弓長嶺鐵礦巷道掘進(jìn)掏槽孔超深長度優(yōu)化試驗研究

楊仁樹 王 渝 宮國慧 趙 勇 左進(jìn)京 駱浩浩 鄭昌達(dá)

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083；4.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；5.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧鞍山114046）

礦山巷道掘進(jìn)是影響礦山生產(chǎn)效率的主要環(huán)節(jié)之一，其掘進(jìn)進(jìn)尺、掘進(jìn)效率等對后續(xù)施工工程效益具有重要影響。我國礦山巷道掘進(jìn)中鉆爆法依然是巖石井巷掘進(jìn)的主要工法之一，占比達(dá)到95%以上［1］。對于采取鉆爆法施工的掘進(jìn)巷道，爆破參數(shù)設(shè)計是能否實現(xiàn)安全、高效爆破的關(guān)鍵影響因素。

爆破掘進(jìn)進(jìn)尺的關(guān)鍵在于掏槽，如何提高炮孔利用率一直是諸多學(xué)者研究的重點。王忠康等［2］針對超大斷面硬巖巷道，提出了三級復(fù)式楔形掏槽方式，現(xiàn)場試驗取得了較高的炮孔利用率。張召冉等［3］提出了“二階二段”掏槽技術(shù)，通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場試驗，驗證了該技術(shù)在巖巷深孔掏槽爆破中具有良好的適用性。龔敏等［4］通過改變單孔裝藥量和設(shè)置中心眼來探究爆破參數(shù)對爆破效果的影響，優(yōu)化后的爆破方案在堅硬巖石巷道施工中取得了良好的效果。楊國梁等［5］提出了復(fù)式楔形深孔掏槽爆破方法，研究了該掏槽方式下應(yīng)力波的傳播規(guī)律，并將復(fù)式楔形掏槽爆破應(yīng)用于現(xiàn)場，取得了良好的爆破效果。單仁亮等［6-7］提出了準(zhǔn)直眼掏槽方式，通過理論分析、模型試驗并結(jié)合現(xiàn)場試驗，分析了新掏槽方式的良好應(yīng)用效果。郭東明等［8］將中心大空孔掏槽爆破技術(shù)應(yīng)用于益新煤礦巖巷掘進(jìn)中，現(xiàn)場試驗表明該技術(shù)應(yīng)用后顯著提高了巷道掘進(jìn)速度。楊國梁等［9］根據(jù)切縫藥包對爆炸能量的導(dǎo)向性，提出了采用切縫藥包進(jìn)行掏槽爆破，在實際工程應(yīng)用中取得了96.7%的炮眼利用率，驗證了“先切后掏”思路的可靠性。

基于上述成果分析可知，學(xué)術(shù)界對于掏槽優(yōu)化的研究主要集中在掏槽布孔方式改變上，對于掏槽孔超深長度的改變造成炮孔利用率變化這一問題的研究鮮有涉及。為了探尋掏槽孔超深長度與炮孔利用率的內(nèi)在關(guān)系，本研究基于弓長嶺鐵礦巷道掘進(jìn)開展現(xiàn)場試驗，以掏槽孔垂直深度作為單一變量，旨在尋求不同進(jìn)尺方案所對應(yīng)的合理掏槽孔垂直深度。

1 金屬礦山掏槽參數(shù)存在的問題

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，統(tǒng)計了部分金屬礦山與非金屬礦山爆破掘進(jìn)巷道的巖性特征強(qiáng)度、掏槽孔垂直深度、其他炮孔深度、掏槽方式、炮孔利用率等信息，結(jié)果如表1所示。

行業(yè)內(nèi)通常采用巖石堅固性系數(shù)f（即普氏系數(shù)）來描述巖石的力學(xué)特性。通過對表1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到表征巖石普氏系數(shù)與掏槽孔超深、炮孔利用率的關(guān)系示意圖（圖1）。由圖1可知：①金屬礦山巷道掘進(jìn)中巖石普氏系數(shù)f普遍為10～17，平均炮孔利用率基本維持在90%左右；對于煤礦而言，f值普遍小于10，平均炮孔利用率為92%左右；硬巖巷道相對于軟巖巷道爆破效率較低。②無論是金屬礦山還是非金屬礦山，巖性雖然不同，但是掏槽孔超深長度并沒有明顯改變。

為更加直觀地觀察掏槽孔超深分布范圍，對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：金屬礦掏槽超深長度基本保持在0.2 m及以下，占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的95.2%，極少超過0.2 m，占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的4.8%。

炮孔深度（本研究指非掏槽孔深度）對于巷道掘進(jìn)的影響至關(guān)重要。通過圖3可以看出，隨著年代的變化，炮孔深度由20世紀(jì)90年代的1.3～1.6 m穩(wěn)步提升。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著礦產(chǎn)資源需求的不斷提高，中深孔技術(shù)的探索以及井下生產(chǎn)過程中鑿巖設(shè)備的推廣應(yīng)用，炮孔深度逐漸提高，2010年以來，炮孔平均深度達(dá)到2.5 m以上，最高甚至達(dá)到3.8 m，說明中深孔爆破是歷史發(fā)展的必然趨勢。但是掏槽孔超深長度始終維持在0.2 m及以下，其合理性有待商榷，因此探討掏槽孔深度與炮孔利用率的關(guān)系是必要的。

2 掏槽孔超深優(yōu)化現(xiàn)場試驗

為探討金屬礦山巖石巷道掏槽孔合理超深范圍對炮眼利用率的影響，本研究在弓長嶺鐵礦+140 m水平某采礦巷道進(jìn)行了兩種進(jìn)尺的現(xiàn)場爆破試驗。

