光面爆破在礦山井巷基建中的應(yīng)用探討

劉 活

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 前 言

光面爆破技術(shù)是在各種類型的工程施工中運(yùn)用頻繁且能對(duì)爆破進(jìn)行有效控制的技術(shù)，是一種人工介入對(duì)每一個(gè)周邊眼炸藥量進(jìn)行有效控制的爆破技術(shù)。他能在對(duì)周邊圍巖破壞性極小的情況下，使開挖后的巷道表面光滑平整的一種成熟技術(shù)。該技術(shù)適用軟質(zhì)巖、硬質(zhì)巖等地質(zhì)條件下基建巷道的開挖，有利于保持圍巖的強(qiáng)度。目前在廣西大新錳礦基建開挖工程中大力推廣采用。

1 原理和特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

采用一種炸藥能量釋放控制技術(shù)，通過在掏槽眼及崩落眼先行一次爆破出現(xiàn)很好的自由面后，再通過在輪廓線上加密布置的周邊眼中進(jìn)行二次起爆，達(dá)到爆破開挖成型的目的。極大地減少周邊圍巖對(duì)光爆眼爆破時(shí)的夾制作用，提高炸藥威力，減少了炸藥消耗，獲得平整光滑的巖壁表面，最大程度保持巖石原生強(qiáng)度和穩(wěn)固性，避免了對(duì)圍巖的較大破壞，更好地防止冒頂和坍塌的發(fā)生[1]。

1.2 裂縫成型機(jī)理分析

在周邊眼中應(yīng)用不耦合裝藥的結(jié)構(gòu)[2]，特點(diǎn)是在藥包之間、藥包與孔壁之間充滿著空氣，空氣墊充層對(duì)沖擊波的破壞起到緩沖作用，致徑向壓力小于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，孔壁不能發(fā)生粉碎性破壞，消滅了炮眼粉碎區(qū)。經(jīng)緩沖消減后的爆炸壓力，使孔壁避免了爆炸性壓縮破壞；當(dāng)周邊眼的切向拉伸應(yīng)力大于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，炮孔周邊產(chǎn)生徑向小裂隙；當(dāng)周邊眼的切向拉伸應(yīng)力小于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，原有的裂隙不再擴(kuò)張，并在裂隙處反射出方向相反的向心拉伸應(yīng)力波，巖石被拉斷。在徑向拉伸力大于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石產(chǎn)生環(huán)向的小裂隙。在徑向和切向兩種應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的裂隙。并且各孔之間有相互聚能的作用，當(dāng)孔與孔間連線中點(diǎn)瞬時(shí)有相位相同的應(yīng)力波疊加時(shí)，疊加共振產(chǎn)生最大的切向拉力，當(dāng)巖體的極限抗拉強(qiáng)度小于此拉力時(shí)，巖體便被拉裂，小裂紋擴(kuò)張為裂隙，且超高壓氣體對(duì)裂隙有著氣楔劈開作用，致裂隙再次遭到擴(kuò)張，使全部裂隙貫穿成一體裂縫，巖渣的膨脹作用又使裂縫再次發(fā)展，最終形成整齊光滑的壁面?？梢姵煽p機(jī)理[3]是一個(gè)復(fù)雜的過程，是多種因素相互作用的結(jié)果。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1)與普爆法比較，光爆法的巷道斷面成型整齊劃一，斷面符合設(shè)計(jì)要求，若在松軟破碎巖層中應(yīng)用，更能大顯身手，表現(xiàn)出光面爆破的優(yōu)越性，半孔成型率較高，痕跡清晰可見，超挖量降低，出渣量減少，可提高掘進(jìn)速度。

2)對(duì)不同的圍巖等級(jí)，可通過調(diào)整光爆施工參數(shù)，使圍巖保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生或少產(chǎn)生炮震裂隙；不破壞巖石原有的裂隙構(gòu)造，避免了對(duì)圍巖自承載能力的損傷；應(yīng)用于破碎松軟的巖層開挖時(shí)，效果更明顯，施工更安全。

3)經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，光爆效果在塊狀圍巖，穿層巷道效果比較好，在順層、緩層、薄層、圍巖破碎的巷道，效果不太理想。

