深部復(fù)雜工況巷道混合起爆網(wǎng)絡(luò)周邊成形控制應(yīng)用研究

摘要：紗嶺金礦回風(fēng)井-1 200 m水平巷道爆破掘進(jìn)施工受地應(yīng)力、層理和礦井水等復(fù)雜工況的影響，爆破成形差，輔助作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，施工進(jìn)度緩慢。為解決上述問(wèn)題，采用數(shù)碼電子雷管-導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)周邊成形控制技術(shù)，優(yōu)化原始爆破方案并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的數(shù)碼電子雷管-導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)光面爆破方案顯著提高了爆破成形效果，降低了圍巖損傷，半孔痕率提高了54.5百分點(diǎn)，超挖系數(shù)下降了21.7 %，作業(yè)時(shí)間縮短了15 %，經(jīng)濟(jì)成本每循環(huán)降低了185.7元，實(shí)現(xiàn)了深部復(fù)雜工況巷道的周邊成形質(zhì)量控制，為類(lèi)似巷道爆破工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；金礦；巷道；地應(yīng)力；礦井水；混合起爆網(wǎng)絡(luò)；光面爆破；爆破效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235""""""""""文章編號(hào)：1001-1277（2024）08-0046-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240806

引"言

隨著淺部礦產(chǎn)資源的開(kāi)采殆盡，國(guó)內(nèi)外金屬礦山逐步向深部開(kāi)采邁進(jìn)，千米以上的深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采將趨于常態(tài)化［1］。巷道作為礦山建設(shè)動(dòng)脈工程，是礦井重要的運(yùn)輸和通風(fēng)通道，其建設(shè)質(zhì)量直接影響礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。萊洲匯金礦業(yè)投資有限公司（下稱“紗嶺金礦”）回風(fēng)井-1 200 m水平巷道爆破掘進(jìn)施工中，受地應(yīng)力大、層理復(fù)雜、礦井水豐富等復(fù)雜不利工況影響，巷道爆破成形差，輔助作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，施工進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)和工程進(jìn)度。傳統(tǒng)爆破技術(shù)已難以滿足該復(fù)雜工況下巷道施工的質(zhì)量要求，亟須探索合適的爆破方法提高巷道成形質(zhì)量。

目前，眾多學(xué)者對(duì)礦山巷道的周邊成形控制方法進(jìn)行了大量研究，取得了一定的成果。劉翔宇等［2］通過(guò)數(shù)值模擬分析研究隧道周邊孔毫秒延時(shí)爆破對(duì)圍巖成形質(zhì)量的影響，結(jié)果表明孔間延時(shí)和藥量對(duì)損傷范圍有顯著影響，延時(shí)適中時(shí)損傷范圍最小，且花崗巖的損傷小于砂巖。ZHENG等［3］使用分形損傷定量評(píng)估了試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果中的爆破損傷，為周邊成形質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)提供了參考。岳中文等［4］利用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)，采用有機(jī)玻璃板試件研究了含預(yù)制不同形狀空孔對(duì)巖石定向斷裂控制爆破的影響，得出菱形空孔最有利于實(shí)現(xiàn)圍巖成形控制，爆生主裂紋擴(kuò)展速度最大，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子相對(duì)較小。楊仁樹(shù)等［5］通過(guò)優(yōu)化爆破參數(shù)和進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究了切縫藥包在巖巷快掘中的適應(yīng)性，結(jié)果表明切縫藥包既能提高經(jīng)濟(jì)效益，又能顯著提升成形質(zhì)量。史國(guó)利等［6］使用分形理論和MATLAB研究了不同不耦合系數(shù)下切縫藥包的爆破損傷特征，發(fā)現(xiàn)不耦合系數(shù)為1.67時(shí)，對(duì)裂紋擴(kuò)展的定向控制效果最佳。然而，在復(fù)雜工況下，諸如地應(yīng)力［7］大、層理［8］復(fù)雜、礦井水［9］豐富等情況下，爆生裂紋擴(kuò)展受到顯著影響，如何實(shí)現(xiàn)周邊成形控制仍是一個(gè)難題。劉博等［10］研究發(fā)現(xiàn)，雷管-導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)通過(guò)優(yōu)化爆破能量分布，可以有效改善周邊成形質(zhì)量。將其中的雷管替換為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的數(shù)碼電子雷管［11］，實(shí)現(xiàn)爆破的精準(zhǔn)控制和延時(shí)，有望進(jìn)一步提升該方法在周邊成形控制的效果。

