石灰?guī)r平巷合理掏槽方法和爆破參數(shù)的研究*

孫龍華 楊雙鎖 李達(dá)昌 蘇 鑫

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

巷道平行空孔直線掏槽一般采用三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3種掏槽方式。掏槽爆破的作用是在掘進(jìn)工作面形成第二個(gè)自由面，為后續(xù)炮孔的爆破創(chuàng)造自由面和巖石碎脹補(bǔ)償空間［1］，因此，合理選擇掏槽形式和爆破參數(shù)是實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在滿足爆破安全的條件下，為實(shí)現(xiàn)石灰?guī)r平巷的高效掘進(jìn)，單仁亮等［2］提出了準(zhǔn)直眼掏槽方式;宗琦等［3］還提出了采用中深孔爆破和盡量簡(jiǎn)化掏槽形式以實(shí)現(xiàn)石灰?guī)r高效掘進(jìn)的方法。本研究在優(yōu)化爆破參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3種掏槽方式進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，得出了一種在石灰?guī)r平巷掘進(jìn)中能實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)的掏槽方法。

1 掏槽爆破破巖機(jī)理

當(dāng)裝藥孔起爆時(shí)，在孔內(nèi)產(chǎn)生爆炸沖擊波和高溫高壓氣體，沖擊波在巖體內(nèi)傳播，它使裝藥孔和空孔之間的部分巖石介質(zhì)發(fā)生破碎并產(chǎn)生一定范圍的破碎區(qū)。在爆轟結(jié)束的瞬間，沖擊波衰減為應(yīng)力波，其在徑向方向產(chǎn)生壓應(yīng)力，切向方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，徑向壓應(yīng)力使炮孔徑向方向裂隙范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，切向拉應(yīng)力通常大于巖石的抗拉強(qiáng)度，巖石被拉斷，構(gòu)成與破碎區(qū)貫通的裂隙。最后，隨著爆轟氣體的不斷膨脹，巖石碎塊和爆生氣體混合在一起開始向徑向方向發(fā)生外溢拋擲，最終形成槽腔。

2 工程背景及存在問題分析

2.1 工程背景

陽煤集團(tuán)五礦平巷位于+211 m水平，斷層、節(jié)理、裂隙和溶洞較發(fā)育，巷道圍巖大多為石灰?guī)r(f=8～10)，巷道頂板大多為石灰?guī)r，局部為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖。巷道斷面為直墻半拱，荒斷面尺寸寬為3.2 m，高為3.38 m，斷面面積為10.63 m2。打眼采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)，使用直徑為42 mm的柱齒釬頭，釬桿長(zhǎng)度為1.0 m或1.8 m。爆破采用煤礦許用III級(jí)乳化炸藥，規(guī)格為?35 mm×200 mm×200 g。巷道掘進(jìn)目前采用菱形掏槽技術(shù)，每循環(huán)炮眼數(shù)目為37個(gè)，炸藥消耗量為26 kg，單循環(huán)進(jìn)尺為1.7 m。起爆方式為電雷管毫秒微差起爆。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察和分析，平巷主要存在下列問題:

(1)炮眼利用率低，巷道掘進(jìn)炮眼深度為2.5 m，每次循環(huán)平均進(jìn)尺為1.7 m，炮眼利用率僅為68%。

(2)爆破后巖石拋擲距離較遠(yuǎn)，嚴(yán)重威脅工作面設(shè)備和人員安全。

2.2 存在問題分析

(1)炮眼利用率低的原因分析。選擇合理的掏槽方式和爆破參數(shù)對(duì)整個(gè)循環(huán)爆破的炮眼利用率起至關(guān)重要的作用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察和分析，發(fā)現(xiàn)影響爆破效率低的原因是原掏槽方式掏槽眼起爆后，爆炸應(yīng)力波和爆生氣體在巖體內(nèi)形成的槽腔過小，后續(xù)起爆眼巖石碎脹補(bǔ)償空間狹窄，巖石夾制系數(shù)大，當(dāng)后續(xù)掏槽眼起爆時(shí)，炸藥的大部分能量用于克服夾制力做功，從而造成后續(xù)掏槽眼掏槽失敗，影響炮眼利用率的提高。