2 不耦合裝藥理論

光爆技術(shù)在礦山基建施工中，其理論是不耦合理論[4]，即裝藥時(shí)采用軸向不耦合和徑向不耦合兩種組合技術(shù)，空氣充當(dāng)媒介質(zhì)，可以稱為空氣不耦合裝藥技術(shù)。對(duì)于不同等級(jí)的巖石則要通過調(diào)整不耦合系數(shù)的值來控制光爆效果，抗壓強(qiáng)度越低，取值越大，成反比關(guān)系。在大新錳礦基建中統(tǒng)一使用Φ32的柱狀乳化炸藥，不采用小徑炸藥，因此主要通過調(diào)整軸向不耦合系數(shù)來達(dá)到控制光爆效果的目的。

2.1 破巖過程分析

由于藥柱直徑比炮孔直徑小很多，炮孔充滿空氣介質(zhì)，炸藥爆炸時(shí)，作用力不直接在孔壁上，而是因空氣墊層被壓縮，直接對(duì)壓力起到了緩沖作用，效果是消除了炮孔粉碎區(qū)，減少了對(duì)巖層的破壞。

2.2 內(nèi)壁壓力分析

空氣不耦合裝藥技術(shù)使孔壁表面周圍充滿了空氣墊層。爆炸時(shí)，內(nèi)壁面幾乎均分了相同的壓力，起到了極大的緩沖作用，從而內(nèi)壁面承受的壓力相對(duì)變小，對(duì)圍巖的破壞程度也相對(duì)較小。

2.3 破壞區(qū)域

炸藥爆炸時(shí)，瞬間產(chǎn)生超高溫高壓的爆轟氣體，其作用于內(nèi)壁上，由于空氣墊層的緩沖作用，粉碎區(qū)已消除，爆炸沖擊波在向外層傳播途中做功。當(dāng)做功壓力值大于巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石經(jīng)受不住會(huì)被壓碎，形成壓碎區(qū)，因炮孔內(nèi)空氣的存在，以及傳播范圍的不斷擴(kuò)大，爆破力的強(qiáng)度迅速減小，消減了威力后變成了壓縮應(yīng)力波，其作用力強(qiáng)度已經(jīng)小于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，巖石雖已不能直接被壓碎，但不可避免地遭受到猛烈的徑向壓縮，使原本處在平衡狀態(tài)中的巖石質(zhì)點(diǎn)發(fā)生徑向位移。共同作用力的結(jié)果是出現(xiàn)與徑向呈∠45(°)的剪切裂隙，從而形成縱橫交錯(cuò)的裂隙區(qū)。壓縮波再進(jìn)一步衰減后成為地震波直至消失，過程中效果范圍很大。因巖石的軟硬特性差異，若巖石為軟巖和硬土之類的可塑性材質(zhì)，炮孔被壓縮形成周邊致密的空腔。若是彈脆性的巖石，則會(huì)形成壓碎區(qū)[1]，所以一般可認(rèn)為光面爆破有3種破壞區(qū)域：壓碎區(qū)、裂隙區(qū)、震動(dòng)區(qū)。

3 在不穩(wěn)固的巖層中進(jìn)行光面爆破方法分析

3.1 原因

對(duì)于地質(zhì)等級(jí)在Ⅳ、Ⅴ級(jí)的不穩(wěn)固巖層中進(jìn)行光面爆破法施工，其原因是通過科學(xué)控制開挖過程[3]，使爆破對(duì)周邊圍巖的破壞降至最低。在斷層或破碎帶中，巖石本身有構(gòu)造裂隙，穩(wěn)固性差，如果按普通爆破法施工或光爆法藥量過多，都會(huì)出現(xiàn)超挖的后果，導(dǎo)致光爆法失敗。而某些破碎的地質(zhì)條件下可能還需要先行超前桿的支護(hù)才能確保順利完成光爆施工作業(yè)，因此要科學(xué)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按技術(shù)規(guī)定施工才能減輕對(duì)圍巖的破壞。

