適用于大斷面馬頭門(mén)掘進(jìn)的超前致裂分區(qū)爆破技術(shù)*

汪 禹 ,崔正榮 ,王小兵,李龍福 ,詹思博,章結(jié)傳

(1.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,馬鞍山 243000;2.馬鞍山礦山研究院 爆破工程有限責(zé)任公司,馬鞍山 243000;3.中鋼集團(tuán) 馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,馬鞍山 243000)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)資源需求量的增加,淺部礦產(chǎn)資源已逐漸趨向枯竭,國(guó)內(nèi)外大多數(shù)礦山相繼進(jìn)入深部資源開(kāi)采,地下礦山所需井筒的深度也隨之加深。井筒是連接地表與井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全通道,承擔(dān)人員、材料、設(shè)備運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。當(dāng)立井井筒設(shè)計(jì)深度達(dá)到礦產(chǎn)資源儲(chǔ)存位置后,立井井筒預(yù)留出口與各中段巷道所連接處稱(chēng)為“馬頭門(mén)”,其位處礦井的咽喉部位,并承擔(dān)各中段水平風(fēng)流系統(tǒng)、人員(材料、礦產(chǎn)資源)上下等工作?！榜R頭門(mén)”設(shè)計(jì)斷面大,處立體交叉位置,其在礦山建設(shè)期和生產(chǎn)期是否穩(wěn)定,直接影響礦井的安全生產(chǎn)[1]。

立井馬頭門(mén)地處深部,具有應(yīng)力集中、受力狀態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn),如其施工及支護(hù)方案缺乏全面的理論指導(dǎo),易造成馬頭門(mén)結(jié)構(gòu)變形破壞。采用傳統(tǒng)鉆爆法施工時(shí),未提前將馬頭門(mén)施工區(qū)域與被井筒保護(hù)區(qū)域進(jìn)行分割,造成馬頭門(mén)斷面成型質(zhì)量及爆破振動(dòng)較難控制,易對(duì)馬頭門(mén)產(chǎn)生影響甚至損傷。諸多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究工作,陳崢等開(kāi)展了地鐵豎井自下往上全斷面破除馬頭門(mén)和從上往下分臺(tái)階破除馬頭門(mén)施工方法研究[2],結(jié)果表明:分臺(tái)階破除法相較于全斷面破除法節(jié)約7 d工期。王洪森等對(duì)馬頭門(mén)車(chē)場(chǎng)巷道上層和下層貫通區(qū)進(jìn)行爆破作業(yè)[3]。陳軻等針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下立井馬頭門(mén)施工[4],提出了地質(zhì)雷達(dá)物探、超前小導(dǎo)管注漿、錨網(wǎng)噴、反底拱、U型鋼拱架以及混凝土砌襯等綜合治理技術(shù)。針對(duì)立井馬頭門(mén)施工難點(diǎn),上述研究?jī)H提出了在特定條件下馬頭門(mén)施工工藝,未對(duì)馬頭門(mén)混凝土段及基巖段爆破施工提出相關(guān)針對(duì)性措施。

如何采取有效措施保障井筒內(nèi)保留混凝土結(jié)構(gòu)的安全,成為立井馬頭門(mén)施工中亟待解決的重要課題。由于立井所處區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)復(fù)雜,如采用常規(guī)爆破法施工馬頭門(mén),易造成井筒混凝土開(kāi)裂、變形等,對(duì)后期井筒內(nèi)設(shè)施安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。若采用機(jī)械破碎法施工立井馬頭門(mén),施工效率低、成本高。選用合理的爆破方案設(shè)計(jì),來(lái)控制大斷面馬頭門(mén)成型及爆破振速是該工程的難點(diǎn),為此本項(xiàng)目提出了超前致裂分區(qū)爆破技術(shù),提前對(duì)馬頭門(mén)掘進(jìn)開(kāi)挖區(qū)劃分為若干分層,沿各分層開(kāi)挖輪廓線施工超前致裂孔,提前形成了“減震溝”,對(duì)提高立井馬頭門(mén)整體穩(wěn)定性起到積極作用。

1 工程概況

某鐵礦風(fēng)井井筒凈直徑6 m,井深400 m(不含井底水窩1.3 m),井口標(biāo)高+12 m(目前封口盤(pán)標(biāo)高+8 m),井底標(biāo)高-388.0m。井筒采用全深凍結(jié)法施工,凍結(jié)深度408 m,井筒掘進(jìn)深度395.73 m(自地表標(biāo)高+6.43 m起至井底水窩)。方案設(shè)計(jì)馬頭門(mén)有-199.5 m、-258.2 m、-317.5 m、-378.0 m水平,其中馬頭門(mén)水平筋、墻部豎筋、拱部環(huán)筋、鋪底鋼筋均采用φ22 mm,間排距均為250 mm,搭接長(zhǎng)度為770 mm;混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30,抗?jié)B等級(jí)為P8。

