1、攀 钢 技 术 45大断面长溜井高位堵塞疏通处理实践徐忠光（攀钢集团新白马矿业有限责任公司） 摘 要： 分析了攀钢新白马公司 1#溜井高位堵塞的产生原因，介绍了氢气球高空爆破疏通溜井过程。对露天矿山在溜井选址、施工建设、生产使用中避免溜井故障提出了相关建议，认为露天矿山的溜井建设设计必须充分考虑地质因素，结合生产需要选择最佳位置，施工中要加强施工中的监管力度，做好工程质量跟踪，并随时对施工中出现的新情况进行认真设计论证，延长溜井使用期限；溜井的初期使用过程中要严格控制入井物料的粒度，同时做好溜井运行记录和异常情况监测，保证溜井的合理使用，从而提高溜井使用效率。关键词：露天矿；开采；溜井；高位堵
2、塞；气球爆破；疏通 0 引言平硐溜井开拓方式在大型露天矿山生产中具有不可替代的作用和十分重要的价值，对于高差较大的山坡露天矿，可以大大缩短其运输环节的运距，节省大量营运费，技术经济效果显著。但如果溜井的结构参数不合理，或者施工质量存在问题，生产管理不善等，容易造成溜井井壁塌方、堵塞、跑溜等事故，给生产、安全带来极大影响，严重时造成溜井报废，经济损失巨大。攀钢新白马公司 1#溜井于 2007 年 12 月 9 日投入试生产，全长 535 m，井筒直径 5 m，属于新建的大断面长溜井。1 #溜井在生产初期即出现溜井使用不正常现象，溜井输出了大量非生产入井的钢筋和直径在 1.5 m 及以上的大块，这
3、种现象一直持续不断，在 2008 年 7 月 6 日发现溜井井口未发生变化，初步判断 1#溜井发生高位堵塞，作为新建溜井刚运行就出现堵塞现象较为罕见。综合分析后于 2008 年 12 月 30 日进行氢气球高空爆破处理，并最终于 2009 年 3 月 28 日贯通。通过此次实践，对高深溜井的使用及高位堵塞的处理积累了一定经验，对同类溜井建设具有参考意义。1 新白马 1#溜井地质和堵塞情况新白马铁矿为一特大型露天矿，位于攀枝花市米易县白马乡境内，南距米易县城 35 km，距攀枝花市 113 km；北距西昌市 152 km，属攀钢集团公司的下级矿山企业。矿山建设规模可达 1 550 万t/a，一期
4、建设规模为年采选原矿 650 万 t/a，铁精矿 233.48 万 t/a，采用汽车平硐溜井准轨铁路开拓运输方式，一期工程建设 1#、2 #溜井，二期拟建设 3#、4 #溜井。 2003 年 2 月白马铁矿一期工程开工建设，2006 年底基建工程基本完成。新白马 1 溜井地表井口标高 2 185 m，地下井底标高 1 613 m，全长 535 m，由直溜井、斜溜井及装矿硐室组成，其中直溜井部分高度 323 m，直溜井直径 5 m，断面积 19.6 m2，斜溜井部分长度 212 m，断面积 12m2， 。从工程地质编录图中可以得知1#溜井穿过岩体主要是钒钛磁铁矿、橄榄辉长岩，局部矿体较为破碎，呈
5、碎裂结构，岩体呈镶嵌碎裂块状，节理裂隙较发育，有剪切现象，整体稳定性较差，围岩级别主要为 III、IV，地下水较发育，普遍呈渗润现象，偶有涌泉滴水现象。其中直溜井段 19701850 段围岩级别为 IV 级，1850 段以下围岩级别基本为 III 级，在施工过程中对局部地段采取喷、锚、网支护，喷锚网支护 25 锚杆长 2 m梅花型布置，锚网采用 6.5 钢筋，水平间距 150 mm， C25 喷射砼厚 200 mm。其中 18981871 地段为 F12 断层穿过，在施工过程中曾对该段进行钻孔注浆支护（沿垂直井筒方向打水平孔，孔深 12.5 m，每排 20 个，间隔 4 m） ，并在 1861