3.2 破壞性分析

一般情況下，破碎帶或斷裂帶的大小決定著光爆法施工的難易程度，越破碎越難達(dá)到光爆效果。

3.3 裂縫導(dǎo)向分析

巖石有節(jié)理和層理特點(diǎn)，爆破后形成的裂縫有與原生裂縫一致的方向性，卻又受到巖石層理的約束，從而出現(xiàn)不平整的表面。

3.4 地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件對(duì)爆破效果的影響

破碎帶結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件下，巖體都是非連續(xù)均勻介質(zhì)(多向不同性)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)面內(nèi)常有充填物，如砂、黏土、角礫、巖屑及硅質(zhì)、鈣質(zhì)、石膏質(zhì)沉淀物。膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度高低不同，抗水性大小有異，有的結(jié)構(gòu)面及組合錯(cuò)綜復(fù)雜，巖體大多表現(xiàn)出塊狀、層狀、碎屑狀等結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差或很差，甚至?xí)霈F(xiàn)斷層、斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造，因此不穩(wěn)固巖層的巖體是由多種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割而成的。

不同成因的結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破的影響更加明顯，當(dāng)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與光爆設(shè)計(jì)面產(chǎn)狀不同時(shí)，對(duì)光爆效果也有著不同程度的影響。

人們通過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐、總結(jié)，得出結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破的影響可歸納為以下5種作用：①泄能作用，若沖擊波與軟弱帶能夠相通時(shí)，爆破能量會(huì)以“沖炮”方式泄出；②楔入作用，當(dāng)爆炸氣體或沖擊波與軟弱帶相通侵入時(shí)，會(huì)使巖體沿著軟弱帶發(fā)生氣楔劈開作用；③軟弱面應(yīng)力集中作用，在巖石軟弱面較發(fā)育部位，應(yīng)減少裝藥量消減集中的應(yīng)力；④能量吸收作用，軟弱帶的壓縮變形或破裂，使爆破能量被吸收或減弱；⑤應(yīng)力波反射增強(qiáng)作用，反射波與緊后傳來的應(yīng)力波在相位相同時(shí)有疊加增強(qiáng)作用，可造成破壞。

4 光爆法較普通爆破法的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)

1)光爆法圍巖幾乎不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生爆震裂縫，圍巖完整性好，自身承載力提高，為后續(xù)支護(hù)工序創(chuàng)造了更好的條件，在松軟或斷層破碎帶的巖層中，光面爆破技術(shù)和其他支護(hù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，支護(hù)的作用明顯增強(qiáng)。

2)光爆法技術(shù)在裂隙發(fā)育的巖層中應(yīng)用，可避免裂隙擴(kuò)大和產(chǎn)生新的裂縫，提高了圍巖的穩(wěn)定性，能基本消除冒頂事故。

3)巷道壁面沒有凹凸不平的情況出現(xiàn)，在煤礦上消除了瓦斯聚集的條件，而在巷道上通風(fēng)阻力減小。

4)若用在過水隧洞的開挖應(yīng)用上，可以更好降低水阻力損耗。

5)光爆法對(duì)圍巖的干擾震動(dòng)小，消除了巖壁上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在地壓突出的深部掘進(jìn)中，可使巖壁表面消除巖爆隱患，利于巷道使用安全。

6)光爆法壁面整齊光滑有利于筑砼支護(hù)，節(jié)約材料支出。

7)巷道成型后極大降低后期的維護(hù)成本。

8)工藝簡(jiǎn)單易學(xué)，無須通透高深理論，通過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可掌握。

4.2 缺點(diǎn)

1)光爆法周邊眼數(shù)量多：隨巖石性質(zhì)及特征采用不同的密集系數(shù)，有時(shí)甚至比普爆法多上一倍的數(shù)量。

2)光爆法周邊眼鉆眼技術(shù)要求高：眼口要布置在輪廓線上，炮眼要“平、直、齊”，即平行于中心線，順直鉆進(jìn)，炮眼深度一致，還要控制一致的外傾角度，要求鉆工有熟練的操作技能，打鉆時(shí)鉆桿鉆機(jī)要穩(wěn)固不晃動(dòng)不跑鉆。因此對(duì)人的技術(shù)要求較高。

3)對(duì)炸藥的要求高：周邊眼適用低密度、低猛度、低爆速、高爆力的炸藥，為此要選用安全性能高，敏感度適中，爆破有害氣體少，低猛度、低爆速、高爆力、與巖體匹配系數(shù)高的炸藥。

4)裝藥技術(shù)上要求高：周邊眼必須按照計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行不耦合裝藥；對(duì)周邊眼采用毫秒雷管和導(dǎo)爆索同時(shí)起爆，當(dāng)炸藥用量較多時(shí)，還要分段起爆；而對(duì)其余炮眼裝藥時(shí)，采用毫秒雷管跳段使用，程序較多，要求嚴(yán)格。