根據(jù)鉆探資料及土工、巖石試驗(yàn)結(jié)果并參照物探測(cè)井資料,風(fēng)井井筒所處工程地質(zhì)條件以粉質(zhì)黏土、安山巖、角礫巖、膏化凝灰?guī)r等為主,風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化-微風(fēng)化,RQD值為2～75,堅(jiān)硬程度等級(jí)為軟巖～較軟巖,圍巖類(lèi)別為Ⅳ～Ⅴ級(jí),工程地質(zhì)條件屬?gòu)?fù)雜類(lèi)型。根據(jù)井筒施工期間所揭露的圍巖情況顯示,各層馬頭門(mén)工程地質(zhì)條件如表1所示。立井馬頭門(mén)掘砌工程是礦井建設(shè)施工中重要的環(huán)節(jié),須嚴(yán)格管控施工質(zhì)量,需要針對(duì)風(fēng)井各馬頭門(mén)掘進(jìn)施工段進(jìn)行控制爆破。

表1 各馬頭門(mén)工程地質(zhì)條件Table 1 Engineering geological conditions of the horsehead gate

2 超前致裂分區(qū)爆破技術(shù)機(jī)理分析

所謂超前致裂分區(qū)爆破技術(shù),就是在立井馬頭門(mén)爆破開(kāi)挖輪廓線上布置超前致裂孔(減震孔);參考文獻(xiàn)[5-9]提出:沿被保護(hù)設(shè)施周邊區(qū)域開(kāi)挖“減震溝”或“減震孔”,可降低爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)設(shè)施的損傷及破壞。相對(duì)于爆區(qū)、被保護(hù)區(qū)對(duì)象而言,“減震溝”或“減震孔”很小,可看作非完全固結(jié)界面。應(yīng)力波在介質(zhì)界面上的入射、反射如圖1所示。

圖1 應(yīng)力波入射、透射及反射圖Fig. 1 The incidence,transmission and reflection of stress wave

圖1中:P、SV分別代表應(yīng)力波中縱波和橫波,下標(biāo)i、t、r分別代表入射波、透射波、反射波;因界面無(wú)明顯裂縫,故界面是連續(xù)的,則有

(1)

根據(jù)節(jié)理剛度的定義,有如下

(2)

式中:δ、u分別為應(yīng)力和位移;zi和x分別為坐標(biāo)方向;Ⅰ為減震孔的入射側(cè)巖體;Ⅱ?yàn)闇p震孔折射側(cè)巖體;Kn為減震孔的法向剛度;Ks為減震孔的切向剛度。

界面上的應(yīng)力可由虎克定律計(jì)算得出

(3)

式中:λ為拉梅系數(shù);μ為泊松比;μx為x方向的位移函數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,應(yīng)力波反射系數(shù)λir、透射系數(shù)λit均≤1,說(shuō)明應(yīng)力波通過(guò)“超前致裂孔”時(shí)有明顯的降震作用,其降震效果大小與超前致裂孔周?chē)膸r石波阻抗有關(guān)[5-9]。當(dāng)節(jié)理剛度無(wú)窮大時(shí),此時(shí)入射應(yīng)力波完全透射,超前致裂孔的孔徑幾乎為零,即相當(dāng)于此處巖體是完整的。透射波振幅與孔面的節(jié)理剛度有關(guān)。超前致裂孔每隔幾個(gè)孔進(jìn)行裝藥爆破(空孔起導(dǎo)向作用),超前致裂孔間相互貫通,相當(dāng)于“減震溝”,把爆破地震波完全隔斷。

參考文獻(xiàn)[10-13]指出:如大斷面一次爆破開(kāi)挖,裝藥量大會(huì)存在強(qiáng)烈的爆破振動(dòng)效應(yīng),易對(duì)鄰近設(shè)施產(chǎn)生危害效應(yīng);針對(duì)大斷面斷面爆破難以控制問(wèn)題,提出掘進(jìn)作業(yè)面分區(qū)的爆破方案設(shè)計(jì)方法,劃分為上分層、下分層等。采用微差分區(qū)爆破情況下,各個(gè)方向上減振效果均比較明顯,尤其是對(duì)于近距離減振,減振效率大致在80%以上[14],并可控制井筒混凝土爆破振動(dòng)安全允許速度小于2.0 cm/s。基于數(shù)碼電子雷管精確延時(shí)控制,通過(guò)設(shè)置合適的孔間微差間隔時(shí)間,采用逐孔起爆技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)分段振動(dòng)干擾相互抵消,實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰降振[15]。

