硬巖巷道中深孔爆破掘進技術試驗研究

李強強

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

中深孔爆破技術由于其施工效率高、炸藥單耗低、爆破成本低等優(yōu)點，在巷道掘進中被廣泛應用[1-4]。但在硬巖巷道中應用時，中深孔爆破技術存在著炮孔利用率低、“沖炮”現(xiàn)象嚴重、炸藥單耗較高等問題，為克服以上問題，實現(xiàn)硬巖巷道快速施工，許多學者通過分析硬巖巷道特點，優(yōu)化爆破參數(shù)，提出因地制宜的爆破方案。文獻[5]采用單式楔形掏槽，通過理論計算，結合前期施工經驗，確定掏槽參數(shù)、炮孔深度等爆破參數(shù)，取得了優(yōu)良的爆破效果；文獻[6]采用大孔徑空孔直眼掏槽，利用空孔提供補償膨脹空間，同時提供第二自由面，使得炮孔利用率及爆破進尺大大提高；文獻[7]探索了三級楔形掏槽，使得槽腔成型效果進一步提高；文獻[8]采用垂直雙楔形掏槽，同時控制合理延期時間，在煤礦硬巖巷道取得了較好的經濟技術效果。以上研究成果一定程度上解決了硬巖巷道爆破掘進存在的問題，但所作研究缺乏系統(tǒng)性，未能從整體上對比各個爆破方案，因此，對其他工程借鑒有一定局限性。本文通過研究不同的爆破方案，尤其是不同的掏槽布置形式，并在實際施工中進行試驗，對比其爆破效果，分析各爆破方案的優(yōu)缺點，以期對中深孔爆破方案做系統(tǒng)性闡述。

1 工程概況

某煤礦運輸巷道埋深-352 m，長510 m。巷道所穿過的巖石為砂巖，塊狀堅硬，普氏系數(shù)f=10～12，屬于硬巖巷道。巷道內淋水較少，無瓦斯。斷面形狀為直墻拱形，支護形式為錨噴支護。巷道掘進跨度5.4 m，高度3.7 m，其中墻高1.3 m，掘進斷面積17.3 m2。施工現(xiàn)場使用毫秒延期電雷管，雷管段別Ⅰ～Ⅴ；炸藥為PT473水膠炸藥，規(guī)格為D27 mm×400 mm，每卷重335 g；鑿巖機為YT28型氣腿式鑿巖機。本工程采用中深孔光面爆破，單循環(huán)進尺設定為1.8 m。

2 爆破方案設計

巷道爆破時，僅有工作面一個自由面，巖石夾制作用大，首先起爆的掏槽為后續(xù)其他炮孔爆破提供了第二自由面和膨脹空間，因此，掏槽爆破直接決定整個斷面爆破效果[9]。目前，掏槽形式主要有直眼掏槽、楔形掏槽和混合掏槽[10]，其中楔形掏槽又分為單式楔形掏槽和復式楔形掏槽。對于現(xiàn)有氣腿式鑿巖設備而言，硬巖巷道鉆孔速度慢，而直眼掏槽比鉆孔大，進一步增加爆破耗時。同時，對于中深孔爆破而言，直眼掏槽常常需要布設大直徑中空孔，氣腿式鑿巖機無法完成，需要其他大型鑿巖設備。因此，實際應用中更側重于楔形掏槽。本文重點對楔形掏槽方式進行研究，設計了3種不同爆破方案，因掏槽爆破起決定性作用，故3種爆破方案除掏槽形式差別較大外，輔助孔及周邊孔爆破參數(shù)差別不大。

2.1 掏槽參數(shù)

本文結合文獻[5-8]所使用掏槽類型，設計了3種不同掏槽：單式楔形掏槽、雙楔形復式掏槽和混合掏槽。其中，混合掏槽是指在雙楔形復式掏槽基礎上，于掏槽中心增設3個直眼，在直眼中裝填炸藥，使其同第二層楔形掏槽一同起爆。

1) 掏槽孔炮孔深度。本工程爆破循環(huán)進尺為1.8 m，炮孔利用率取90%，故除掏槽孔外其他炮孔深度為2.0 m。掏槽孔炮孔深度應大于其他炮孔深度200～300 mm，本工程取2.2 m。

2) 掏槽孔間排距及傾角。楔形掏槽孔間排距大多依照經驗取值，尚未有很好的理論計算[7]。炮孔傾角根據(jù)臺階爆破理論可知，取值范圍60～75°。本工程3種掏槽形式的掏槽孔間排距及傾角參數(shù)見表1。

3) 掏槽孔裝藥量。 掏槽孔裝藥量依據(jù)公式(1)確定：

(1)

式中：Q為單個槽孔裝藥量，kg；S為槽腔平均橫斷面積，m2；Lb為炮眼長度，m；N為裝藥掏槽眼數(shù)；q為炸藥單耗，kg/m3，楔形掏槽經驗取值范圍為6～10 kg/m3。

根據(jù)公式(1)計算可得除雙楔形復式掏槽第一層掏槽孔裝藥量為0.335 kg(1卷炸藥)，其他掏槽孔裝藥量均為1 kg(3卷炸藥)。具體見表1。

表1 不同掏槽形式的間排距及炮孔傾角參數(shù)

