中深孔爆破技術(shù)在大斷面硐室施工中的應(yīng)用

宋肖杰

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司)

·采礦工程·

中深孔爆破技術(shù)在大斷面硐室施工中的應(yīng)用

宋肖杰

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司)

某鐵礦電機車維修硐室寬7.4 m，高9.275 m，采用傳統(tǒng)方法施工此類大斷面硐室存在施工難度大、效率低、工期長等問題。根據(jù)礦山地質(zhì)情況，結(jié)合以往硐室開挖和中深孔爆破經(jīng)驗，采用分步爆破法施工。結(jié)果表明：中深孔爆破運用于大斷面硐室施工安全可行，硐室成形質(zhì)量好，在施工進度和成本方面優(yōu)勢明顯，對類似工程具有較好的借鑒意義。

大斷面硐室 中深孔爆破 分步爆破 施工組織

硐室施工與普通巷道相比，具有斷面大、質(zhì)量要求高的特點。硐室服務(wù)年限長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形態(tài)各異。硐室圍巖受力狀況較復(fù)雜，地壓應(yīng)力集中，在施工過程中還要經(jīng)受多次擾動，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和襯砌結(jié)構(gòu)開裂與破壞現(xiàn)象，增加了施工難度。根據(jù)硐室的斷面尺寸和圍巖穩(wěn)定性，常用的井下硐室施工方法有3種：全斷面施工法、分層施工法和導硐施工法[1-4]。硐室施工的發(fā)展過程中，也涌現(xiàn)了導硐臺階聯(lián)合法等更適用于現(xiàn)場實際的施工方法[5]。但是，以上方法在大硐室施工時均有局限性，主要體現(xiàn)為施工難度大，效率低，施工工期長[6]。為加快施工進度、縮短井建周期，根據(jù)硐室設(shè)計規(guī)格及以往經(jīng)驗，在深入研究中深孔爆破原理的基礎(chǔ)上，針對電機車修理硐室采用YGZ-90中深孔鉆機鑿巖，分部深孔爆破法施工，附屬硐室掘進采用淺眼鉆爆法，光面控制爆破，取得了預(yù)期的效果。

1 工程概況

七角井鐵礦位于甘肅省肅北縣蘭新鐵路柳園火車站東北方向50 km處，該區(qū)山脈走向近東西分布，海拔標高在2 300～2 500 m。巖石主要為下寒武統(tǒng)底礫巖和中震旦統(tǒng)含絹云母石英片巖，礦巖穩(wěn)固性好，f=10～12。礦房主要為磁鐵礦，呈黑灰—灰褐色，塊狀，中粗粒他形，半自形粒狀集合體，部分呈良好的自形晶，礦體結(jié)構(gòu)較簡單。

電機車修理硐室位于2 150 m中段，硐室為1/4B三心拱，長40.3 m,設(shè)計規(guī)格為7.4 m×9.275 m(寬×高)，掘進方量為2 642 m3。電機車修理硐室內(nèi)設(shè)有休息室、備件庫1、備件庫2、材料室，均為1/3B三心拱；休息室、備件庫1斷面規(guī)格均為4.2 m×3.303 m(寬×高)，分別長5.1，4.1 m；備件庫2斷面規(guī)格為5.2 m×3.967 m(寬×高)，長10.1 m；材料室斷面規(guī)格為3.2 m×3.3 m(寬×高)，長4.1 m；硐室內(nèi)還有20 m×1.9 m×1.55 m(長×寬×深)的檢修坑，掘進方量為48.22 m3。具體掘砌工程量見表1。

