雙階同深分段掏槽爆破技術(shù)在豎井掘進(jìn)中的應(yīng)用

李龍福 江東平 方建國 章結(jié)傳

(馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司,安徽 馬鞍山 243000)

在基建礦山的各項(xiàng)建設(shè)工程中,豎井掘進(jìn)工程是礦山的重點(diǎn)建設(shè)工程。豎井掘進(jìn)工程量一般在整個(gè)礦山基建工程量中相對較少,約占5%左右,然而豎井的井筒工程及其附屬工程的施工工期在整個(gè)基建工期中的比例卻高達(dá)40%以上[1-2],因此,豎井掘進(jìn)速度的快慢直接影響到礦井建設(shè)工期的長短。

提高豎井施工速度可以有效縮短基建工期。近年來,隨著豎井施工裝備、技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新,比如大型傘鉆、中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)、大段高液壓金屬模板以及中深孔爆破技術(shù)在豎井掘進(jìn)中的成功應(yīng)用,都是提高豎井施工速度和增加經(jīng)濟(jì)效益的重要手段[3-7]。大段高液壓金屬模板配合中深孔爆破技術(shù),可使循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到3.5 m 以上,可有效解決小段高掘進(jìn)施工循環(huán)次數(shù)多、輔助作業(yè)時(shí)間長等效率低下的難題。

在豎井施工中采用中深孔爆破技術(shù),掏槽質(zhì)量是關(guān)鍵,掏槽質(zhì)量直接影響循環(huán)進(jìn)尺。在井筒爆破掏槽形式中最常用的有直眼筒形掏槽和斜眼錐形掏槽2種,其中斜眼錐形掏槽因各掏槽孔孔底相距很近,炸藥比較集中,掏槽眼圈內(nèi)巖石獲得的爆破作用能量比較大,導(dǎo)致碎石拋擲很高,經(jīng)常砸壞吊盤附近的機(jī)械設(shè)備,加上受空間條件的限制使得打斜眼的精度不容易控制,使得斜眼錐形掏槽在工程中應(yīng)用較少[8-10];對比直眼筒形掏槽卻沒有以上缺點(diǎn),在實(shí)際工程中應(yīng)用較多,掏槽效果也較好。本項(xiàng)目在直眼筒形掏槽爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究雙階同深分段掏槽爆破技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗(yàn),尋求適合特定施工對象的掏槽爆破方式。

1 雙階同深分段掏槽技術(shù)破巖機(jī)理分析

所謂雙階同深分段掏槽技術(shù),即是采用2 圈掏槽孔(內(nèi)圈設(shè)為一階,外圈設(shè)為二階,統(tǒng)稱雙階),內(nèi)外2圈掏槽孔孔深相同,在裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,內(nèi)圈掏槽孔采用分段裝藥,外圈掏槽孔采用連續(xù)裝藥。現(xiàn)以豎井掘進(jìn)雙階同深分段掏槽為例進(jìn)行說明(示意圖見圖1與圖2)。一階掏槽孔(編號1 ～6)采取分段裝藥,上部分段裝毫秒1 段雷管,下部分段裝毫秒3 段雷管;二階掏槽孔(編號7～18)采用連續(xù)裝藥,孔內(nèi)裝毫秒5 段雷管;中間空孔起增加自由面和提供補(bǔ)償空間的作用。

圖1 雙階掏槽平面布置Fig.1 Plane layout of two-stage cutting

圖2 雙階掏槽剖面布置Fig.2 Section layout of two-stage cutting

此種掏槽技術(shù)的關(guān)鍵在于一階掏槽孔采用分段裝藥結(jié)構(gòu),將炮孔內(nèi)炸藥能量分2 次釋放,由于上分段類似于淺孔爆破,巖石的夾制作用相對較小,炮孔利用率高,掏槽效果好,爆破后形成的槽腔能為下分段巖石爆破提供更大的補(bǔ)償空間,保證了一階掏槽的整體效果;同時(shí)由于炮孔內(nèi)采用分段裝藥,爆破能量分布更加均勻,降低了槽腔內(nèi)巖石爆破后的大塊率[11-12]。中間空孔的存在為一階掏槽爆破提供了初始的自由面和補(bǔ)償空間,引導(dǎo)爆破裂紋向自由面方向擴(kuò)展,使得一階掏槽范圍內(nèi)巖石更加容易破碎,確保一階掏槽質(zhì)量。