6、1847 段采取喷、锚支护。新白马 1#溜井于 2007 年 12 月 9 日投入试生产，试生产时严格控制入井矿石的块度，以不大于 500 46 2009 年第 32 卷第 5 期mm 的块矿为主组织生产。但在 2007 年 12 月 13 日即首次出现大块（块度 1.5 m 以上的块石） ，并夹杂大量钢筋等杂物，经统计从 2007 年 12 月 13 日至 2008 年 10 月 8 日输出大块 300 多块，钢筋等杂物 15 t，由于大量大块的不断冲击对溜井系统的底部结构造成了严重破坏，2008 年 2 月 2 日暂停使用并进行修复工作，同年 6 月 25 日圈梁修复完毕再次投入试生产。2
7、008 年 7 月 6 日发现井口货源未动，初步判定溜井发生高位堵塞。据计算溜井容积为 11 000 m3 左右，按货源比重 2.53 t/ m3，货源松散系数按 1.5 计，最低井存量应为 1.8万 t。至 2008 年 7 月 6 日，溜井入井矿量共计 46 630 t（其中，砂砾状风化矿 280 t，其余为微风化至弱风化块矿） ，输出矿石 663 车（每车按 90 t 计，合 59 670 t） ，入井矿量与输出量差 13 040 t（注：此时溜井仍有货源，但存量多少不能判断） 。后继续组织输出，至 2008 年 10 月 8 日溜井主矿仓放空，11 月 4 日经气球测量 1#溜井大致堵
8、塞于标高 1 857.6 m 处，距地表 328 m，距溜井主矿仓观测孔（1 647 m）处约 210 m，属于较罕见的溜井高位堵塞。2 新白马 1#溜井堵塞分析2.1 井筒筒壁破坏造成大面积坍塌导致大块堵井溜井的高位堵塞主要分为高位粉矿粘结堵塞和高位大块拱状堵塞，根据新白马 1#溜井所下物料和溜井地质资料分析，可基本断定 1#溜井属于高位大块拱状堵塞。地质资料显示该段为 IV 围岩，有 F12 断层穿过，并有破碎夹层带穿过，节理裂隙发育，结构较差。因此当溜井下矿时，地质条件较差地段的井筒极有可能在连续不断的矿石冲击下造成井壁岩体破坏产生坍塌，并在冲击的作用下这种坍塌沿着破碎地段扩大化，从而导
9、致大面积坍塌，最终随着井筒内堆积矿岩高度的增加导致的破坏力下降和破碎地段岩体强度的增高而结束，形成井口部位相当宽大而井底部较为狭窄的不规则圆锥形状，即所谓的“大肚子或大坛子”溜井。由于矿岩在井筒内是蠕动式下坠移动，当经过由宽变窄的井筒时，矿岩的移动方式就类似漏斗类的移动，块度大的下坠慢，块度小的移动快，时间一长，积累在由宽变窄的井筒处的 1 m3 及以上的大块越来越多，它们积结在一起，相互挤压形成拱顶，从而造成篷堵，如图 1 所示。2.2 施工中存在的问题从地质资料看 19701847 段均为 IV 围岩，矿体破碎，节理裂隙发育，有断层及破碎带穿过，结构图 1 1#溜井堵塞示意较差，地下水发育
10、，施工过程中对较破碎的18981871 段采取了钻孔注浆支护，其它段主要采取喷、锚、网支护，这些支护方式考虑了施工过程中的安全要求，并对井壁遭受撞击做了一定的保护设计，但设计时对溜井井壁连续遭受矿石冲击造成破坏的强度估计不够，在生产中，矿石不断撞击破碎地段造成井壁破坏，且破坏面逐渐扩大，形成大面积井壁坍塌。另外溜井在开始试生产时，即大量出现锚杆、钢筋、钢管等杂物，1 #溜井生产近一年半来溜井输出的废钢铁量约 15 t，并有大量锚杆连结着矿岩，这说明井筒的支护锚杆等被大量砸落。在 1#溜井施工尾期未对井筒井壁进行光滑处理和杂物回收，未对井筒内突出的锚杆进行割除，施工把关不严，当块度较大的矿岩连续
11、砸撞到突出的锚杆时，致使突出的矿岩及锚杆所锚固矿岩脱落，并使破坏面扩大，从而造成井筒的破坏。这是造成溜井发生堵塞的重要原因。2.3 生产使用中的问题新白马 1#溜井属于高深溜井，入井物料在自重作用下会对井壁造成极大的碰撞。为防止井壁主1980 1857.6主1960主 9F2主主矿仓F121980施工平硐1960 施工斜井17951857.6攀 钢 技 术 47被破坏，经研究在 2007 年 12 月 9 日 1#溜井试生产时先下 280 t 砂砾状风化矿以保护井下结构，后改下块度 300 mm 的微风化至弱风化块矿约 1.4 万 t 以保护井壁，并严格控制入井矿石的泥砂量防止发生溜井跑溜，后