表1 電機車維修硐室工程量

2 施工方案

2.1 施工設(shè)備

施工設(shè)備有2臺YGZ-90中深孔鉆機、3臺YT-28鉆機、1臺2 m3鏟運機、3臺15 t自卸式卡車、1臺噴漿機。

2.2 硐室工程布置

電機車兩側(cè)通道在硐室里貫通后，將其作為中深孔爆破的切割巷，在硐室中間反掘一條天井至硐室拱頂；貫通的巷道兩側(cè)布置3個附屬硐室：休息室、備件庫和材料室，3條附屬硐室通道即為中深孔鑿巖巷。拉槽中深孔布置在天井兩邊。正常爆破中深孔在休息室、備件庫、材料室聯(lián)巷中鉆鑿，硐室兩側(cè)各布置2排中深孔。電機車維修硐室相關(guān)工程及中深孔布置見圖1。

圖1 電機車維修硐室工程及中深孔布置

2.3 施工順序

施工順序：硐室內(nèi)切割巷和鑿巖巷及附屬硐室掘進→切割天井反掘→切割槽中深孔及正常爆破中深孔打眼→切割槽中深孔及正常中深孔分部、分次、分排爆破→登渣自上而下錨噴施工及分次出渣→中深孔爆破后遺留在硐室底板上的巖石平臺體施工→檢修坑掘砌→硐室混凝土底板及軌道預(yù)埋安裝。

2.4 施工方法

電機車修理硐室兩側(cè)的通道掘至硐室位置處，斷面不變，繼續(xù)向前掘進直至貫通，作為硐室爆破的拉槽巷道，在拉槽巷道的中間部位反掘一條2 m×2 m 的天井至硐室頂板作為切割天井。在貫通的巷道內(nèi)，采用手抱鉆直接施工電機車修理硐室里的附屬硐室(休息室、備件庫1、備件庫2和材料室)，分布在硐室兩端的材料室和休息室施工到位后，還需向?qū)γ媸┕ぶ敝另鲜业牧硪贿厧?，邊幫以里按?.5 m×1.5 m×1.0 m(寬×高×深)施工2個措施小洞(以后用毛石砌筑封死、復(fù)原)以容納、放置中深孔鉆機底盤，施工完的3條橫向巷道作為鑿巖爆破巷道。為了保證硐室兩側(cè)端墻平整，在橫向鑿巖巷道內(nèi)布置中深孔時，在兩側(cè)各預(yù)留1.5 m厚巖體，在硐室兩側(cè)通道入口處的端墻位置各布置一排中深孔，最后爆破。

3 施工組織

3.1 切割巷、鑿巖巷及附屬硐室的施工

切割拉槽巷道和鑿巖巷道采用普通全斷面一次性爆破，每循環(huán)進尺2.2 m。

休息室、備件庫、材料室采用光面爆破，超前小導硐掘進，二次刷擴成型。光爆眼間距嚴格控制在600 mm以內(nèi)，巖性不好時，適時增加光爆眼數(shù)量。

以上巷道的施工均采用2 500和4 200 mm長的中空六棱型鉆桿，配φ40 mm的一字型鉆頭，人工打眼。藥卷規(guī)格為φ32 mm×200 mm×200 g。采用電容式起爆器起爆,半秒延期非電塑料導爆雷管。

3.2 切割天井施工

切割巷、鑿巖巷及附屬硐室施工完畢后，采用托鉤法反掘切割天井。切割天井反掘高度超出硐室拱頂0.2 m，以確保拉槽高度不小于設(shè)計硐室高度并保證后續(xù)正常排中深孔爆破的高度不小于設(shè)計硐室高度。

3.3 中深孔鑿巖爆破

3.3.1 爆破參數(shù)

拉槽中深孔參數(shù)：孔徑為55 mm，排距為1 m，孔底距為1 m，采用垂直平行孔布置。

正排中深孔參數(shù)：孔徑為55 mm，排距為1.425 m，孔底距為1.5 m，采用垂直扇形布置，邊孔角為5°。

孔口不裝藥長度采用交錯結(jié)構(gòu)，中深孔的平均裝藥系數(shù)為0.8。裝藥密度為0.95 g/cm3，裝藥量為2.26 kg/m。

3.3.2 鑿 巖

拉槽中深孔以天井為中心，向兩邊布置。天井邊2排孔距天井的邊界0.8 m，后面排距均為1 m。正常爆破中深孔在休息室、備件庫、材料室聯(lián)巷中鉆鑿，硐室兩側(cè)各布置2排中深孔，前排(第一、第三排)距拉槽的邊界1.425 m，后排(第二、第四排)距前排孔1.425 m。在兩端墻設(shè)計邊界線上分別布置一排中深孔(第五、第六排)，保證硐室兩側(cè)端墻的成型質(zhì)量。中深孔設(shè)計見圖2。

