一种基于电子雷管的超深大断面竖井一次爆破成井方法

技术领域

本发明属于竖井掘进爆破技术领域，特别涉及一种采用电子雷管的超深大断面竖井一次爆破成井方法。

背景技术

在我国经济建设过程中，竖井开挖工程不可或缺，其中超深大断面竖井的开挖工程也日渐增多，如机场建设、港口建设、电站建设、南水北调工程、采矿工程及军事工程等。

竖井掘进主要方法四种：正向爆破法/普通法、反向吊/爬罐爆破法、机械钻井法、反向深孔爆破法。当前常规的方法为正向爆破法和反向爬/吊罐爆破法，该两类爆破法，工作人员均须暴露在爆破工作面作业，而且要在爆破工作面进行许多繁琐且辛苦的工序，其成本高、效率低、工作条件差、安全可靠性低等。机械钻井法，即竖井钻机法，虽然工作人员不用暴露在爆破工作面，工作环境好，作业安全，效率高，但是由于竖井钻机机械庞大，许多工作面达不到，前期辅助工作量大，且成本高，其应用的推广受到了限制。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于电子雷管的超深大断面竖井一次爆破成井方法，适用于底部有补偿空间时的超深大断面竖井的一次爆破成井。本发明基于电子雷管的复杂起爆网路具有长延时、高精度、抗干扰等特点，能够确保底部有补偿空间时的超深大断面竖井的快速、安全、一次爆破成型。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于电子雷管的超深大断面竖井一次爆破成井方法，包括以下步骤：

第一步，根据断面大小、岩石膨胀系数及底部补偿空间大小，确定每次最大爆破方量。

第二步，竖井开挖体积及每次最大爆破方量确定爆破次数。

第三步，爆破，每次爆破均按照以下方法进行：

(3.1)确定爆破区域，包括导井参数、药孔参数、装药结构及起爆网路；

将井筒断面爆破区域划分为三个爆破区域，分别为导井爆破区域、主体爆破区域和预裂爆破区域，其中预裂爆破区域是确定的，位于井筒的设计轮廓线；导井爆破区域位于断面中心，其直径为3～6m，采用无空孔掏槽(常规掏槽爆破是在断面上有空孔作为补偿空间的，而本方法中导井爆破区域的开挖特点为无空孔掏槽爆破开挖，其断面上是没有空孔的，故称为无空孔掏槽)；导井爆破区域与预裂爆破区域之间的区域为主体爆破区域；

(3.2)，布孔

在导井爆破区域布设导井炮孔：先确定导井爆破区域的中心导井炮孔位置，在导井爆破区域以其中心导井炮孔为中心呈圆周分布多圈导井炮孔，导井炮孔的直径大于130mm；相邻导井炮孔圈间的间距为1m，同一圆周上的导井炮孔间的间距为1m；

在主体爆破区域布设主体炮孔：在主体爆破区域布设多圈以中心导井炮孔为中心的呈圆周分布的主体炮孔，主体炮孔的直径大于130mm；相邻主体炮孔圈间的间距取药包直径的20倍，同一圆周上的主体炮孔间的间距取药包直径的20倍；

在预裂孔设计线即预裂爆破区域布设预裂炮孔：预裂炮孔的直径大于130mm；预裂炮孔间的间距取预裂炮孔直径的7倍；

(3.3)，钻孔

按照(3.2)中各爆破区域布设的孔径、孔位、角度要求，各炮孔为90度垂直孔，采用高风压潜孔钻或液压钻机进行钻孔，所有炮孔都必须全部钻穿(即炮孔钻穿了岩层，使得炮孔上下通透)；

(3.4)，装填

在各爆破区域布设的炮孔内填装药包、起爆体以及装填物，其中起爆体采用双发电子雷管簇联而成；

(3.5)，起爆

起爆前，将所有的电子雷管脚线按照孔内双发高段电子雷管、孔外孔间单发低段电子雷管、孔外排间双发低段电子雷管，敷设多层多排逐孔(簇)微差延期电子雷管起爆网路。

起爆网路说明：

对于导井爆破和主体爆破而言：(1)竖井中同一高程断面上的所有药包构成“层”，整个竖井由下往上分成若干层；在同一“层”内同一圈的药包构成“排”；在同一圈内同时起爆的若干药包构成“簇”；(2)各簇药包中的电子雷管起爆顺序为：先内圈后外圈，先下层后上层，同一圈内则按顺时针方向逐渐增加即可；

对于预裂爆破而言：(1)同一次爆破的药包构成“层”，整个预裂爆破为一个层；层内不再分圈，若干个炮孔的药包构成“簇”；(2)各簇药包的电子雷管起爆顺序为：按顺时针方向逐渐增加即可。