12、大量改下块度在 500 mm 左右的块矿直至溜井填满。在此期间溜井每天按 2 组（2 000 t）组织输出，始终保持输出量小于入井量。从生产组织来看，所下矿石块度考虑到矿石对井壁的冲击，起到一定的保护作用，但从 2007 年 12月 13 日起溜井开始逐渐输出直径在 1.5 m 及以上的大块，这说明溜井在下矿初期就已经开始坍塌，入井矿岩对井壁的冲击破坏还是比较大，另外初次下矿时，溜井应尽量不输出或少输，待最短时间内将溜井填满后再组织输出，使溜井内的矿石与井壁的接触由撞击改为磨擦，降低入井矿石对井壁的破坏力度。3 溜井高位堵塞处理方案及实施3.1 方案对比及选择溜井高位堵塞的处理方法主要有溜井取
13、料法、巷道掘进法、地质钻孔法、爆破法等几种处理方案，一般同时准备几种方案，根据实际情况选用。各方案对比见表 1。经过认真比选，根据新白马 1#溜井的特点，选定氢气球吊药包爆破作为首选方案，地质钻孔作为备用方案。表 1 溜井堵塞处理方案对比方案 处理原理 优点 缺点 实施意见溜井取料法 采取措施将溜井堵塞处上部的物料取出，再进行处理 不破坏溜井结构，处理可靠性高 安全风险极大，处理时间长 不选巷道掘进法选取与发生堵塞处相近水平的地表掘进巷道至堵塞处进行处理或利用已有的施工巷道，选择离堵塞处较近的巷道掘盲竖井至堵塞处进行处理安全性高，处理可靠性高，所掘巷道可重复使用投入成本高，处理时间长次选地质钻
14、孔法选取堵塞处较近的施工巷道，在堵塞处上方附近利用地质钻机钻一斜孔或直孔至堵塞处进行处理安全性高，处理时间短，投入较上 2 种方案低钻孔质量要求极高，施工过程中可变因素较多，不能重复使用次选爆破法 采取发射火箭弹爆破或用氢气球吊炸药包至堵塞处进行爆破处理 成本低，见效快，可多次处理 可靠性低，安全性差，携带炸药量有限 首选3.2 氢气球高空爆破实施高空气球爆破是通过施放携带炸药的氢气球，利 用 气 球 升 力 到 达 堵 塞 处 ， 然 后 引 爆 炸 药 进 行 处理 。实施过程中主要有以下几点要注意：在施放氢气球前要对井筒的滴水量、筒壁矿岩的稳定性进行观测判断，防止在施放过程中氢气球及炸药
15、被上方掉落石块砸破、砸响；要尽量使氢气球升到堵塞物的正下方，并紧密接触堵塞物，以使爆破的效果最好；从安全性方面考虑，氢气球高空爆破属于一次性处理方式，若炸药引爆则在短期内不能再次进行氢气球爆破处理；若炸药未引爆则在炸药回收过程中要采取充分的安全措施，因此，在施放氢气球前必须对氢气球、炸药及牵引绳索的连结进行认真确认，并对导爆管、雷管等爆破器材进行认真检查。气球直径选择要考虑两个因素即溜井井筒直径和气球升力要求计算所需，既要避免氢气球在上升过程中飞行不稳和被井壁突出物划破，又要达到升力的要求，同时合适的气球直径可保证气球正好升到溜井的井筒中心位。炸药量的选择。为确保堵塞处疏通成功，同时保护井壁不
16、被破坏，通过多次类似爆破实践，认为炸药量在 10 kg 以下较为合适。要避免氢气球在上升过程中由于气球头重脚轻导致氢气球调头上升的情况，使爆破效果降低，一般可考虑将炸药在气球上下两端布置。3.2.1 氢气球升力计算F 升 =F 浮 氢气球的自重F 浮 = 浮 V 球 浮 （43 ）R 其中 F 浮 是氢气球的浮力 ,kg；V 球 是氢气球的体积，m ； 浮 是氢气的浮力，在标准状态下 1 升氢气的质量是 0.0899 g，1 升空气的质量是 1.293 g 48 2009 年第 32 卷第 5 期，则每升氢气的浮力是 1.293 0.0899 =1.2031 g，可近似为 1.2 g,即每立方
