光面爆破技術(shù)在過斷層巷道掘進的研究與應(yīng)用*

馬元磊，賀 鵬

(1.山東鋼鐵集團 萊蕪礦業(yè)有限公司，萊蕪 071100；2.山東科技大學(xué)，青島 266000)

萊蕪礦業(yè)有限公司谷家臺鐵礦位于山東萊蕪市，總資源量為5056.6萬t，TFe平均品位47.98%，設(shè)計采礦能力200萬t/年，采用機械化盤區(qū)下向進路膠結(jié)充填采礦法。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為中等復(fù)雜類型，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，最大涌水量為2.5萬m3/d，1999年7月12日，由于28A斷層區(qū)域掘進工程冒頂導(dǎo)致礦井突水發(fā)生淹井事故。

目前正在施工深部開拓工程，鑒于歷史上發(fā)生過透水事故，谷家臺鐵礦針對28A斷層區(qū)域的掘進工程，按照“冒頂即為事故”的風(fēng)險管控原則，制定了詳細的掘進工程施工方案和技術(shù)要求。

1 斷層破碎帶地質(zhì)概況

谷家臺鐵礦深部開拓工程施工至28A斷層區(qū)域多次發(fā)生冒頂現(xiàn)象，局部冒頂高度達到8～10 m，并伴有淋水。28A斷層破碎帶區(qū)域巖性為矽卡巖，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，厚度50～100 m，裂隙節(jié)理發(fā)育，整體穩(wěn)固性較差，蝕變程度強的較松軟，矽卡巖的物理力學(xué)特征如表1所示。

表1 矽卡巖物理力學(xué)特征表Table 1 Physical and mechanical characteristics of skarn

2 普通爆破掘進技術(shù)及其存在的問題

2.1 普通爆破掘進技術(shù)簡述

谷家臺鐵礦一直采用普通爆破掘進法施工。掏槽孔：桶型掏槽方式，孔數(shù)13個，孔深2.75 m，其中空眼4個，裝藥眼9個；輔助孔：孔數(shù)18個，眼深2.65 m；周邊眼：孔數(shù)16個，眼深2.65 m，采用φ32的藥卷，裝藥長度1.8 m，每眼裝藥量1.8 kg(6支φ32藥卷)，不間隔連續(xù)裝藥。槽炮爆破量31.19 m3，槽炮裝藥量96.3 kg，炸藥單耗為3.09 kg/m3。

2.2 普通爆破掘進技術(shù)存在的問題

采用的普通爆破掘進法的炸藥單耗較高，該技術(shù)爆破后頂幫的爆破面極不平整，浮石較多，支護難度較大，并且圍巖整體性受到破壞。在谷家臺鐵礦28A斷層區(qū)域應(yīng)用過程中，多次發(fā)生冒頂，冒頂后支護難度極大，錨網(wǎng)支護無法安全施工，多采用高壓注漿充填后重新掘進的施工方法渡過冒頂區(qū)域。高壓注漿充填工藝雖然能有效渡過冒頂區(qū)域，但是施工工藝繁多、進度緩慢、消耗水泥量大、成本極高，嚴重影響深部開拓工程的順利開展。

如何解決谷家臺鐵礦28A線斷層區(qū)域掘進爆破問題，避免大面積冒頂是當前深部開拓掘進工程順利開展的關(guān)鍵因素。因此，針對28A斷層區(qū)域制定了專門的光面爆破技術(shù)方案。

3 光面爆破掘進技術(shù)的參數(shù)選擇

光面爆破技術(shù)需要控制的關(guān)鍵參數(shù)是周邊孔間距參數(shù)和周邊孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]。

3.1 周邊孔間距參數(shù)的確定

(1)最小抵抗線為最外圈輔助孔與周邊孔的孔距[2],計算方法如式1所示

W=(10～20)×d

(1)

式中:W為最小抵抗線，mm；d為炮孔孔徑，mm。

(2)光爆周邊孔的間距與其最小抵抗線存在一定的比例關(guān)系[3]，計算方法如式2所示。

E=K×W

(2)

式中:E為周邊孔間距，mm；K為炮孔密集度系數(shù)，當K≥1時，孔距大于等于最小抵抗線，應(yīng)力波先到達臨空面破碎圍巖，高壓氣體隨之釋放到臨空面，炮孔間應(yīng)力波形成的裂縫未得到高壓氣體的氣楔作用將減少剝離量形成欠挖；當K≤0.8，兩炮孔應(yīng)力波破碎孔周邊圍巖后設(shè)計輪廓外形成超挖；一般0.8～1.0，巖石硬度大時取大值，較軟時取小值[4]。

通過以上兩個公式計算得出周邊孔間距E,一般取400～600 mm，較破碎時取小值，圍巖較完整時取大值。為保證巷道掘進表面的平整，避免超欠挖，周邊孔的孔口應(yīng)布置在設(shè)計巷道掘進斷面的輪廓線上，炮孔須稍向輪廓線外偏斜[5]，偏斜量不得>150 mm，炮眼深度應(yīng)控制其眼底在同一平面上。