在整个起爆网路中，预裂爆破药包的电子雷管起爆时间早于所有的其他电子雷管起爆时间。

第一步中，每次最大爆破方量的确定原则为最大爆破方量乘以岩石膨胀系数小于等于原岩体积和底部补偿空间之和。

第二步中，爆破次数的确定方法为：如果第一次最大爆破方量大于竖井开挖体积，则爆破次数为一次；否则，如果第一次最大爆破方量和第二次最大爆破方量之和大于竖井开挖体积，则爆破次数为二次；依此类推，直到前N次最大爆破方量之和大于竖井开挖体积为止。

第三步的(3.2)中，导井爆破区域药包直径小于导井炮孔直径30mm，导井爆破区域药包长度约等于导井爆破区域药包直径的4倍。

第三步的(3.2)中，主体爆破区域采用的药包为圆柱形，主体爆破区域药包直径小于主体炮孔直径30mm，主体爆破区域药包长度约等于主体爆破区域药包直径的4倍。

第三步的(3.2)中，预裂爆破不耦合系数取3即预裂爆破区域采用的预裂爆破药包直径为预裂炮孔直径的1/3，采用轴向不耦合均匀分布药量；预裂爆破药包采用密度为1000kg/m³的乳化炸药。

本发明的导井爆破区域药包和主体爆破区域药包均采用导密度为1000kg/m³的塑管乳化炸药。

在步骤(3.4)中，导井炮孔装填方法是：填装前，先用导井器进行验孔，确保炮孔畅通，并保持干燥；验孔后，用木楔或带橡胶的水泥块对孔底进行封堵；因为导井炮孔很深，导井炮孔内填充的药包有多个。首先用绳索将第一个药包放入导井炮孔内，然后倒入干河沙进行隔离，再依次将第二个药包放入同样用干河沙隔离，依次规律，直至最后一个药包装入导井炮孔且最后一个药包上部同样铺设一层干河沙进行隔离。

主体炮孔装填方法与导井炮孔装填方法相同。

预裂炮孔装填采用的是导爆索串药卷、空气间隔装药。填装前，先用导井器进行验孔，确导炮孔畅通，并保持干燥；验孔后，用木楔或带橡胶的水泥块对孔底进行封堵；为了防止药卷弯曲，必须把药包绑扎在2mm左右的粗绳上或者绑在细钢丝绳上，外敷双股导爆索后形成药串；炮孔上部用木楔或带橡胶的水泥块对孔底进行封堵。

参照图1，本发明采用无空孔掏槽的反向掘进方式，将井筒断面爆破区域划分为三个爆破区域，分别为导井爆破区域、主体爆破区域和预裂爆破区域，采用电子雷管作为起爆器材，敷设电子雷管逐孔(簇)多排多层延时复式起爆网路，实现从下往上分层、由内往外分圈的群药包微差延时起爆。

其中，导井爆破区域位于断面中间，在断面上是预裂爆破起爆后再起爆的区域，其主要作用是为后续的主体爆破破碎提供补偿空间和新的自由面；该区域的爆破只有一个自由面，其爆破设计特点是“密打孔、多装药”，依靠大药量将该区域内的岩石进行粉碎性破碎，以便于在重力作用下自由顺畅下落，快速形成空腔为后续主体爆破提供补偿。

预裂爆破区域位于井筒的设计轮廓线，在断面上是最先起爆的区域，其主要作用是预先在井筒筒壁与待开挖区域间采用爆破的方法开挖一条分割面，用物理方式阻隔后续爆破的振动波从而减少爆破振动危害，并确保开挖的井筒筒壁完整性。该区域的爆破没有自由面，爆破设计特点是“密打孔、少装药”，在相邻炮孔的爆炸应力波和气刃共同作用下将炮孔间的原岩裂缝进行贯通从而形成预裂面。

主体爆破区域位于导井爆破与预裂爆破之间，在断面上是最后起爆的区域，由于其工程量最大，故称为主体爆破。其主要作用是将导井与预裂面之间的岩体采用爆破的方法进行破碎，爆碴在重力作用下掉落到补偿空间内。

起爆雷管采用长延时高精度电子雷管，传爆雷管采用短延时高精度电子雷管；各孔(簇)雷管的起爆延时不重段且适当拉大延时以避免爆破振动叠加。通过电子雷管的高精度特性，实现数量庞大的药包群的长延时、高精度微差起爆，确保各药包的由下到上、由内往处的顺序或延期起爆，达到岩石破碎或预裂的效果，同时由于药量分散和精确起爆可以实现有效的控制爆破振动，从而安全可靠地实现一次爆破成井。