盡管混合起爆網(wǎng)絡(luò)爆破方案在爆破成形控制上已經(jīng)取得了一定成效，但數(shù)碼電子雷管-導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜工況下的研究與實(shí)踐尚需深入。本文以紗嶺金礦回風(fēng)井-1 200 m水平巷道爆破施工為依托，采用數(shù)碼電子雷管-導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)周邊成形控制技術(shù)，充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工中地應(yīng)力大、層理復(fù)雜、礦井水豐富等不利工況的影響，優(yōu)化原始爆破方案并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究成果旨在為類(lèi)似工程的爆破設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化提供參考。

1"工程概況

1.1"工程背景

紗嶺金礦位于山東省萊州市朱橋鎮(zhèn)，包含主井、副井、進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井4項(xiàng)豎井工程，均為超千米深井。其中，回風(fēng)井井筒凈直徑為8.0 m，深度為1 343.1 m，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)巷道位于回風(fēng)井-1 200 m水平，施工長(zhǎng)度174.718 m，荒寬4 800 mm，荒高4 400 mm，直墻三心拱斷面，凈斷面面積18.32 m2，荒斷面面積19.51 m2。

回風(fēng)井-1 200 m水平巷道主要由長(zhǎng)石、石英、斜長(zhǎng)石、絹云母、高嶺土、綠簾石等礦物組成。巖石以柱狀、塊狀、碎塊狀為主，RQD值平均為41 %，為堅(jiān)硬巖，但巖體較破碎，線裂隙率5～10條/m，以與巖芯軸夾角35°～40°，65°～75° 2組為主，裂面平直光滑，局部充填有碳酸鹽?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，在掘進(jìn)面存在2條較為明顯的層理，如圖1-a）所示。

2024年第8期/第45卷""礦業(yè)工程礦業(yè)工程""黃"金

回風(fēng)井-1 200 m水平巷道的透水性、富水性隨裂隙發(fā)育程度有較大的變化，富水性不均勻特點(diǎn)顯著。巖層地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，經(jīng)歷多次構(gòu)造變動(dòng)，裂隙比較發(fā)育，但多為扭性、壓扭性裂隙，裂隙閉合，連通性較差。最大單位涌水量0.008 395 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 543 775 m/d，整體上屬弱富水含水層?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)面左上角有2處出水點(diǎn)，出水點(diǎn)附近裂隙發(fā)育，最大單位涌水量約0.005 L/（s·m），如圖1-b）所示。

1.2"地質(zhì)和水文地質(zhì)影響分析

從地質(zhì)條件上分析，紗嶺金礦回風(fēng)井-1 200 m水平巷道巖石雖然堅(jiān)硬，但巖體較為破碎，爆破過(guò)程中容易形成大量的碎石和塊石，影響施工進(jìn)度和成形質(zhì)量；另外，裂隙的存在使得爆破能量容易分散，難以集中在預(yù)定的破碎區(qū)域，從而降低爆破效率；同時(shí)，局部充填的碳酸鹽礦物可能導(dǎo)致爆破過(guò)程中出現(xiàn)不均勻的破碎效果，增加施工難度；最后，層理的存在影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，需要特別關(guān)注爆破后圍巖的支護(hù)措施，以確保施工安全。綜合來(lái)看，這些地質(zhì)因素對(duì)爆破周邊成形控制提出了更高的要求，需要采取針對(duì)性的優(yōu)化方案來(lái)提高施工效率和成形質(zhì)量。

從水文地質(zhì)條件上分析，紗嶺金礦回風(fēng)井-1 200 m水平巷道富水不均勻，局部富水性高，爆破后巖石容易塌落，這大大增加了支護(hù)和清理工作的難度；裂隙發(fā)育區(qū)域的涌水量對(duì)爆破過(guò)程產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致爆破周邊成形不理想，施工效率低；含水層水壓對(duì)爆破產(chǎn)生附加壓力，進(jìn)一步增加了施工的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。綜合來(lái)看，這些水文及地質(zhì)條件不僅影響了爆破的精度和效果，還導(dǎo)致施工人員需要更多的時(shí)間和資源來(lái)應(yīng)對(duì)出水和清理工作，施工過(guò)程中需密切監(jiān)測(cè)水壓變化，及時(shí)調(diào)整爆破方案，以確保施工過(guò)程的順利進(jìn)行。