5)與普爆法比成本高：周邊眼中增加了導(dǎo)爆索及竹片的材料成本；鉆孔數(shù)量多，鉆孔時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)間成本高；效率低下，人力成本增加較明顯。

4.3 實(shí)施光爆法施工中的問題及對(duì)策

1)要保證光面爆破的效果，不僅要采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)，而且要積累經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化光面爆破參數(shù)。

2)嚴(yán)格控制周邊孔的裝藥量，同時(shí)通過多打孔少裝藥來控制裂隙的發(fā)展，使巖壁完整性和穩(wěn)固性不受破壞。

3)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的不耦合參數(shù)裝藥。

4)需要對(duì)施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，規(guī)范作業(yè)人員的操作技能，持證上崗。

5)爆破施工時(shí)要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

光面爆破有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)較為突出，有時(shí)經(jīng)濟(jì)效益不明顯，但相對(duì)于安全效益在無形中得到了提高而言，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來，故光爆法還是很值得在各行各業(yè)大力推廣。

5 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

5.1 工程應(yīng)用實(shí)例

大新錳礦深部2號(hào)膠帶平巷掘支是南方錳業(yè)集團(tuán)大新錳礦分公司南部礦段100 萬t/a擴(kuò)能工程，項(xiàng)目位于大新縣下雷鎮(zhèn)大新礦區(qū)東部。該工程分正、反掘兩部分相向施工貫通，主要概況如表1所述。

表1 主要工程特征概括

正掘部分先延伸1號(hào)膠帶平巷28 m，在2號(hào)與1號(hào)兩平巷中心軸線交叉點(diǎn)處開口做一個(gè)斜巷上山措施工程，斜巷上山與2號(hào)平巷切入點(diǎn)為2號(hào)平巷起點(diǎn)，底板標(biāo)高為177.3 m。按方位261(°)，坡度-3‰，正掘638 m處與反掘上山貫通,掘進(jìn)工程量9 040.5 m3。采用錨網(wǎng)噴砼、U25支架、C25鋼筋砼等支護(hù)中的一種或多種聯(lián)合支護(hù)方法，特殊地段需要超前小導(dǎo)管注漿，支護(hù)量3 969.5 m3。

正掘井筒布置簡(jiǎn)況如圖1所示。

圖1 正掘井筒布置

井筒平面圖整體似“一”字形，每300 m設(shè)置一個(gè)巷道硐室，斜井部分與平巷部分通過半徑100 m的圓弧線過渡銜接；巷道凈寬3.0 m，凈高2.9 m；斷面采用1/3B三心拱，凈斷面直線段8.96 m2；平巷段全長(zhǎng)638 m,工程量5 716 m3，斜井段320 m,工程量2 867 m3。合計(jì)開挖工程量8 583 m3。

反掘部分從東部斜井160 m中段東主巷聯(lián)絡(luò)道盡頭與2#膠帶井相交點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)2～18向東約10 m處：X=2 534 746.301 9,Y=36 367 982.006 7)起，方位81(°)，傾角11.2(°)，上掘進(jìn)長(zhǎng)度50 m與2號(hào)膠帶正掘貫通，工程量460 m3，U25+錨網(wǎng)噴砼支護(hù)量56 m3，再調(diào)頭正掘斜井部分250 m，總掘進(jìn)方量為2 295 m3，錨網(wǎng)噴砼支護(hù)280 m3，斜井部分掘進(jìn)總長(zhǎng)度為300 m,然后再掘進(jìn)2#膠帶斜井底平巷部分43 m，掘進(jìn)方量385.3 m3，錨網(wǎng)噴砼支護(hù)量38.7 m3，完成反掘部分工程。反掘井筒布置簡(jiǎn)況如圖2所示。

圖2 反掘井筒布置

1號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站工程待正反掘全線貫通后再另行方案施工。

5.2 工程地質(zhì)、水文條件

圍巖主要為半風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r，碳質(zhì)泥巖，泥質(zhì)灰?guī)r，碳酸鹽含量豐富的可溶性巖石，呈薄層狀，陡傾斜，順層掘進(jìn)，巖層風(fēng)化、氧化、泥化嚴(yán)重，遇水可膨化成泥狀，全段處于破碎地帶，拉張裂隙數(shù)量多，屬裂隙發(fā)育透水性風(fēng)化巖層，整體穩(wěn)固性差，容易出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)炔涣脊こ痰刭|(zhì)問題，涌水量在30 m3/h，斷層單點(diǎn)涌水有可能達(dá)到60 m3/h，峰值將達(dá)到100 m3/h，該區(qū)域水文地質(zhì)條件中等復(fù)雜，根據(jù)圍巖特征分類，0～638 m為Ⅳ～Ⅴ弱穩(wěn)定巖層，638～981 m為Ⅲ類中等穩(wěn)定巖層。因此該工程必須優(yōu)先采用光面爆破工程技術(shù)。