本发明具有以下优点：

1、安全性好

表现在二个方面，一是人员在地面进行操作，操作者与爆炸作业面分离，实现人物(爆炸物)分离；二是可以边出碴边支护，类似于留矿法，井壁稳定性好，操作环境友好，且不会出现垮塌危险。

2、掘进速度快

所有炮孔在地面一次全部完成，节约了钻孔时间；所有爆破材料均是由地面直接往下装填，装填时间快；整个竖井开挖作业为一次(或多组)爆破成形，工艺简单，掘进速度快。

3、机械化程度高

从地面往下一次完成全深钻孔，便于大型凿岩设备作业；竖井底部集中出碴，便于采用大型挖、装机械；留矿法边出碴边支护，便于大型支护设备作业。

4、综合成本低

掘进速度快，节约大量工期和成本；工作面装填作业，底部平硐机械出碴，留矿法边支护边出碴，机械化程度高，均大大节约成本。

附图说明

图1本发明井筒断面爆破区域示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种基于电子雷管的超深大断面竖井一次爆破成井方法，包括以下步骤：

(1)首先，根据断面大小、岩石膨胀系数及底部补偿空间大小，确定每次最大爆破方量；

每次最大爆破方量的确定原则为最大爆破方量乘以岩石膨胀系数小于等于原岩体积和底部补偿空间之和；每次爆破后，立即将爆碴清运，创造更多的补偿空间，以增大下一次爆破的方量。

(2)根据竖井规模(开挖体积)及每次最大爆破方量确定爆破次数。

确定方法为：如果第一次最大爆破方量大于竖井开挖体积，则爆破次数为一次；否则，如果第一次最大爆破方量和第二次最大爆破方量之和大于竖井开挖体积，则爆破次数为二次；依此类推，直到前N次最大爆破方量之和大于竖井开挖体积为止。

(3)确定爆破区域。

将井筒断面爆破区域划分为三个爆破区域，分别为导井爆破区域、主体爆破区域和预裂爆破区域，其中预裂爆破区域是确定的，位于井筒的设计轮廓线；导井爆破区域位于断面中心，其直径为3～6m，采用无空孔掏槽；导井爆破区域与预裂爆破区域之间的区域为主体爆破区域。

(4)布孔

在布孔前先用机械或人工进行清表，要求清理到露出基岩，断面平整；

在导井爆破区域布设导井炮孔：先确定导井爆破区域的中心导井炮孔位置，在导井爆破区域以其中心导井炮孔为中心呈圆周分布多圈导井炮孔。为确保垂直超深炮孔内装填作业顺畅，钻孔直径不宜过小，导井炮孔的直径大于130mm。相邻导井炮孔圈间的间距为1m，同一圆周上的导井炮孔间的间距为1m。导井爆破区域药包直径小于导井炮孔直径30mm，导井爆破区域药包长度约等于导井爆破区域药包直径的4倍。

在主体爆破区域布设主体炮孔：在主体爆破区域布设多圈以中心导井炮孔为中心的呈圆周分布的主体炮孔，主体炮孔的直径大于130mm；相邻主体炮孔圈间的间距取药包直径的20倍，同一圆周上的主体炮孔间的间距取药包直径的20倍。主体爆破区域采用的药包为圆柱形，主体爆破区域药包直径小于主体炮孔直径30mm，主体爆破区域药包长度约等于主体爆破区域药包直径的4倍。

在预裂孔设计线即预裂爆破区域布设预裂炮孔：预裂炮孔的直径大于130mm；预裂炮孔间的间距取预裂炮孔直径的7倍。预裂爆破不耦合系数取3即预裂爆破区域采用的预裂爆破药包直径为预裂炮孔直径的1/3，采用轴向不耦合均匀分布药量；预裂爆破药包采用密度为1000kg/m³的乳化炸药。

为确保延期时间准确可靠，采用高精度、高强度电子雷管，孔内双发高段、孔外孔间单发低段、孔外排间双发低段，敷设多层多排逐孔(簇)微差延期电子雷管起爆网路。

布孔时尽量用鲜艳的标志(如红色油漆)在断面上标注；布孔时必须用测量工具进行精确量测，不得估测；用塑料板制作孔囗单，在孔囗单上标出炮孔编号、炮孔深度、炮孔类别、装药层数、孔底坐标、雷管段别等，并将其放置于对应的炮孔位置上。

(5)钻孔

按布设的孔径、孔位、角度和深度要求，其中角度要求是各炮孔均为90度垂直孔。进行采用高风压潜孔钻或液压钻机进行钻孔；钻孔时需要采取必要的钻孔偏斜率控制措施，提高钻孔精度。由于炮孔深度较大且直径较大，很容易出现钻孔偏斜，必须采取一定的防偏及纠偏措施，常用措施有：