3 爆破技術(shù)方案設(shè)計(jì)

為提高馬頭門(mén)循環(huán)進(jìn)尺,降低爆破振動(dòng)對(duì)井筒混凝土危害,設(shè)計(jì)采用超前致裂分區(qū)爆破技術(shù)。根據(jù)表1所示,風(fēng)井-199.5 m、-258.2 m等水平馬頭門(mén)設(shè)計(jì)斷面尺寸為5.7 m×5.4 m,掘進(jìn)深度為3.5 m,屬大斷面開(kāi)挖。該技術(shù)思路:根據(jù)馬頭門(mén)高度,劃分為三個(gè)施工層,設(shè)計(jì)上分層高度為2.0 m,中分層、下分層高度為1.7 m,施工順序?yàn)?上分層→中分層→下分層。在施工各分層時(shí),沿分層開(kāi)挖輪廓線施工超前致裂孔,分階超前致裂孔每隔3個(gè)孔進(jìn)行裝藥爆破,實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖區(qū)域混凝土與保留處井壁混凝土“提前分離”。分區(qū)及超前致裂孔布置如圖2所示。

圖2 馬頭門(mén)分區(qū)布置(單位:mm)Fig. 2 Partition layout of horsehead gate(unit:mm)

設(shè)計(jì)馬頭門(mén)掘進(jìn)深度為3.5 m,其中各分層混凝土段掘進(jìn)長(zhǎng)度為0.5 m,基巖段掘進(jìn)長(zhǎng)度為3.0 m。考慮到馬頭門(mén)基巖段工程地質(zhì)條件較復(fù)雜,馬頭門(mén)混凝土段布置了水平筋、豎筋,擬對(duì)每施工層劃分三個(gè)階段掘進(jìn)施工,一階掘進(jìn)深度為0.5 m(破碎混凝土、割除鋼筋),二階掘進(jìn)深度為1.5 m,三階掘進(jìn)深度為1.5 m。為提高立井馬頭門(mén)施工效率,并降低掘進(jìn)成本,提前實(shí)現(xiàn)馬頭門(mén)上部頂板與下部待開(kāi)挖混凝土(巖體)的分離,超前致裂孔一次性施工(設(shè)計(jì)孔深為3.5 m),孔內(nèi)分階間隔裝藥(往炮孔內(nèi)填塞炮泥控制各階掘進(jìn)炮孔深度,并根據(jù)孔深調(diào)整裝藥量)。超前致裂孔間距上部拱頂段為100±50 mm,直墻段(底部)段為150±50 mm。各分層各階段掏槽孔、輔助孔布置,根據(jù)工程地質(zhì)條件及時(shí)優(yōu)化、調(diào)整。

3.1 上分層爆破方案

3.1.1 混凝土段

上分層混凝土段設(shè)計(jì)掘進(jìn)高度2000 mm,寬度5700 mm,深度500 mm。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī),人員在井筒內(nèi)吊盤(pán)下層盤(pán)施工,并做好防墜措施。本階段施工超前致裂孔共計(jì)77個(gè),孔徑為42 mm。超前致裂孔每隔3個(gè)孔進(jìn)行間隔裝藥,其中未裝藥空孔對(duì)爆炸裂紋擴(kuò)展具有導(dǎo)向作用[15],形成“減震溝”,易控制馬頭門(mén)頂板成型質(zhì)量,避免頂板超、欠挖。

為便于施工方便,設(shè)計(jì)采用直眼掏槽,并在掏槽孔周邊均勻分布6個(gè)空孔(為掏槽孔創(chuàng)造自由面,孔徑為60 mm),空孔與掏槽孔間距為150 mm。掏槽孔、輔助孔炮孔設(shè)計(jì)深度為0.4 m,炮孔直徑d=42 mm,掏槽炮孔選用直眼掏槽。輔助孔的布置遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,分布在掏槽孔和超前致裂孔之間,孔間距為400±50 mm,排距為400±50 mm。上分層混凝土段一階炮孔設(shè)計(jì)布置參數(shù)見(jiàn)圖3,炮孔施工完成圖見(jiàn)圖4。