5.3 原始條件及炸藥參數(shù)

詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2～3。

表2 2號(hào)巖石乳化炸藥性能技術(shù)指標(biāo)

表3 爆破原始條件簡(jiǎn)括

5.4 技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖破碎程度和光面爆破法計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行方案選擇，確定施工方法。具體方法見圖3～5。

圖3 2號(hào)膠帶巷炮孔布置

圖4 2號(hào)膠帶巷輪尺

圖5 2號(hào)膠帶巷連線起爆

1)掏槽眼：為淺孔鑿巖爆破，采用直眼掏槽，在1號(hào)孔的周圍鉆進(jìn)8個(gè)平行的、呈柱狀的臨空孔，再在臨空孔的周圍布置4個(gè)呈菱形狀的掏槽孔，孔距500 mm，孔深2.2 m，孔徑42 mm。

2)輔助眼：分2圈布置，在掏槽眼的頂部間隔500 mm布置2輪輔助眼，孔深2.2 m，孔徑42 mm。

3)光爆眼：眼距(E)300 mm，孔深2.0 m，孔徑42 mm，光爆層厚度(W)分別為頂板600 mm，邊壁550 mm，周邊眼密集系數(shù)K=E/W,計(jì)算得K值為0.5～0.55。

4)底眼：眼距550 mm，孔深2.0 m，孔徑42 mm。

5)循環(huán)進(jìn)尺：2.0 m，炮孔利用率90%。

5.5 裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽孔、輔助孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)見圖6，周邊孔采用軸向不耦合分段裝藥見圖7。

圖6 掏槽孔、輔助孔裝藥結(jié)構(gòu)

圖7 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)

5.6 爆破參數(shù)

爆破參數(shù)見表4，光面爆破與普通爆破技術(shù)指標(biāo)效果對(duì)比見表5。

表4 爆破參數(shù)

表5 光面爆破與普通爆破技術(shù)指標(biāo)效果對(duì)比

大新錳礦的100 萬t/a擴(kuò)能工程基建施工為多點(diǎn)同時(shí)施工，穿過的地質(zhì)條件復(fù)雜，很大一部分都處在Ⅲ級(jí)以上的圍巖中，開挖的斷面為三心拱巷道，關(guān)鍵線路掘進(jìn)的斷面積都在10～15 m2。揭露的圍巖為Ⅱ級(jí)時(shí)，采用周邊眼孔距為500 mm的光面爆破效果良好，如東部斜井、副井斜坡道、12線斜井的部分線路炮眼半孔成型率在95 %以上；遇到Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)，則縮小周邊眼孔距為400 mm,也可取得滿意的結(jié)果，半孔成型率在80 %以上；在2號(hào)膠帶井Ⅲ～Ⅳ級(jí)的圍巖時(shí)，則需采用縮小周邊眼孔距的辦法,孔距定為300 mm，炮眼半孔成型率在75 %以上；當(dāng)炮孔所處位置有軟層或裂縫通過，應(yīng)取消該孔裝藥并適當(dāng)減少相鄰內(nèi)圈孔的用藥量，也可達(dá)到光爆目的；有些地段可采用加密周邊眼后，隔孔裝藥的辦法來達(dá)到用周邊眼控頂?shù)哪康摹?/p>

6 結(jié) 論

推廣使用光面爆破技術(shù)后，從各基建施工點(diǎn)的光爆法施工的效果來看，炮眼半孔成型率普遍在90%以上，在破碎層中使用，半孔成型率也在75%以上，實(shí)踐表明，光面爆破技術(shù)的應(yīng)用能更快提高爆破進(jìn)尺，降低炸藥消耗量，解決巷道冒頂片幫問題，減少排險(xiǎn)量，降低穿越斷層破碎帶的支護(hù)難度，效果非常明顯。