2"爆破方案設(shè)計(jì)

2.1"優(yōu)化前爆破方案

鉆孔采用CYTJ45（G）型單臂鑿巖臺(tái)車(chē)鑿巖，配38 mm×3 915 mm六角中空鋼釬，聯(lián)合45 mm球齒鉆頭濕式鉆孔，孔深3.9 m左右，爆破循環(huán)進(jìn)尺約3.1 m，單循環(huán)炮孔利用率80 %。掘進(jìn)面炮孔數(shù)量為58個(gè)，采用七星掏槽+空孔的掏槽方式。各類(lèi)炮孔的基本參數(shù)：

1）掏槽孔。中心孔孔徑45 mm，中心孔與空孔圓心間距150～200 mm，一圈掏槽孔呈菱形分布，二圈掏槽孔呈正方形分布，三圈掏槽孔呈菱形分布，四圈掏槽孔呈正方形分布。

2）空孔。共有6個(gè)，空孔孔徑90 mm。

3）崩落孔?？讖?5 mm，孔距400～700 mm，排距400～700 mm。

4）周邊孔。頂孔11個(gè)，幫孔6個(gè)，底孔6個(gè)，孔距為400～700 mm。

詳細(xì)的優(yōu)化前炮孔布置如圖2所示，具體的優(yōu)化前爆破參數(shù)如表1所示。

炸藥采用32 mm×300 mm，300 g/卷的2號(hào)巖石乳化炸藥，數(shù)碼電子雷管起爆，連續(xù)裝藥，反向起爆。采用EP400-X型起爆器起爆。掏槽孔裝藥11卷，輔助孔裝藥8卷，頂孔裝藥2卷，幫孔裝藥4卷，底孔裝藥11卷，單循環(huán)爆破用炸藥134.7 kg，優(yōu)化前各類(lèi)型炮孔裝藥示意圖如圖3所示。

2.2"優(yōu)化后爆破方案

在原方案基礎(chǔ)上，在不改變其他爆破參數(shù)的情況下，僅針對(duì)周邊孔采用數(shù)碼電子雷管與導(dǎo)爆索的混合起爆網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整周邊孔的藥量和聯(lián)線方式，以期提高爆破成形效果，減少圍巖損傷。優(yōu)化后炮孔布置如圖4所示，優(yōu)化后的爆破參數(shù)如表2所示。

周邊孔主要由幫孔和頂孔2部分組成。它們的藥量和聯(lián)線方式為：幫孔（41～43，55～57號(hào)孔）、頂孔（44～54號(hào)孔）每孔裝藥1.5卷（0.5卷×3）+2 m導(dǎo)爆索，具體如圖5所示，炮孔底部、中部和上部分別放置長(zhǎng)165 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥，兩兩間隔1 850 mm，使用導(dǎo)爆索串聯(lián)在一起，上部藥卷距離孔口處使用紙、塑料袋和小石子封堵。每個(gè)炮孔的導(dǎo)爆索與主導(dǎo)爆索按照爆破手冊(cè)［12］規(guī)定的方式和方向聯(lián)結(jié)在一起，使用1發(fā)數(shù)碼電子雷管引爆主導(dǎo)爆索，周邊孔整體聯(lián)線示意圖如圖6所示。單循環(huán)爆破共消耗2號(hào)巖石乳化炸藥123.75 kg和50 m的導(dǎo)爆索。

3"爆破效果對(duì)比與分析

嚴(yán)格按照優(yōu)化前后爆破設(shè)計(jì)方案開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，每種爆破方案各開(kāi)展5次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)取平均值進(jìn)行對(duì)比。主要從半孔痕率、超欠挖系數(shù)、作業(yè)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本4個(gè)方面對(duì)優(yōu)化前后的爆破效果進(jìn)行深入分析。

1）半孔痕率。半孔痕率是衡量爆破成形質(zhì)量的重要指標(biāo)，優(yōu)化前后的半孔痕情況如圖7所示。優(yōu)化前，爆破后的半孔痕較不清晰，數(shù)量平均為2條，半孔痕率為18.2 %。優(yōu)化后的爆破方案明顯提升了成形質(zhì)量，頂部清晰半孔痕達(dá)到8條，左右兩幫無(wú)清晰半孔痕，半孔痕率顯著提高至72.7 %。相比優(yōu)化前，半孔痕率提高了54.5百分點(diǎn)，表明優(yōu)化后的混合起爆網(wǎng)絡(luò)在控制周邊成形方面非常有效，顯著提升了爆破的成形質(zhì)量。