2.1 工程概況

弓長嶺鐵礦+140 m水平某采礦巷道巖性以鐵礦石、綠泥巖為主，不同巖石有明顯的分界面。巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道寬3.4 m、高3 m（墻高2 m、拱高1.4 m），凈斷面面積為9.6 m2。鑿巖設(shè)備采用7655氣腿式鑿巖機(jī)，炮眼直徑為40 mm，雷管采用礦用半秒導(dǎo)爆管雷管，炸藥采用二級巖石乳化炸藥。爆破方案采用楔直復(fù)合掏槽全斷面一次起爆。

2.2 鐵礦石巖石物理力學(xué)特性

回采巷道巖性以鐵礦石為主，鐵礦石普氏系數(shù)f為22～26，屬于特別堅硬的礦石。巖性對爆破效果的影響較大，鐵礦石的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

2.3 試驗方案

2.3.1 輔助孔和周邊孔深1.8 m試驗方案（方案1）

根據(jù)鐵礦石力學(xué)性能參數(shù)、回采巷道斷面大小、鑿巖機(jī)類型、雷管及炸藥性質(zhì)等因素采用楔直復(fù)合掏槽，布置4對楔形掏槽孔和3個中心孔（圖4）。輔助眼及周邊眼深1.8 m，掏槽孔垂直超深分別為0、100、200、300、400 mm，共設(shè)計了5組試驗方案。掏槽眼及輔助眼裝藥系數(shù)為1，周邊孔采用空氣間隔裝藥。楔形眼采用一段雷管，中心眼采用二段雷管。

2.3.2 輔助孔和周邊孔深2.0 m試驗方案（方案2）

在相鄰巷道（巖性、斷面大小基本一致）設(shè)計了周邊孔和輔助孔深為2 m的掘進(jìn)方案，通過改變掏槽眼超深（0、100、200、300、400、500 mm），共進(jìn)行了6組試驗。具體爆破方案參數(shù)取值如表3所示。

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 方案1

輔助孔和周邊孔孔深為1.8 m時，對0～400 mm范圍內(nèi)掏槽超深變化的5組爆破試驗結(jié)果分析（圖5、表4）可知：相比于掏槽超深200 mm，小于此超深時，炮眼利用率明顯減小，實際單循環(huán)進(jìn)尺最低減少到1.52 m；大于此超深時，炮眼利用率顯著提高，但是存在一個臨界值，炮眼利用率不再明顯提高，即炮眼利用率最高為97%，實際單循環(huán)進(jìn)尺最高達(dá)到1.75 m。

2.4.2 方案2

對單循環(huán)進(jìn)尺為2 m的6組爆破試驗結(jié)果（圖6、表5）進(jìn)行分析可知：隨著超深從0 mm提高到500 mm，炮眼利用率從80%提高到95%，實際單循環(huán)進(jìn)尺從1.6 m提高到1.9 m，增加了0.3 m；超深400 mm時，曲線出現(xiàn)類似拐點，即合理超深范圍為400～500 mm。

2.4.3 討論

根據(jù)上述試驗分析可知，單循環(huán)進(jìn)尺1.8 m、2.0 m分別對應(yīng)合理超深為300 mm、400 mm，即合理的爆破方案中掏槽孔垂深分別為x1+300 mm，x2+400 mm（x1、x2分別為單循環(huán)進(jìn)尺1.8 m和2.0 m）。綜合上述試驗結(jié)果，可以推斷采用鉆爆法掘進(jìn)巷道時，當(dāng)輔助孔和周邊孔孔深為x時，掏槽孔對應(yīng)孔深為y，存在最優(yōu)掏槽孔超深系數(shù)η，使得炮眼利用率最高。此時掏槽孔與其它炮孔孔深的函數(shù)關(guān)系可表示為

y=(1+η)x.

本研究試驗表明：η取值范圍為0.17～0.2。針對同一巖性、進(jìn)尺，當(dāng)超深系數(shù)變化時，掏槽角度以及槽腔體積也會隨之改變，3個變量相互之間存在一定關(guān)系，因此超深系數(shù)η同樣是影響炮眼利用率一項本質(zhì)的變量。

3 結(jié)論

本研究結(jié)合20世紀(jì)90年代以來金屬礦山巷道掘進(jìn)爆破的相關(guān)研究成果，重點探討了隨著年代變化爆破設(shè)計中掏槽超深與進(jìn)尺、巖石堅硬系數(shù)的關(guān)系，并結(jié)合弓長嶺鐵礦巖石巷道爆破現(xiàn)場試驗，得出以下結(jié)論：

（1）隨著巷道掘進(jìn)工程量不斷擴(kuò)大，無論是金屬礦山還是非金屬礦山巷道掘進(jìn)，雖然炮孔深度逐漸增大，但是掏槽孔超深并沒有改變，基本保持在200 mm及以下。

（2）針對同一巖性、進(jìn)尺，當(dāng)炮孔深度保持一定時，對應(yīng)一個合理的掏槽孔超深范圍。本研究現(xiàn)場試驗炮孔深度分別為1.8 m和2.0 m，對應(yīng)的合理超深分別為300 mm和400 mm，并非爆破行業(yè)傳統(tǒng)理念中的掏槽孔超深200 mm，炮孔利用率分別較掏槽孔超深200 mm時提高了5.4%和10%。

（3）針對掏槽孔超深與炮孔利用率這一問題，引入了超深系數(shù)η概念，存在最優(yōu)掏槽孔超深系數(shù)η，使得炮眼利用率最高。當(dāng)掏槽孔超深系數(shù)大于對應(yīng)的最優(yōu)系數(shù)時，炮孔利用率基本不會改變；當(dāng)掏槽孔超深系數(shù)小于對應(yīng)的最優(yōu)系數(shù)時，炮孔利用率無法實現(xiàn)最優(yōu)取值。