一階掏槽孔爆破后為二階掏槽增加了新的自由面和新的補(bǔ)償空間,有利于增強(qiáng)二階掏槽爆破應(yīng)力波的反射拉伸作用,有效降低了槽腔內(nèi)巖石的夾制作用,破碎巖石更加容易,進(jìn)一步提高了二階掏槽孔(主掏槽作用)的掏槽效果,為后續(xù)炮孔的爆破破巖提供了更加有利的條件。

2 工程實(shí)例

某基建礦山設(shè)計(jì)采用主副井開拓方案,副井承擔(dān)全礦人員、材料、設(shè)備等的提升和下放任務(wù),并兼作新鮮風(fēng)流的入口。副井設(shè)計(jì)采用圓形斷面,井筒凈直徑?7 m,掘進(jìn)荒徑?8 m。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料、巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及物探測井有關(guān)資料,副井井身段原巖成分以石英、斜長石、角閃石為主,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,裂隙較發(fā)育,巖芯呈柱狀、短柱狀,局部蝕變?yōu)楦邘X土化、綠泥石化,巖體的堅(jiān)固性系數(shù)f=3 ～12,f值平均在8～10 之間,工程地質(zhì)條件屬復(fù)雜型。

3 爆破技術(shù)方案設(shè)計(jì)

副井爆破采用二級巖石乳化炸藥,炸藥直徑40 mm,藥卷重量500 g,藥卷長度320 mm。雷管采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管。炮孔直徑50 mm。井筒中心布置一個(gè)空孔,孔徑50 mm。

3.1 掏槽孔爆破參數(shù)

根據(jù)前述雙階同深分段掏槽爆破技術(shù)破巖機(jī)理分析,為提高循環(huán)進(jìn)尺,副井爆破掏槽設(shè)計(jì)采用直眼筒形雙階掏槽技術(shù)。一階掏槽孔與二階掏槽孔深度相同,孔深均為4.3 m,同時(shí)在井筒中心布置一個(gè)空孔,孔深與掏槽孔相同。其中一階掏槽孔設(shè)計(jì)圈徑1.6 m,炮孔數(shù)量6 個(gè),孔間距800 mm;二階掏槽孔設(shè)計(jì)圈徑2.5 m,炮孔數(shù)量12 個(gè),孔間距647 mm;一階掏槽孔與二階掏槽孔排間距450 mm。一階掏槽孔(編號1～6)采取分段裝藥結(jié)構(gòu),上下分段間采用炮泥間隔,上部分段炸藥用毫秒1 段雷管起爆,下部分段炸藥用毫秒3 段雷管起爆;二階掏槽孔(編號7 ～18)采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),孔內(nèi)裝毫秒5 段雷管。掏槽孔布置如圖3所示,爆破參數(shù)見表1。

3.2 周邊孔爆破參數(shù)

周邊孔爆破參數(shù)的合理性不僅直接影響到井筒斷面成型的優(yōu)劣,而且對井壁圍巖的保護(hù)也至關(guān)重要。周邊孔爆破參數(shù)的核心要素是最小抵抗線、炮孔間距、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)等。爆破時(shí)應(yīng)確保周邊孔同時(shí)起爆,在炮孔間形成貫穿裂縫,光爆層巖體在爆生氣體的輔助作用下能夠快速地與井壁巖體分離,同時(shí)減輕爆破應(yīng)力波與爆生氣體對被保留巖體中原生節(jié)理裂隙面的有害擴(kuò)展作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14],周邊孔間距一般取400 ～600 mm;最小抵抗線取值約為10 ～20 倍的周邊孔的孔徑。要取得較好的光面爆破效果,周邊孔的孔間距與最小抵抗線的比值應(yīng)在0.8 ～1.0 之間;受現(xiàn)場鑿巖設(shè)備和炸藥品種類型的供應(yīng)限制(炮孔直徑與藥卷直徑已經(jīng)確定),所以只需確定周邊孔軸向不耦合裝藥系數(shù)。為控制爆破后井筒壁面平整度、減少超欠挖量以及便于鉆孔設(shè)備作業(yè),周邊孔的孔口應(yīng)布置在井筒斷面的輪廓線上且炮孔軸線稍向斷面輪廓線外偏斜,孔底偏出輪廓線控制在50～100 mm 之間,本次設(shè)計(jì)取80 mm。結(jié)合副井工程地質(zhì)條件,周邊孔間距設(shè)計(jì)為523 mm,最小抵抗線設(shè)計(jì)為550 mm,線裝藥密度設(shè)計(jì)為0.625 kg/m。周邊孔布置如圖3所示,爆破參數(shù)見表1。