2）超挖系數(shù)。優(yōu)化前平均超挖系數(shù)為1.56，優(yōu)化后平均超挖系數(shù)為1.22，相較于優(yōu)化前下降了0.34，降低了21.7 %。這說(shuō)明優(yōu)化后的爆破方案在控制巖石多余開(kāi)挖方面更加有效，提高了周邊成形的精度，有效控制了爆破過(guò)程中的超挖現(xiàn)象。

3）作業(yè)時(shí)間。優(yōu)化前巷道施工單循環(huán)總時(shí)間為20 h，平均每孔鉆孔時(shí)間為3 min，加上周邊超欠挖二次處理、注漿排水等輔助作業(yè)時(shí)間，鉆孔總時(shí)間約為7 h，鉆孔后使用鉆機(jī)進(jìn)一步敲幫問(wèn)頂，之后裝藥2 h，爆破1 h，出渣3 h，支護(hù)6 h，噴漿1 h。優(yōu)化后爆破、出渣、支護(hù)和噴漿作業(yè)的時(shí)間未發(fā)生明顯變化，但受成形質(zhì)量提高的影響，鉆孔輔助作業(yè)時(shí)間縮短，鉆孔總時(shí)間從原來(lái)的7 h降低到優(yōu)化后的4 h，降低了42.9 %，單循環(huán)總時(shí)間從原來(lái)的20 h降低到優(yōu)化后的17 h，降低了15 %。這表明優(yōu)化后的爆破方案減少了不必要的輔助作業(yè)時(shí)間，顯著提升了施工進(jìn)度。

4）經(jīng)濟(jì)成本。優(yōu)化后的爆破方案相較于優(yōu)化前，節(jié)約2號(hào)巖石乳化炸藥10.95 kg，減少了數(shù)碼電子雷管16個(gè)，增加了導(dǎo)爆索50 m。按照2號(hào)巖石乳化炸藥6元/kg，數(shù)碼電子雷管20元/個(gè)，導(dǎo)爆索4元/m來(lái)估算，每循環(huán)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本185.7元。這說(shuō)明優(yōu)化后的爆破方案不僅提高了施工效率，還有效降低了物料消耗和成本，提升了整體施工效益。

總的來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后的爆破方案在各項(xiàng)指標(biāo)（如表3所示）上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。半孔痕率提高了54.5 百分點(diǎn)，表明成形質(zhì)量得到顯著改善；超挖系數(shù)下降了21.7 %，表明爆破精度更高；作業(yè)時(shí)間縮短了15 %，提高了施工效率；經(jīng)濟(jì)成本每循環(huán)降低185.7元，提高了施工效益。究其原因主要有以下3個(gè)方面：①數(shù)碼電子雷管與導(dǎo)爆索的混合起爆網(wǎng)絡(luò)，起爆時(shí)間更精準(zhǔn)，爆破能量分布更加均勻，從而提高了周邊成形質(zhì)量；②更合理的火工品用量配置和起爆控制，減少了炸藥和雷管的消耗，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本；③優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)減少了超欠挖和巖石塌落現(xiàn)象，從而減少了輔助作業(yè)時(shí)間。優(yōu)化后的混合起爆網(wǎng)絡(luò)通過(guò)合理調(diào)整周邊孔的藥量和聯(lián)線方式，實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的爆破效果，充分證明了其在深部復(fù)雜工況巷道爆破掘進(jìn)中提高施工質(zhì)量和效率方面的顯著作用。

4"結(jié)"論

本文通過(guò)對(duì)紗嶺金礦回風(fēng)井-1 200 m水平巷道優(yōu)化前后爆破方案的對(duì)比分析，得出了數(shù)碼電子雷管—導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)的爆破方案在周邊成形控制、降低超挖系數(shù)、縮短作業(yè)時(shí)間和節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

1）起爆網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。數(shù)碼電子雷管—導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使起爆時(shí)間更精準(zhǔn)，爆破能量分布更均勻，有效提高了成形質(zhì)量。