圖2 中深孔設(shè)計剖面(單位：m)

為防止中深孔爆破后，硐室寬度、長度和拱部高度出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，四周邊墻正常排中深孔的排面位置超出硐室邊墻0.15 m，所有中深孔的深度均要超出所在硐室拱部輪廓0.2 m。

中深孔施工采用2臺YGZ-90型鉆機。先施工拉槽中深孔，再施工硐室內(nèi)的正常中深孔，最后施工兩端墻中深孔。

3.3.3 爆 破

3.3.3.1 裝 藥

采用散裝膨化硝銨炸藥，起爆彈使用φ32 mm×300 mm×200 g乳化炸藥，切割槽炮孔的裝藥系數(shù)為0.9，正排炮孔的裝藥系數(shù)平均達到0.85，同排相鄰炮孔裝藥系數(shù)采用0.9、0.8交替裝藥，即前排對應(yīng)的炮孔裝藥系數(shù)為0.8，而后排炮孔對應(yīng)的炮孔裝藥系數(shù)則為0.9。

3.3.3.2 起 爆

采用毫秒微差分段爆破法，每排孔均使用同一段雷管，排間采用毫秒延期雷管，逐排起爆。每孔內(nèi)裝入2發(fā)非電毫秒延期導爆管雷管和全長導爆索，導爆索伸出孔外0.2～0.4 m，單排導爆索在孔口連接，起爆雷管裝在孔底位置。

3.3.3.3 爆破順序

首先進行切割槽中深孔爆破，隨后進行正排中深孔爆破。具體步驟：

(1)切割槽中深孔爆破以切割天井為最初自由面向硐室兩端后退式進行，每次爆破4排，分9次完成爆破，隨后將崩落的廢碴出凈。

(2)正排第一次爆破為第一排炮孔，爆破后將爆破崩落的廢碴出凈。

(3)正排第二次爆破分3段，第一段為正排第二排炮孔，第二段為正排第三排炮孔，第三段為正排第四排炮孔。

(4)正排第三次爆破主要有硐室兩端的正排第五、第六排炮孔，可采取分次起爆，也可以一次起爆。

3.4 出 碴

采用鏟運機裝載、汽車運輸，汽車停在斜坡道電機車修理硐室聯(lián)巷開口處的調(diào)車硐，利用2 m3鏟運機將廢石碴直接裝入汽車，通過斜坡道拉出，排到地表廢石場。

3.5 支 護

采用150 mm厚的C20噴射混凝土、φ20 mm×2 500 mm×800 mm的砂漿錨桿錨噴支護。對碴石平臺進行平整和硐室頂部及墻部撬毛作業(yè)后，利用各部分最后一次爆破預(yù)留碴石作為平臺，先對硐室頂部及上部墻部進行錨噴和上部行吊鋼柱固定錨桿進行施工。頂部及上部墻部支護作業(yè)完成后，逐量排出硐室內(nèi)碴石，以不同時期的碴石堆為作業(yè)平臺進行硐室中部墻部的支護工作。出凈碴石后再進行硐室下端墻部及底部的噴錨支護，最后進行附屬硐室錨噴支護作業(yè)。