根據(jù)谷家臺鐵礦的鑿巖設(shè)備、炮孔直徑、斷層區(qū)域圍巖物理力學(xué)特性，計算確定試驗周邊孔炮孔間距為400 mm。

3.2 周邊孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

(1)不耦合裝藥系數(shù)的選擇

不耦合裝藥指炸藥直徑小于炮孔直徑或者炸藥長度短于炮孔有效長度，炸藥與炮孔壁之間留有間隙的裝藥方式。目前地下礦巷道掘進光面爆破技術(shù)多采用空氣不耦合裝藥形式，空氣不耦合裝藥依據(jù)空氣與炸藥的相對位置又分為徑向不耦合裝藥(連續(xù)裝藥)和軸向不耦合裝藥(間隔裝藥)[6]。

徑向不耦合系數(shù)Kd是指炮孔直徑與藥包直徑之比，軸向不耦合系數(shù)Kl是指有效炮孔長度(扣除堵塞部分)與藥包累計長度之比[7]。金屬礦淺孔爆破工程施工過程中，徑向不耦合系數(shù)Kd一般取1～3，軸向不耦合裝藥Kl一般取2～5。

谷家臺鐵礦現(xiàn)有2#巖石乳化炸藥，根據(jù)其技術(shù)參數(shù)確定試驗周邊孔采用空氣不耦合裝藥方式，徑向不耦合系數(shù)Kd取值1.31(炮孔直徑42 mm，炸藥直徑32 mm)，軸向不耦合裝藥Kl取值2.87(炮孔有效長度2.15 m，藥包累計長度0.75 m)。

(2)裝藥結(jié)構(gòu)的選擇

合理的光爆裝藥結(jié)構(gòu)對周邊孔孔壁的破壞作用較小，有利于爆破沖擊波的均勻作用于孔壁，傳統(tǒng)的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)主要有3種形式：標準藥徑連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、標準藥徑間隔裝藥結(jié)構(gòu)、小直徑藥卷裝藥結(jié)構(gòu)[8]，如圖1所示。

標準藥徑連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)采用的藥卷直徑與炮孔直徑相當，屬于軸向不耦合裝藥方式。采用孔底裝藥、孔口堵塞的方式，藥包位于孔底，一段同時起爆，炸藥與炮泥之間為介質(zhì)(空氣或者水)間隔[9]。該裝藥方式的優(yōu)點是操作簡單、耗材較少，缺點是不耦合系數(shù)較小、炸藥集中段容易出現(xiàn)爆破破碎區(qū)、孔壁半孔成孔率較低。多用于炮孔深度小于2 m的巷道掘進工程。

標準藥徑間隔裝藥結(jié)構(gòu)采用的藥卷直徑與炮孔直徑相當，屬于軸向不耦合裝藥方式[10]。在炮孔內(nèi)藥卷分多組排布在炮孔內(nèi)，中間為介質(zhì)間隔，間隔距離大于殉爆距離時需采用導(dǎo)爆索相連或者采用相同段別雷管同時起爆。該裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是較續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)不耦合系數(shù)加大、炸藥分散布置、爆破沖擊破壞作用降低、孔壁成孔率明顯提高，缺點是耗材較多、操作繁瑣。井下礦山多采用此法，孔內(nèi)炸藥多分2～3段排布，采用導(dǎo)爆索或相同段別雷管同時起爆。

小直徑藥卷裝藥結(jié)構(gòu)采用小直徑藥卷，藥卷直徑小于炮孔直徑，屬于徑向不耦合裝藥方式，該方式在保證不增加裝藥線密度的提前下，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)裝藥。該裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是操作簡單、穩(wěn)定可靠、炸藥均勻分布、巖石粉碎破壞區(qū)較小、孔壁半孔率較高；缺點是對炸藥的傳爆性能要求較高，要求巖石乳化炸藥的直徑不得小于臨界直徑20～25 mm。

谷家臺鐵礦本次試驗采用的裝藥結(jié)構(gòu)為小直徑藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥分兩組分布于炮孔，間距0.7 m，采用兩發(fā)同段別雷管同時起爆。

4 光面爆破的應(yīng)用實例

4.1 應(yīng)用基礎(chǔ)參數(shù)

谷家臺鐵礦28A斷層位置巖石為矽卡巖，節(jié)理發(fā)育明顯，整體穩(wěn)定性差，巖石硬度系數(shù)變化區(qū)間較大，抗壓強度試驗測得硬度系數(shù)f=5～10；巷道開挖斷面4.2 m×3.9 m鑿巖設(shè)備采用HT82鑿巖臺車，孔徑φ42 mm，孔深2.75 m，采用2#巖石乳化炸藥和導(dǎo)爆管雷管爆破，炸藥性能技術(shù)指標如表2所示。