(2)拋擲距離較遠(yuǎn)問題分析。在巖石中爆破，爆破能量主要分為爆炸沖擊波能量和爆生氣體能量［5］，前者主要用于巖石的初始裂隙擴(kuò)張，使巖石發(fā)生彈性變形，形成粉碎區(qū)和產(chǎn)生裂隙;后者則主要用于擴(kuò)大槽腔，延伸初始裂隙和拋擲破碎巖石。陽煤五礦平巷掘進(jìn)針對(duì)硬巖采用了加大掏槽眼裝藥系數(shù)的方法，這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了巖石初始裂隙的擴(kuò)展，但由于炸藥單耗與單孔裝藥量過大，炮孔內(nèi)爆生氣體產(chǎn)生的能量也隨之增大，爆破后破碎巖石拋擲距離遠(yuǎn)就不足為奇，因此，在保證填塞質(zhì)量的前提下，合理選擇掏槽爆破參數(shù)是關(guān)鍵。

3 掏槽方法和爆破參數(shù)的選擇

針對(duì)以上存在的問題，從選取合理的掏槽形式和爆破參數(shù)入手，對(duì)光面爆破進(jìn)行優(yōu)化，以期在保證周邊圍巖穩(wěn)定的條件下，實(shí)現(xiàn)巖巷安全、高效掘進(jìn)。

3.1 掏槽形式

平巷掘進(jìn)掏槽方式主要分傾斜孔掏槽和平行空孔直線掏槽兩大類，傾斜孔掏槽因?qū)ο锏罃嗝嬗幸欢ǖ囊?，故?yīng)用較少，常用的為平行空孔直線掏槽，它施工簡(jiǎn)單、易于工人掌握、拋擲力小、適于各類巖層且能實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，故在井巷施工中應(yīng)用較多。結(jié)合陽煤五礦平巷的掘進(jìn)掏槽方式，選用菱形掏槽、螺旋掏槽、三角柱掏槽3種掏槽布孔形式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

(1)單空眼菱形掏槽。單空眼菱形掏槽(如圖1)一般在工作面中央偏下位置布置1個(gè)大直徑減震空眼和4個(gè)裝藥眼。為保證首爆起爆眼具有較大的自由面和巖石破碎擴(kuò)展空間，防止根底現(xiàn)象的出現(xiàn)，結(jié)合工程實(shí)際情況和月進(jìn)尺要求，選取大空孔直徑為100 mm，炮眼深度為2.6 m，裝藥眼直徑為42 mm，炮眼深度為2.5 m。由于巖石密度約為2.42 g/cm3，巖體內(nèi)縱波波速約為3.43×103m/s，巖石泊松比為0.26，彈性模量28.5 GPa，巖石的動(dòng)抗拉強(qiáng)度約為5.65 MPa，炸藥為煤礦許用Ⅲ級(jí)乳化炸藥，爆速為3 500～4 000 m/s，結(jié)合聲學(xué)近似法［5］，選取L1=100 mm，L2=200 mm。裝藥孔分2段爆破，1、2號(hào)掏槽眼同時(shí)起爆，3、4號(hào)掏槽眼利用3段雷管起爆。菱形掏槽空孔能為首爆裝藥眼提供較大的自由面和巖石碎脹補(bǔ)償空間，因此，掏槽眼爆破后會(huì)形成較大的槽腔體積。

圖1 單空眼菱形掏槽

(2)單螺旋掏槽。單螺旋掏槽(如圖2)的特點(diǎn)是以1個(gè)大直徑空孔為中心，裝藥孔呈螺旋線布置在空孔周圍，并按由近及遠(yuǎn)順序起爆的掏槽方法。裝藥眼與空眼間距L一般按下列公式確定:

式中，d為孔徑。結(jié)合工程實(shí)際情況，選取L1=100 mm、L2=150 mm、L3=200 mm、L4=400 mm。為滿足被爆巖石破碎所產(chǎn)生的體積擴(kuò)容增量，空孔直徑一般為100 mm，炮眼深度為2.6 m。掏槽孔起爆順序分4段依次起爆。螺旋掏槽每個(gè)炮眼在起爆時(shí)都是以前一炮眼爆破后形成的最大槽腔為自由面起爆，這樣布置有利于掏槽，另外，2、3、4號(hào)炮眼至1、2、3號(hào)炮眼爆破后所產(chǎn)生的最大自由面的距離是隨著自由面的增大而增加的，這樣也有利于提高炸藥爆破能的利用率，符合掏槽爆破簡(jiǎn)單高效的原則［8］。

圖2 單空眼螺旋掏槽

(3)三角柱掏槽。采用三角柱掏槽(如圖3)，炮眼一般由3個(gè)裝藥眼和4個(gè)空眼組成，一般布置于巷道中央偏下位置，由于巖石的堅(jiān)固性系數(shù)為f=8～10，斷面大小S=10.63 m2，炮孔直徑d=42 mm，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，裝藥眼與空眼間距取200 mm。為減小掏槽過程中巖石的夾制系數(shù)，使炸藥大部分能量用于巖石介質(zhì)的塑性變形，在三角柱中央布置一個(gè)大直徑空孔，直徑D=100 mm。裝藥孔1、2、3同時(shí)起爆。三角柱裝藥孔起爆時(shí)，相鄰裝藥眼之間的空眼起隔離沖擊波和對(duì)爆炸應(yīng)力波方向起集中導(dǎo)向作用，裝藥眼內(nèi)的炸藥不易被壓實(shí)而發(fā)生拒爆，因此，掏槽效果較好。

圖3 三角柱掏槽

3.2 爆破參數(shù)

井巷掘進(jìn)爆破效果的優(yōu)劣在很大程度上取決于爆破參數(shù)的選擇。合理地選擇爆破參數(shù)不僅可以在確保巷道穩(wěn)定和安全的條件下實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)而且可以降低成本。針對(duì)陽煤五礦平巷掘進(jìn)掏槽爆破參數(shù)存在的問題，從以下幾個(gè)方面對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)單位炸藥消耗量。單位炸藥消耗量可用下式確定:

式中，q為單位炸藥消耗量，kg/m3;f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取f=9;S為井巷斷面，取10.83 m2;k0為校正系數(shù)，取0.8。經(jīng)計(jì)算，q=0.82 kg/m3。

(2)掏槽眼裝藥量的確定。掏槽眼裝藥量可根據(jù)裝藥系數(shù)來確定，其計(jì)算公式為

式中，Q1為掏槽眼裝藥量，kg;d為裝藥直徑，取35 mm;ψ為裝藥系數(shù)，見表1，取0.65;L為炮眼深度，取2.5 m;ρ0為炸藥密度，取1.05 g/cm3。根據(jù)以上計(jì)算得掏槽孔裝藥量Q1=1.6 kg。結(jié)合工程實(shí)際，掏槽眼裝藥數(shù)目取8卷。

表1 炮眼裝藥系數(shù)［7］

(3)每循環(huán)炸藥消耗量。

式中，η為炮眼利用率，取90%。代入數(shù)據(jù)可得Q0=20 kg。

(4)炮泥填塞長(zhǎng)度。炮泥的長(zhǎng)度應(yīng)為裝藥長(zhǎng)度的35%～50%，因此，裝藥的炮泥長(zhǎng)度應(yīng)該在0.63～0.9 m。取0.9 m，其中前0.6 m填塞炮泥，靠近藥包的0.3 m填充水炮泥。