2）火工品配置合理。優(yōu)化后的火工品配置和聯(lián)線方式減少了能量的無(wú)效擴(kuò)散，顯著控制了超挖現(xiàn)象，提高了爆破精度和施工效率。

3）作業(yè)流程優(yōu)化。優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)顯著提升了周邊成形質(zhì)量，間接減少了輔助作業(yè)流程，顯著縮短了整體作業(yè)時(shí)間，降低了經(jīng)濟(jì)成本，提升了施工效益。

4）數(shù)碼電子雷管—導(dǎo)爆索混合起爆網(wǎng)絡(luò)在深部復(fù)雜工況巷道爆破掘進(jìn)中展現(xiàn)了良好的適應(yīng)性，研究成果為紗嶺金礦后續(xù)巷道施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為類(lèi)似工程的爆破設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化提供了重要參考。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］"楊仁樹(shù)，鄭昌達(dá)，李清，等.近50年我國(guó)豎井爆破掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，51（6）：1 031-1 044，1 085.

［2］"劉翔宇，龔敏，楊仁樹(shù)，等.隧道周邊孔毫秒延時(shí)爆破圍巖損傷數(shù)值分析研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2023，42（24）：8-15.

［3］"ZHENG C D，YANG R S，LI Q，et al.Fractal analysis for the blast-induced damage in rock masses with one free boundary［J］.Mechanics of Advanced Materials and Structures，2022：2134609.

［4］"岳中文，郭洋，王煦，等.空孔形狀對(duì)巖石定向斷裂爆破影響規(guī)律的研究［J］.巖土力學(xué)，2016，37（2）：376-382.

［5］"楊仁樹(shù)，張召冉，楊立云，等.基于硬巖快掘技術(shù)的切縫藥包聚能爆破試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（2）：317-323.

［6］"史國(guó)利，肖成龍，鄭昌達(dá)，等.切縫藥包不耦合裝藥爆破損傷破壞的分形研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2020，29（3）：105-109.

［7］"楊仁樹(shù)，丁晨曦，楊立云.高應(yīng)力狀態(tài)下穿過(guò)層理爆破致裂的動(dòng)態(tài)行為研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（4）：801-808.

［8］"楊立云，張飛，董劭揚(yáng)，等.節(jié)理頻度對(duì)類(lèi)巖石介質(zhì)裂紋擴(kuò)展行為的影響［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（1）：20-26.

［9］"羅憶，鄧運(yùn)辰，林城，等.深埋巖溶隧道爆破開(kāi)挖對(duì)圍巖損傷及滲流特性的影響［J/OL］.爆破：1-16［2024-05-18］.

［10］"劉博，胡靜云，史秀志.導(dǎo)爆索-導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路在多點(diǎn)爆區(qū)聯(lián)合起爆中的應(yīng)用［J］.爆破，2021，38（3）：62-66.

［11］"王雁冰，鮑舟琦，謝平，等.基于數(shù)碼電子雷管的準(zhǔn)楔形復(fù)式掏槽爆破試驗(yàn)研究［J］.金屬礦山，2023（3）：73-79.

［12］"汪旭光.爆破手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

Application of perimeter formation control using mixed initiation

network for complex working conditions

Li Qintao，Yuan "Yongzhong，Li Minghui，Yang Yi，Hu Yazhou

（Laizhou Huijin Mining Investment Co.，Ltd.）

Abstract：The -1 200 m roadway blasting and excavation construction in the return air shaft at Shaling Gold Mine is affected by complex working conditions such as ground stress，stratification，and mine water.These factors result in poor blast formation，long auxiliary operation time，and slow construction progress.To address these issues，the digital electronic detonator-detonating cord mixed initiation network perimeter formation control technology was adopted to optimize the original blasting scheme and conduct field experiments.The results of the field experiments showed that the optimized digital electronic detonator-detonating cord mixed initiation network and smooth blasting scheme significantly improved the blasting formation effect，reduced surrounding rock damage，increased the half-hole mark rate by 54.5 percentage points，decreased the over-excavation coefficient by 21.7 %，shortened the operation time by 15 %，and reduced the economic cost per cycle by 185.7 yuan.This achieved quality control of perimeter formation in roadways with complex working conditions and provided a reference for similar roadway blasting projects.

Keywords：deep mining;gold mine;roadway;ground stress;mine water;mixed initiation network;smooth blasting;blasting effect