17、米的氢气的浮力是 1.2 kg。当选取直径为 3 m 氢气球，氢气球自重为 3 kg，则氢气球升力为：F 升 =F 浮 氢气球的自重=16.93=13.9 kg3.2.2 实施过程为确保氢气球能顺利升到堵塞高度，同时保证炸药爆破能量对周围矿岩不产生大的破坏，通过计算，并充分考虑各种因素选取直径为 3 m 的氢气球，在氢气球上部安装 5.4 kg 矿山乳化炸药，下部安装 3 kg 矿山乳化炸药，合计炸药 8.4 kg，通过导爆管和牵引绳连结（导爆管及牵引绳均长度为210 m 即堵塞处到主矿仓检查天井高度，重约 3 kg） ，采取毫秒微差雷管起爆，使气球升到堵塞处，并与堵塞物料紧密接触后引爆，引爆
18、方式见图 2。图 2 1#溜井高空爆破示意爆破工作于 2008 年 12 月 30 日完成，此次爆破并未直接将堵塞处贯通，但在主矿仓内观测到溜井内由以往的不掉碴变为不断掉碴，滴水量由以往的较少变得大量滴水，据统计从 2008 年 12月 30 日至 2009 年 3 月 27 日累计掉碴约 300 t，掉碴以细碴为主，个别有中度岩块。随后又组织了几次气球高空探测和爆破，均因堵塞处掉碴砸破氢气球而未成功。这说明此次高空爆破虽未直接贯通堵塞处，但对堵塞处物料的稳定性产生了破坏作用，打破了堵塞处物料的应力平衡，同时改变了堵塞处的水流方向，改变了矿岩整体结构和受力情况，加剧了堵塞处矿岩与井壁和矿岩间的
19、相互磨擦的力度，随着地下水的不断浸润，堵塞处矿岩不断发生挤压磨擦破坏，当这种破坏达到一定程度时，致使堵塞处的矿岩发生破碎从而坠落，最终使溜井贯通。可见，这次氢气球高空爆破对溜井最终于 2009 年 3 月 28 日贯通起到了决定性作用，从 2008 年 12 月 30 日爆破到 2009 年 3 月 28 日贯通，历时近 4 个月，处理时间相对其它方式较短，且处理成本低，见效快，未发生任何安全事故，故此次氢气球高空爆破处理方案基本成功。4 结语(1) 溜井的选址很重要。露天矿的溜井一般都是高深溜井，使用年限均长达几十年，因此，应尽量选在地质条件相对较好，断层和破碎带较少，岩体强度较高，地下水含
20、量较少的地段，当条件不允许时，应充分设计论证，对重点部位采取可行保障措施，尽量降低地质不利因素对溜井的影响。(2) 施工管理是关键。施工的最终目的是为了生产使用，要从保证生产需要的角度进行施工，强化施工中监管力度，严把施工质量关。对不稳定的地段要采取科学合理的支护手段，加强施工结束后现场清理和验收工作，保持井壁的光滑，使溜井施工结束即能投入正常生产。(3)溜井使用要科学。在高深溜井的初期使用时，一定制定详细合理使用方案，严格控制入井矿岩块度，在溜井快速填满后才能使用，做好使用观测纪录，并严格执行。溜井使用中要做到满井使用，使入井矿岩与井壁接触由砸撞改为磨擦，防止直接冲击井壁。严禁泥粉入井，防止
21、溜井“跑溜”或矿岩板结。溜井连续使用，避免间隔时间过长（48 h 以上） ，使溜井内矿岩保持运动状态，减少地下水积聚和矿岩板岩程度。加强溜井科学管理，注意观察溜井内的矿岩及流水变化情况，对流水量较大的出水点采取堵塞或引流方式，降低溜井内的水量，如在 1#溜井施工平巷中即设有抽水装置。 (4) 溜井高位堵塞处理要慎重。建设溜井的费用投入极高，当溜井发生高位堵塞时，要仔细研讨堵塞成因、论证处理方案，选取最佳处理方案、认真组织实施，处理过程时间较长，在此期间要保证良好的心态，不能急进。总之，溜井系统的使用应贯彻“预防为主，积1857.654.95 m 矿仓顶部47.5 m 检查平巷炸药包氢气球导爆索检查天井攀 钢 技 术 47极处理”的原则，为防止溜井出现故障，必须在溜井的设计、施工和生产管理等各个环节严格把关，这样才 能 保 证 溜 井 的 服 务 年 限 ， 为 企 业 创 造 更大 的 效 益 。 编辑 杨冬梅 收稿日期：2009-07-12