圖3 上分層混凝土段一階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 3 Blast hole design of upper layered concrete section(unit:mm)

圖4 炮孔施工完成圖Fig. 4 Blast hole construction

混凝土段爆破參數(shù)見(jiàn)表2,掏槽孔深0.4 m,其余孔深0.3 m,掏槽孔、輔助孔角度均為90°,各裝藥炮孔做好填塞。炸藥采用1號(hào)巖石乳化炸藥,規(guī)格為0.3 kg/卷,藥卷長(zhǎng)度為0.3 m;采用數(shù)碼電子雷管,設(shè)計(jì)超前致裂孔、掏槽孔、輔助孔等逐孔微差間隔起爆,降低同段一次齊發(fā)總藥量。參考文獻(xiàn)[16-18]指出:炮孔間延期時(shí)間間隔為20～25 ms,可取得良好的降振效果;考慮超前致裂孔(裝藥)間距較小,設(shè)計(jì)超前致裂孔時(shí)間間隔為5 ms;掏槽孔間距較小,設(shè)計(jì)掏槽孔時(shí)間間隔為5 ms;輔助孔間距較大,設(shè)計(jì)輔助孔時(shí)間間隔為15～20 ms。

表2 上分層混凝土段爆破參數(shù)Table 2 Blasting parameters of upper layered concrete section

3.1.2 基巖段

基巖段掘進(jìn)深度為3.0 m,設(shè)計(jì)二階掘進(jìn)、三階掘進(jìn)深度均為1.5 m。爆破參數(shù)基本一致,在此僅論述上分層基巖段二階(三階)掘進(jìn)爆破參數(shù)。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī),作業(yè)人員在井筒內(nèi)吊盤(pán)下層盤(pán)施工掏槽孔、輔助孔及底板孔。炮孔直徑為42 mm,掏槽孔設(shè)計(jì)深度為1.7 m,輔助孔設(shè)計(jì)深度為1.5 m;掏槽炮孔選用楔形掏槽,掏槽孔與自由面夾角為82°,輔助孔角度均為90°,各裝藥炮孔做好填塞。上分層基巖段二階炮孔布置如圖5,爆破參數(shù)見(jiàn)表3。

圖5 上分層基巖段二階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 5 Blast hole layout diagram of upper layered bedrock section(unit:mm)

表3 上分層基巖段二階爆破參數(shù)Table 3 Blasting parameters of upper layered bedrock section

3.2 中分層(下分層)爆破方案

根據(jù)馬頭門(mén)高度,劃分為三個(gè)施工層,施工順序?yàn)?上分層→中分層→下分層。待上分層施工到位(掘進(jìn)深度3.5 m),再進(jìn)行中分層(下分層)施工。馬頭門(mén)掘進(jìn)段中分層、下分層段高均為1.7 m,爆破參數(shù)基本一致,因論文篇幅有限,減少過(guò)多贅述,本文僅論述中分層掘進(jìn)爆破方案。

3.2.1 混凝土段

中分層混凝土段設(shè)計(jì)掘進(jìn)高度1700 mm,寬度5700 mm,深度500 mm。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī),人員在井筒內(nèi)吊盤(pán)下層盤(pán)施工,并做好防墜措施。本階段施工超前致裂孔共計(jì)34個(gè),孔徑42 mm,孔距300 mm,孔深0.5 m(孔內(nèi)間隔裝藥)。

因上部已有自由面,中分層(下分層)不再布置掏槽孔,設(shè)計(jì)炮孔直徑為42 mm,輔助孔炮孔設(shè)計(jì)深度為0.4 m,輔助孔角度均為90°,輔助孔的布置遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,孔間距為570±50 mm,排距為400～450±50 mm。中分層混凝土段一階炮孔布置如圖6,爆破參數(shù)見(jiàn)表4。

圖6 中(下)分層混凝土段一階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 6 Blast hole layout of middle(lower) layered concrete section(unit:mm)

表4 中(下)分層混凝土段一階爆破參數(shù)Table 4 Blasting parameters of middle(lower) layered concrete section

3.2.2 基巖段

基巖段掘進(jìn)長(zhǎng)度為3.0 m,劃分為二階掘進(jìn)深度為1.5 m,三階掘進(jìn)深度為1.5 m。超前致裂孔(裝藥)前期已施工,孔距300 mm,孔深1.5 m(孔內(nèi)間隔裝藥)。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī),人員在井筒內(nèi)吊盤(pán)下層盤(pán)施工輔助孔及底板孔。因上部已有自由面,中分層(下分層)不再布置掏槽孔,炮孔直徑為42 mm,輔助孔炮孔設(shè)計(jì)深度為1.5 m,輔助孔角度均為90°,輔助孔的布置遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,孔間距為712.5±50 mm,排距為550～600±50 mm?；鶐r段井壁炮孔布置如圖7,爆破參數(shù)見(jiàn)表5。