(1)彻底清除竖井上部浮碴，在竖井上口浇筑1层20cm厚的混凝土底盘或用风镐找平，再在其上面标出各炮孔的位置并钻孔，钻进时要做到“平”、“直”、“准”、“齐”，钻孔临近全深时，减压钻进。

(2)安装导向管能有效减小由于钻杆晃动造成的钻孔偏斜。

(3)所有炮孔都必须全部钻穿，确保孔底的水分、泥沙等自动下溜，以利于炮孔偏斜率测量，作为后期装药的基本依据；

(4)钻进时，采用重锤法测斜。钻进每3m测斜一次，钻孔完成后还应进行钻孔测斜，绘制实测图，偏斜时可采用以下方法进行处理：

①反向回转钻进纠偏法：当钻孔方位沿钻头回转方向偏斜时(如右旋)，以反转(左旋)钻进纠正。

②扩孔纠偏法：加大一级钻具，从较直的孔段向下打扫，将偏的孔段通过扩壁纠直。

③回填老孔纠斜法：一般在老孔孔底偏斜段灌注水泥，待凝固后，选用长、粗、重的钻具，并配无内出刃的金属钻头，轻压慢转并反复扫孔，恢复顺直的新孔达到0.5m以上，开始正常钻进，之后每钻进3m进行一次测斜。

④如果钻孔打歪、交叉、超偏，充填后重新补孔。

在钻孔之后还需要验孔：用专用炮孔导测工具、专用测试量仪器或其他方法测量并检查钻孔的深度和角度，确保与设计相符，如出现炮孔精度太低的须重新钻孔；验孔时必须要用钻机上下来回扫孔，将孔内的抬头石等清除，确保钻孔的通畅。

(6)装填

在各爆破区域布设的炮孔内填装药包、起爆体以及装填物，其中起爆体采用电子雷管。装填时须确保位置准确，堵塞到位，雷管段别准确，保护雷管脚线；装填时，须设置装填警戒区，无关人员不得入内。

(6.1)导井炮孔装填

导井爆破是本次爆破的关键，原则上应到厂家进行定做一定直径、长度及密度的塑管乳化炸药。

装药前，先用导井器进行验孔，确保孔内畅通，并尽量保持干燥；验孔后，用专用木楔或带橡胶的水泥块对孔底进行封堵；然后按设计位置用粗绳或钢丝绳将炸药轻轻放入，确定炸药到位后，再倒入合适数量的干河沙，再依次将炸药和河沙装入孔内，最后一个装药上部还要保持一定的堵塞。

(6.2)主体炮孔装填

主体制炮孔的装填与导井爆破装填相同。

(6.3)预裂炮孔装填

由于预裂爆破采用的是导爆索串药卷、空气间隔装药，为了防止药卷弯曲，必须把药卷绑扎在2mm左右的粗绳上或者绑在细钢丝绳上，外敷双股导爆索后形成药串。为保证顶底部充分炸开，加大顶底0.5～1.0m范围内的装药量，其药量为正常装药量的2倍。形成完整的药包后，提粗绳或钢丝绳徐徐送入相应的孔内，利用药串上的粗绳悬吊在孔外。

(7)起爆

起爆前，将所有的电子雷管脚线按照孔内双发高段电子雷管、孔外孔间单发低段电子雷管、孔外排间双发低段电子雷管，敷设多层多排逐孔(簇)微差延期电子雷管起爆网路。

起爆网路说明：

对于导井爆破和主体爆破而言：(1)竖井中同一高程断面上的所有药包构成“层”，整个竖井由下往上分成若干层；在同一“层”内同一圈的药包构成“排”；在同一圈内同时起爆的若干药包构成“簇”；(2)各簇药包中的电子雷管起爆顺序为：先内圈后外圈，先下层后上层，同一圈内则按顺时针方向逐渐增加即可。

对于预裂爆破而言：(1)同一次爆破的药包构成“层”，整个预裂爆破为一个层；层内不再分圈，若干个炮孔的药包构成“簇”；(2)各簇药包的电子雷管起爆顺序为：按顺时针方向逐渐增加即可。

在整个起爆网路中，预裂爆破药包的电子雷管起爆时间早于所有的其他电子雷管起爆时间。

起爆时，须设置警戒区域。

起爆后需要进行效果检查，必要时可以借助仪器进行监测。检查时，首先是从远处直接观察是否存在安全隐患；当确定掏槽效果不好时，需要查明原因，并采取必要的处置措施；当确定无安全隐患时，可以慢慢接近现场检查爆破质量。

需要进行多次爆破的，根据上述方法即步骤(3)至(7)重复进行即可。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。