3.3 輔助孔爆破參數(shù)

輔助孔的布置應(yīng)該遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,一般是相對均勻地分布在掏槽眼和周邊眼之間,在采用光面爆破時(shí),還應(yīng)使最外圈輔助孔與周邊孔的圈徑差滿足光爆層的要求[15]。因此,根據(jù)副井圍巖條件和井筒掘進(jìn)斷面尺寸,輔助孔共布置2圈,設(shè)計(jì)圈徑分別為4.7 m和6.9 m;炮孔數(shù)量分別為20 個(gè)和30 個(gè);孔間距分別為735 mm和721 mm。輔助孔布置如圖3所示,爆破參數(shù)見表1。

圖3 炮孔布置(單位:mm)Fig.3 Arrangement of blast-hole

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

3.4 起爆網(wǎng)路

考慮到井筒工作面附近有電氣設(shè)備,因此,副井全斷面采用導(dǎo)爆管雷管接力式簇聯(lián)起爆網(wǎng)路,毫秒微差爆破方式。為保證掏槽質(zhì)量,同時(shí)防止先爆炮孔擠死后響炮孔或使后響炮孔內(nèi)的炸藥產(chǎn)生誤爆,排間雷管的間隔時(shí)間不能過長;此外,還需要有足夠的時(shí)間將槽腔內(nèi)的巖石破碎并拋擲出去形成空腔創(chuàng)造自由面,排間雷管的間隔時(shí)間又不能太短。故本次設(shè)計(jì)選用1 段、3 段、5 段、7 段、9 段、11 段共6 個(gè)段別的毫秒雷管,孔外全部使用1 段雷管作聯(lián)接雷管和起爆雷管。起爆網(wǎng)路如圖4所示。

圖4 微差起爆網(wǎng)路Fig.4 Millisecond initiation network

3.5 爆破效果分析

爆破技術(shù)方案確定后,為評價(jià)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性,在現(xiàn)場進(jìn)行了11 模爆破試驗(yàn)(根據(jù)地質(zhì)資料與揭露的巖性可知,本試驗(yàn)段內(nèi)巖性差別不大,爆破效果具有可比性),試驗(yàn)后平均爆破技術(shù)指標(biāo)見表2。從表2 中數(shù)據(jù)可知,炮孔利用率較高,平均利用率為91.8%,平均循環(huán)進(jìn)尺為3.67 m,說明此種掏槽爆破方式效果較好,能滿足大段高液壓金屬模板對單循環(huán)進(jìn)尺3.5 m 以上的要求。

表2 爆破技術(shù)指標(biāo)Table 2 Blasting technical indicators

周邊孔采用光面爆破措施后有效減弱了爆破有害作用對井壁圍巖的損傷,爆破后井壁圍巖比較平整,幾乎無欠挖,平均超挖量控制在20 cm 以下,圍巖控制效果較好。

4 結(jié) 論

本文在分析直眼筒形掏槽爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合大段高液壓金屬模板對單循環(huán)進(jìn)尺的高要求,研究了雙階同深分段掏槽爆破技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗(yàn),得出如下結(jié)論。

(1)針對本工程設(shè)計(jì)的雙階同深分段掏槽爆破技術(shù)方案,通過調(diào)整掏槽孔的布置和炮孔內(nèi)炸藥能量的釋放順序,一階掏槽孔采取分段裝藥結(jié)構(gòu),上部分層巖體爆破后為下部分層巖體爆破提供新的自由面,保證了一階掏槽的整體效果;一階掏槽取得的好效果使得二階掏槽破碎巖石更加容易,進(jìn)一步提高了二階掏槽質(zhì)量。良好的掏槽質(zhì)量對取得平均循環(huán)進(jìn)尺3.67 m 的效果起到了決定性的作用,為大段高液壓金屬模板的使用提供了前提條件。

(2)周邊孔采用光面爆破,使得井壁圍巖質(zhì)量得到有效控制,減少了刷幫、支護(hù)等其他輔助作業(yè)時(shí)間,大大提高了工序間的轉(zhuǎn)換效率。

(3)爆破后巖石塊度均勻,幾乎無大塊,爆破技術(shù)指標(biāo)良好,說明研究設(shè)計(jì)的掏槽爆破技術(shù)方案可行,為后續(xù)施工或其他井筒爆破掘進(jìn)工程提供了范例。