩组成,但岩芯完整,RQD=70%~80%,裂隙发育,以块状和柱状为主,岩石普氏硬度系数f最高可达17,极其坚硬。

二、钻眼爆破施工方法

钻眼选用YSJ4.8型液压伞钻,它主要有液压凿岩机、推进系统、动臂、立柱、摆动架、支撑臂、液压水气系统、电气系统、调高器等九部分组成。根据液压伞钻所选配的HYD—200液压凿岩机的性能,结合岩石完整性好、硬度大的地层特点,钎杆选用波形螺纹连接的六方钎杆,型号为B35,螺纹直径为32毫米,长度为5.5米;选用直径为51毫米和57毫米的钻头。钻孔深度5米,每次爆破进尺为3.8~4.0米,爆破率达到80%左右,B35钎杆不仅可以满足使用要求,且不会象B25钎杆那样易于扭曲和折断。根据岩石的特性,在钻头的使用中根据岩石的变化,及时改变钻头规格型号可以很好地提高造孔速度、便于装药,提高爆破效率。

钎头从头部的合金分部形式主要分为一字型钎头、十字型钎头和球齿型钎头三类。一字型钎头由于价廉物美而应用广泛,十字型和球齿型钎头用于一些岩石特硬、岩石磨蚀性强等场所。

钎杆和钎头一般的选择匹配原则为:大功率的凿岩机选用横断面积大的钎杆,选用优质的单位面积抗冲击力强的钎杆,选用厚片、高片的硬质合金钎头或十字型钎头(增加硬质合金的体积,降低单位体积承受的冲击力)。硬岩选择高强度的硬质合金减少碎片的可能性,磨石性强的岩石应选择抗磨性好的硬质合金。

炸药周边眼选用直径35毫米水胶炸药,其余炮孔选用直径45毫米水胶炸药。雷管选用非电导爆毫秒雷管,选用段发为MS1、MS3、MS5、MS10、MS15、MS20,均为6.5米长脚线。延长时间间隔分别为50毫秒、110毫秒、380毫秒、880毫秒、2000毫秒。联线方式为簇并联。

三、炮眼布置及施工要求

1.炮眼布置

实践证明,对于硬岩地层立井钻眼爆破施工采用通常的施工方法,爆破效率很低,达不到60%,严重制约了施工速度。根据硬岩坚固致密的特性,选用高威力水胶炸药,增加炸药的爆炸力,并在施工过程中逐步完善炮眼布置形式,使爆破效率稳定在80%以上,最高达到90%,取得较好的经济效益。炮眼布置参数见表1。

炮孔布置为:辅助孔为两圈,均为直眼,孔位偏差不得大于75毫米,炮眼呈梅花型布置;周边眼开孔圈径7.8米,孔底圈径8.0米,这样便于支钻操作,有利于井筒成形。在施工过程中,为了确保井筒施工质量,每次钻孔前由测量人员根据井筒中心线画出井筒轮廓线,防止超挖和欠挖,降低掘进施工质量,造成不必要的返工或支护材料浪费现象出现。

表1 炮眼布置参数

爆破预期效果,炮眼利用率80%,每循环进尺3.8米,每循环爆破实体岩数量190立方米,每循环炸药消耗量329.4公斤,单位原岩炸药消耗量1.73公斤/立方米,每米井筒炸药消耗量91.5公斤/米,每循环炮眼长度474.4米,单位原岩炮眼消耗量1.44米/立方米,每米井筒炮眼消耗量131.8米/米,单位原岩雷管消耗量0.3个/立方米,每米井筒雷管消耗量27.2个/米。

2.钻孔要求

掏槽眼共两圈,内圈采用斜眼掏槽,孔口圈径1.8米,孔底圈径1.4米。钻孔时四部钻交替施工,这样才能确保开孔圈径不大于1.8米,扩槽孔采用直眼掏槽,当岩石软时可适当减少外圈掏槽眼的数量。在钻进掏槽眼时要确保各孔相互平行对称,孔位偏差不得超过60毫米。

3.装药要求

第一圈掏槽眼采用孔内微差爆破,在炮孔下部装3卷炸药,3段雷管反向引爆,上封400毫米岩粉,再装3卷炸药、1段雷管正向引爆。炮泥均采/:请记住我站域名/用岩粉加水封堵,周边孔仅封堵400毫米岩粉,这样可以减轻爆破对井壁的破坏。

四、效果评价

1.节能减排:电动液压系统所需的功率仅是气动钻机功率的30%,且液压凿岩机不排除废气,没有废气夹杂的油污所造成对环境的污染,提高了工作面的能见度,降低噪音,改善操作环境。

2.凿岩效率高,速度快:经试验对比,在同类岩石和相同孔径的情况下,凿深孔用液压凿岩机比气动凿岩的凿岩速度提高两倍以上,凿岩速度可达0.8~1.5米/分。

3.钻杆成本低:由于液压凿岩机的转速、压力等参数可调整,因此能在不同岩石条件下选择最优的凿岩参数,使得钻杆适应不同的岩层条件,减少钻杆损坏。又由于液压凿岩冲击应力波平缓,传递效率高,因此钻具和钎杆一般可节约15%~20%。

4.采用液压凿岩机施工可提高施工质量:由于液压凿岩机能保证钻孔深度和间距的精度,提高炮孔和井筒掘进的施工质量,减少材料浪费。