圖7 中(下)分層基巖段二階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 7 Blast hole layout diagram of middle(lower) layered bedrock section(unit:mm)

表5 中(下)分層基巖段二階爆破參數(shù)表Table 5 Blasting parameter table of middle layer(lower layer) bedrock section

3.3 爆破效果分析

立井馬頭門(mén)掘砌工程是礦井建設(shè)施工中重要的環(huán)節(jié),須嚴(yán)格管控施工質(zhì)量。如采用爆破法施工立井馬頭門(mén),易造成井筒混凝土開(kāi)裂、變形等,故未開(kāi)展相關(guān)常規(guī)爆破試驗(yàn)。新爆破技術(shù)方案確定后,為評(píng)價(jià)新爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性,分別進(jìn)行-199.5 m、-258.2 m、-317.5 m、-378 m馬頭門(mén)掘進(jìn)施工作業(yè),各馬頭門(mén)爆破施工指標(biāo)見(jiàn)表6,部分爆破效果如圖8所示?？梢?jiàn),爆后的馬頭門(mén)頂板巷道成型質(zhì)量較高,可明顯地看出炮孔半孔痕,有利于控制頂板巖石的冒落以及維護(hù)圍巖的完整性,從而有利于充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。

圖8 各分層爆后效果Fig. 8 Blasting effects of each layer

表6 各馬頭門(mén)爆破施工指標(biāo)Table 6 Lithological parameters of the horsehead gate and chamber

綜合分析表6、圖8可知:

(1)各馬頭門(mén)開(kāi)挖輪廓線半壁孔率達(dá)95%以上,能滿足大斷面馬頭門(mén)破碎巖體掘進(jìn)中對(duì)控制頂板成型質(zhì)量的要求。

(2)設(shè)計(jì)超前致裂孔時(shí)間間隔為5 ms,掏槽孔時(shí)間間隔為5 ms,輔助孔時(shí)間間隔為15～20 ms;選用數(shù)碼電子雷管,實(shí)現(xiàn)各分層各階逐孔微差間隔起爆。根據(jù)薩道夫斯基公式[19],可計(jì)算出單段最大藥量所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)速度小于《爆破安全規(guī)程》[20]所規(guī)定的數(shù)值(2.0 cm/s),滿足安全要求。

(3)由于炮孔數(shù)量布置較多,大塊數(shù)量有所減少,提高了井筒出矸效率。

4 結(jié)論

針對(duì)大斷面立井馬頭門(mén)施工特點(diǎn),提出了超前致裂分區(qū)爆破技術(shù),并根據(jù)馬頭門(mén)掘進(jìn)爆破施工情況,得出如下結(jié)論。

(1)馬頭門(mén)掘進(jìn)施工區(qū)域劃為三個(gè)施工層,設(shè)計(jì)上分層高度為2.0 m,中分層、下分層高度為1.7 m,施工順序?yàn)?上分層→中分層→下分層。在施工各分層時(shí),沿分層開(kāi)挖輪廓線施工超前致裂孔,實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖區(qū)域混凝土與保留處井壁混凝土“提前分離”。

(2)新方案在穿孔、裝藥上耗時(shí)更長(zhǎng)。-199.5 m、-258.2 m水平基巖段巖性較差,局部破碎,采用多打孔少裝藥方法,增加了輔助孔數(shù)量,施工工期有所增加。-317.5 m、-378.0 m施工正常,斷面成型質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。降低了支護(hù)、噴漿等成本支出。

(3)通過(guò)數(shù)碼電子雷管,可實(shí)現(xiàn)逐孔微差間隔起爆,能實(shí)現(xiàn)分段振動(dòng)干擾相互抵消,實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰降振。因井筒內(nèi)無(wú)法布置監(jiān)測(cè)設(shè)備,未能對(duì)各馬頭門(mén)爆破振動(dòng)情況檢測(cè),僅根據(jù)薩道夫斯基公式計(jì)算爆破振動(dòng)數(shù)值;后續(xù)類(lèi)型馬頭門(mén)施工,定制測(cè)振儀防護(hù)裝置,開(kāi)展相關(guān)監(jiān)測(cè)工作。