2.2 周邊孔參數(shù)

周邊孔決定巷道成型質量[11]。周邊孔的2個重要參數(shù)為周邊孔間距和光爆層厚度。

1) 周邊孔間距。合理的周邊眼間距應保證炮眼間貫通裂隙完全形成[2]。周邊孔間距E=(10～18)D，其中D為炮孔直徑。硬巖巷道E取值較小。本工程中鑿巖機械使用氣腿式鑿巖機，炮孔直徑為32 mm，則周邊孔間距E為320～576 mm。又因為巷道圍巖普氏系數(shù)f為10～12，根據(jù)前期施工經驗，E取值為350 mm。

2) 光爆層厚度。光爆層厚度即為周邊孔最小抵抗線W。周邊眼間距E與周邊孔最小抵抗線W比值(即E/W)稱為周邊眼密集系數(shù)K。K一般取0.7～1.0，硬巖巷道取值較大。根據(jù)現(xiàn)有施工經驗，當圍巖普氏系數(shù)f為10～12時，K取值為0.85。為方便炮孔標注，本工程光爆層厚度取值400 mm。

根據(jù)上述分析，3種爆破方案的周邊孔參數(shù)均為：周邊孔間距E為350 mm；光爆層厚度W為400 mm，單孔裝藥量為0.5 kg(1.5卷炸藥)。

2.3 輔助孔參數(shù)

輔助孔介于掏槽孔與周邊孔之間，主要作用為擴大掏槽和為周邊孔爆破成型創(chuàng)造條件。為完成單循環(huán)進尺1.8 m，輔助孔炮孔深度設計為2.0 m。根據(jù)已有研究[12]，鄰近周邊孔的輔助眼一般應比周邊眼間距大100～200 mm。本工程取值500 mm。其他輔助孔間距為450～600 mm。輔助孔起爆時，有掏槽創(chuàng)造出的第二自由面，故輔助孔單孔裝藥量小于掏槽孔，同時，輔助孔炮孔間距大于周邊孔，其裝藥量又大于周邊孔，因此，本工程輔助孔單孔裝藥量為0.67 kg(2卷炸藥)。

2.4 爆破方案

本工程斷面尺寸較大，故分2次爆破。3種爆破方案爆破參數(shù)主要區(qū)別在于掏槽形式，即第1次爆破區(qū)域(直墻區(qū)域)各爆破參數(shù)有區(qū)別，而第2次爆破區(qū)域各爆破參數(shù)相同。圖1為3種爆破方案第2次爆破區(qū)域炮孔布置，表2為其對應爆破參數(shù)。圖2、圖3和圖4分別為3種爆破方案第1次爆破區(qū)域各個炮孔的布置，對應的爆破參數(shù)見表3，表4和表5。3種爆破方案單循環(huán)使用炸藥總量分別為：58.96 kg、60.3 kg和63.315 kg。

圖1 3種爆破方案第2次爆破區(qū)域炮孔布置(mm)

圖2 單式楔形掏槽炮孔布置(mm)

圖3 雙楔形復式掏槽炮孔布置(mm)

表2 3種爆破方案第Ⅱ次爆破區(qū)域爆破參數(shù)

表3 單式楔形掏槽爆破參數(shù)

表4 雙楔形復式掏槽爆破參數(shù)

表5 混合掏槽爆破參數(shù)

圖4 混合掏槽炮孔布置(mm)

3 試驗效果及數(shù)據(jù)分析

采用3種方案各進行了3次爆破試驗，爆破效果見表6，表中各數(shù)據(jù)為3次爆破試驗的平均值。

表6 不同爆破方案爆破效果

由表6可知：①就爆破進尺、炮孔利用率、炸藥單耗等指標而言，混合掏槽爆破效果最佳，進一步分析可知，混合掏槽可使槽腔底部巖石充分破碎并拋出工作面，保證了掏槽孔的炮孔利用率，為后續(xù)起爆的輔助孔創(chuàng)造充足自由面，使得斷面整體爆破效果提高；②雙楔形復式掏槽的各項指標介于混合掏槽和單式楔形掏槽之間，較單式楔形掏槽而言，其槽腔由第一層和第二層掏槽孔逐步起爆形成，巖石破碎較為充分，而較混合掏槽而言，由于槽腔中部未布設炮孔，使得槽腔中部部分巖石無法拋離工作面；③單式楔形掏槽雖然比鉆孔指標低于其他掏槽形式，一定程度上節(jié)約鉆孔時間，但由于其槽腔僅依靠單式楔形掏槽對掏槽孔形成，巖石破碎不充分，且首先起爆的輔助孔最小抵抗線過大，更加不利于新自由面形成，故導致其炮孔利用率低、炸藥單耗高，從整體上看，爆破耗時反而增加。

4 結 語

本文對比了3種不同爆破方案，尤其是3種不同掏槽形式在硬巖巷道中的爆破效果，更加系統(tǒng)地研究了硬巖巷道中深孔爆破技術，對比爆破效果可知：混合掏槽爆破效果最佳，雙楔形復式掏槽次之，單式楔形掏槽最差。今后在使用氣腿式鑿巖機的硬巖巷道爆破掘進工程中，當斷面尺寸滿足要求時，應優(yōu)先選用混合掏槽。