表2 2#巖石乳化炸藥性能技術(shù)指標Table 2 Performance index of 2 # rock emulsion explosive

4.2 光面爆破設(shè)計

根據(jù)光面爆破參數(shù)選擇方案，確定了谷家臺鐵礦光面爆破試驗爆破設(shè)計，并在谷家臺鐵礦進行多次試驗，炮孔布置如圖2所示。

(1)掏槽孔：孔數(shù)7個，采用菱形掏槽方式，孔深2.75 m，大孔徑φ76空孔3個用于提供較大自由面，裝藥孔4個，起爆順序1#～2#；裝藥長度2.1 m，每孔裝藥量2.1 kg(7支φ32藥卷)，堵塞炮泥0.5 m填實炮孔；1#孔采用ms1段雷管，2#孔采用ms4段雷管，延時間隔為75 ms。

(2)輔助眼：孔數(shù)19個，孔深2.65 m，起爆順序3#～6#。裝藥長度1.8 m，每眼裝藥量1.8 kg(6支φ32藥卷)，堵塞炮泥0.5 m填實炮孔；3#～6#孔分別采用ms9段、ms12段、ms14段、ms16段雷管，延時間隔分別為310 ms、550 ms、760 ms、1020 ms。

(3)周邊眼：25個(頂板13個，兩幫各6個)，孔深2.65 m，炮孔稍向輪廓線外偏斜，偏斜量100～150 mm，起爆順序7#；裝藥長度0.75 m，每孔裝藥量0.75kg(2.5支φ32藥卷)，裝藥結(jié)構(gòu)為小直徑藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥分為兩組，孔底裝藥1.5支φ32藥卷，中間位置裝藥1支φ32藥卷，間距0.7 m，炮孔孔口堵塞炮泥0.5 m；徑向不耦合系數(shù)Kd取值1.31(炮孔直徑42 mm，炸藥直徑32 mm)，軸向不耦合裝藥Kl取值2.87(炮孔有效長度2.15 m，藥包累計長度0.75 m)；考慮到導(dǎo)爆索成本較高，本次試驗采用孔內(nèi)同段別雷管同時起爆方式，采用2發(fā)雷管引爆孔內(nèi)兩組炸藥，使用ms18段雷管，延時間隔為1400 ms。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(4)底板孔：孔數(shù)7個，孔深2.65 m，起爆順序8#。裝藥長度2.1 m，每眼裝藥量2.1 kg(7支φ32藥卷)，堵塞炮泥0.5 m填實炮孔；8#孔采用ms20段雷管，延時間隔2000 ms。

4.3 試驗效果描述

(1)本次實驗炮孔總個數(shù)為58個，總裝藥量為74.25 kg，爆破進尺2.36 m，炮孔利用率達到89.1%，爆破方量35.72 m3，炸藥單耗為2.08 kg/m3，與普通掘進法對比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 技術(shù)指標對比表Table 3 Comparison of technical indicators

對比結(jié)果表明，光面爆破技術(shù)能夠有效地提高爆破進尺、炮孔利用率、槽炮爆破量，降低炸藥單耗。

(2)試驗爆破效果表明，該光面爆破設(shè)計方案爆破后半孔率達到85%，有效地減低爆破沖擊對巷道頂幫的破壞，保證了巷道開挖圍巖的整體性與完成性。爆破后作業(yè)現(xiàn)場半孔殘留如圖4所示。

5 光面爆破的推廣應(yīng)用改進經(jīng)驗

該光面爆破設(shè)計方案成功以后，在萊蕪礦業(yè)有限公司的多個礦山推廣應(yīng)用，進行了多個地點、多種礦巖條件反復(fù)多次試驗，并在推廣試驗過程中總結(jié)了應(yīng)用改進經(jīng)驗。

光爆技術(shù)根據(jù)圍巖性質(zhì)的不同，參數(shù)設(shè)計有所差異。在堅硬巖石中周邊孔孔距可以調(diào)整為50 cm或者孔距60 cm中間加導(dǎo)向孔，均能達到以上爆破效果。

周邊孔采用導(dǎo)爆索連接兩組炸藥，效果相差不大。但是消耗導(dǎo)爆索較多，相對于同段別兩發(fā)雷管分組方式成本并未降低，并且導(dǎo)爆索連接方式施工工藝相對繁瑣。

周邊孔炸藥分為三組，并采用導(dǎo)爆索連接，效果更佳。但是爆破成本顯著增加，周邊孔孔深2.65 m，單孔消耗導(dǎo)爆索成本3.38元。

6 結(jié)論

光爆技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)斷層巷道的爆破頂幫壁面平整，半孔率達到85%。

光爆技術(shù)降低爆破作用對圍巖的沖擊破壞，顯著提高圍巖整體性和穩(wěn)定性，解決了巷道冒頂問題，有效降低了過斷層巷道的支護量和支護難度。

通過合理炮孔布置優(yōu)化，尤其是掏槽布孔方式的調(diào)整，光爆技術(shù)能夠減少炸藥單耗、提高爆破進尺，降低爆破成本。