(5)裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式。在堅(jiān)硬巖層中，正向裝藥的炮眼利用率較低，巖石爆破效果較差，大塊率較高，而反向裝藥起爆藥包距自由面距離較遠(yuǎn)，爆炸氣體從眼口逸出較慢，爆炸能量能充分應(yīng)用于巖石破碎，爆破效果較好。因此，各裝藥孔均采用反向裝藥，掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖4。起爆方式采用電雷管反向起爆為主。

圖4 掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)

4 爆破效果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案在該礦+211 m水平平巷對(duì)3種掏槽方式分別進(jìn)行了3次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同掏槽方式爆破效果對(duì)比

菱形掏槽爆破后巷道成型不規(guī)則，巖面不平整;周邊眼炮孔周圍有明顯的爆破裂隙且鉆孔壁眼痕不明顯，如圖5;巷道超欠挖現(xiàn)象突破規(guī)定的指標(biāo)，炮眼利用率為84%;采用UBOX－5016－Ⅱ振動(dòng)信號(hào)自記儀記錄數(shù)據(jù)如圖6所示，爆破震動(dòng)對(duì)圍巖影響較嚴(yán)重;爆破后碎石塊度不均勻且拋擲距離較遠(yuǎn)，嚴(yán)重威脅人員、設(shè)備的安全，不利于排矸工序的進(jìn)行。

圖5 菱形掏槽爆破效果

圖6 菱形掏槽爆破振速

單螺旋掏槽爆破后巷道成形規(guī)則，基本滿足直墻半拱巷道近寬3.2 m，近高3.38 m的尺寸要求;巷道輪廓較為平整，在新的巷道壁面上可觀察到較清晰的鉆孔壁痕跡，如圖7;巷道超欠挖現(xiàn)象沒有突破規(guī)定的指標(biāo);炮眼利用率達(dá)92%;爆破震動(dòng)對(duì)圍巖影響相對(duì)較小，爆破振速如圖8所示;爆破后碎石較均勻且拋擲距離較近，利于排矸工序的高效進(jìn)行。與試驗(yàn)前的掏槽方法相比，炮眼數(shù)目減少了23%，單位炸藥消耗量降低了約12.6%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較顯著。

圖7 螺旋掏槽爆破效果

圖8 螺旋掏槽爆破振速

三角柱掏槽爆破后巷道輪廓成型規(guī)整，巖面平整;在巷道壁上可以看見清晰的周邊眼眼痕，如圖9;巷道超欠挖量沒有超過質(zhì)量規(guī)定要求;爆破震動(dòng)對(duì)圍巖影響中等，爆破振速如圖10所示;三角柱掏槽炮眼數(shù)目較多，鉆眼工作量較單螺旋掏槽和菱形掏槽較多;爆破后巖石塊度較大，不利于排矸。

圖9 三角柱掏槽爆破效果

5 結(jié)論

(1)螺旋掏槽完全適合于在小斷面石灰?guī)r平巷中掏槽爆破。具體爆破參數(shù)為:d1=150 mm，d2=250 mm，d3=350 mm，d4=450 mm。

圖10 三角柱掏槽爆破振速

(2)在石灰?guī)r平巷掘進(jìn)中，螺旋掏槽優(yōu)于菱形掏槽和三角柱掏槽。螺旋掏槽炮眼數(shù)目少，單位炸藥消耗量低，循環(huán)進(jìn)尺較大，巷道超欠挖量符合質(zhì)量規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，材料消耗較少。

(3)在巖巷掘進(jìn)過程中，確保鉆眼質(zhì)量、裝藥質(zhì)量和炮眼堵塞質(zhì)量也是提高掏槽爆破效果的關(guān)鍵因素。

(4)巖巷掘進(jìn)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，在保證爆破工藝和炸藥性能一定的前提下，針對(duì)不同的巖石特性采用適宜的掏槽方式是巖巷實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的有效途徑。

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