4 技術(shù)經(jīng)濟指標對比

同一個硐室，支護區(qū)域和支護形式也一樣，采用不同開挖方法的直接成本比較見表2。

表2 不同開挖方法直接成本比較

由表2可知，中深孔開挖較普通法直接成本節(jié)省248 248元，成本降低67%。

除去硐室支護時間，硐室開挖工期比較見表3。

表3 硐室開挖工期比較 d

方法下導硐施工天井施工中深孔施工中深孔爆破上部導硐施工刷擴中深孔開挖15286普通法1561540

由表3可知，傳統(tǒng)的硐室施工方法掘進小斷面巷道后需開幫、挑頂或臥底，施工進度慢，從鑿巖爆破、出碴到支護成形，整個過程耗時2.5～3個月。中深孔一次爆破方量大，硐室施工周期可控制在一個月以內(nèi)，可縮短工期1.5～2個月,工期上優(yōu)勢明顯。

中深孔爆破規(guī)模較大，對鉆孔施工質(zhì)量要求高，容易造成超挖和欠挖現(xiàn)象，難以控制硐室頂板和四周輪廓。為保證硐室拱部和四周端墻的成形質(zhì)量，對中深孔排面及孔深進行了細致研究,并做了詳盡合理的設(shè)計，現(xiàn)場作業(yè)嚴格按照設(shè)計要求施工。施工效果顯示，基本按設(shè)計輪廓崩落硐內(nèi)巖石，邊墻和頂板成形質(zhì)量良好，未出現(xiàn)明顯的超挖和欠挖現(xiàn)象。硐室成形質(zhì)量見圖3。

圖3 中深孔爆破效果

5 結(jié) 語

中深孔爆破作為一種大規(guī)模采場落礦方式應(yīng)用于硐室施工，是一次大膽的探索和創(chuàng)新。本次硐室施工效果表明，該爆破方法安全可行，對硐室成形質(zhì)量具備一定的保障。與傳統(tǒng)的硐室開挖方法相比，在施工進度和成本方面優(yōu)勢明顯，可在類似礦山大斷面硐室施工中加以借鑒和推廣。在方案設(shè)計和現(xiàn)場施工上必須做好以下幾點:

(1)爆破參數(shù)決定了中深孔爆破效果和硐室拱幫成形質(zhì)量，必須深入研究并做合理科學設(shè)計，保證炸藥單耗符合巖石特性，排面布置匹配硐室輪廓。

(2)地下大硐室開挖順序極為重要，其影響硐室圍巖應(yīng)力分布和頂板邊幫損壞程度，應(yīng)綜合考慮施工安全、方便、成形質(zhì)量等多方面因素對施工順序做統(tǒng)籌安排。

(3)加強施工過程管理，做好勞動組織安排。督促現(xiàn)場工人嚴格按照擬定爆破參數(shù)保質(zhì)保量完成鑿巖裝藥等工序，并謹遵設(shè)計方案科學有序施工。

(4)頂板和邊墻支護是大斷面硐室中深孔爆破的難點，是保證硐室施工安全推進的重要環(huán)節(jié)。如何實現(xiàn)頂板、邊墻的安全支護，利用硐內(nèi)碴石作為支護作業(yè)平臺，都要從實際出發(fā)，大膽構(gòu)想，小心求證。

[1] 張書城.煤炭硐室施工技術(shù)的發(fā)展[J].建井技術(shù)，1995(4)：26-27.

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Application of the Medium-length Hole Blasting Technology in the Large Section Chamber Construction

Song Xiaojie

(JCHX Mining Management Co.,Ltd.)

There is an electric locomotive maintenance cavern in an iron mine, which its width and height is 7.4 m and 9.725 m, and it would be of high difficulty, low efficiency and long duration by adopting classical construction method. According to the geological conditions of the mine, combing with the experiences of cavern excavation and medium-length hole blasting, the step-by-step blasting method is used to conduct the chamber construction. The results show that the medium-length hole blasting method is suitable to the large section chamber construction, the chamber forming quality is good, the construction schedule and cost of the medium-length hole blasting method is superior to others, it has reference for the similar projects.

Large section chamber, Medium-length hole blasting, Step-by-step blasting, Construction organization

2015-05-21)

宋肖杰(1980—)，男，工程師，101500 北京市密云經(jīng)濟開發(fā)區(qū)水源西路28號。