基于實驗室測試的楔形掏槽爆破因素分析

陳壽安

(國投新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232180)

某礦軌道大巷是服務于采區(qū)的主要運輸、通風巷道，海拔標高為+400 m，掘進長度4290 m。巷道設計斷面為半圓拱形，斷面凈寬5000 mm、凈高4600 mm、掘?qū)?240 mm、掘高4940 mm。巷道掘進采用鉆爆法施工，周邊孔采用光面爆破，巷道斷面采用臺階法施工。目前，該軌道大巷平均月進尺僅為60 m，相對緩慢的掘進速度嚴重制約了礦井的高產(chǎn)高效開采，延長了礦井的接替周期，成為礦井擴大生產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益的“瓶頸”。掏槽的深度決定了掘進的循環(huán)進尺，掏槽效果受到地質(zhì)條件、掏槽深度及形式等多因素的影響。因此，基于實驗室測試掏槽爆破因素分析，確定該礦軌道大巷掏槽形式和掏槽爆破參數(shù)，對于提高爆破工程質(zhì)量及巷道掘進速度具有重要意義。

1 試驗方案

在理論分析的基礎上，結(jié)合該礦軌道大巷巖石的物理力學性能參數(shù)測試結(jié)果及爆破掘進方案，確定試驗方案。巷道圍巖強度可分為3個等級，即38.5 MPa、50 MPa和25 MPa。巖石強度38.5 MPa試塊5塊，調(diào)整掏槽孔傾角進行試驗;巖石強度50 MPa試塊2塊。巖石強度25 MPa試塊2塊;試塊尺寸為300 mm×300 mm×300 mm的水泥沙漿，見圖1。根據(jù)相似準則確定3種強度試塊材料配比分別為1∶2.3∶7.2、1∶2.5∶8.0 和 1∶1.9∶8.4(水∶水泥∶沙子)。水泥選用強度等級為32.5(R)的普通硅酸鹽水泥，養(yǎng)護28天進行試驗。

圖1 試塊模型示意圖

根據(jù)巖石強度等級試驗分3組進行，在每種強度試塊試驗中分別調(diào)整掏槽孔傾角依次進行試驗，根據(jù)試驗方案共制作試塊9塊，主要研究楔形掏槽炮孔傾角對掏槽效果的影響、楔形掏槽爆破機理、炮孔堵塞作用，最終確定適合該巖巷的掏槽爆破方式和參數(shù)。具體試驗方案見表1。

2 試驗方法

試驗在爆破實驗室內(nèi)進行，為了保證掏槽孔傾角的準確性，掏槽孔采用電錘人工鉆孔，見圖2(a)。量角器和鋼尺控制傾角和孔深;裝藥為單質(zhì)黑索金炸藥，單孔藥量為0.1 g，引火藥頭起爆;采用黑膠皮覆蓋防護;爆破后掏槽深度采用鋼尺確定，確定深度時量取相互垂直的兩個方向的深度，最后取2個垂直深度的平均值作為槽腔深度，見圖2(b)。槽腔體積確定時先將塑料袋放入槽腔，向塑料袋內(nèi)灌水，當水充滿整個槽腔后，把塑料袋內(nèi)水放入量筒確定槽腔體積，見圖2(c)。

表1 試驗方案表

圖2 試驗方法示意圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 槽腔深度及體積

試驗過程中，記錄了試塊爆破后槽腔深度、槽腔體積、炮孔利用率和槽腔爆破塊度等參數(shù)，通過對比試驗記錄參數(shù)，分析對比掏槽孔傾角變化對掏槽效果的影響，并簡單分析楔形掏槽爆破槽腔形成過程。試驗結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果表

根據(jù)表2繪制38.5 MPa試塊槽腔深度及體積變化圖，見圖3。

在掏槽爆破中，掏槽孔傾角變化將影響槽腔的深度，傾角不對稱時槽腔深度減小;掏槽孔傾角變化時槽腔體積也會隨之變化，掏槽孔不對稱時槽腔體積減小。

圖3 38.5 MPa試塊槽腔深度及體積變化圖

圖4 試塊槽腔深度對比圖

根據(jù)試塊爆破后槽腔深度、槽腔體積的變化規(guī)律可以看出，炮孔傾角在80°左右槽腔深度及槽腔體積均達到峰值。因此，在試塊強度為38.5 MPa時，為了提高槽腔深度和擴大槽腔體積應控制炮孔傾角在80°左右。繪制不同巖石強度條件下槽腔深度變化圖，見圖4。巖石強度在25～50 MPa范圍內(nèi)，槽腔深度變化范圍為55～68 mm，巖石強度為 38.5 MPa，炮孔傾角為70°、80°條件下，槽腔深度分別達到 62 mm，68 mm。根據(jù)對比分析結(jié)果，確定炮孔傾角為80°能夠充分利用爆炸能量，提高鉆孔利用率。

相同掏槽傾角時不同強度試塊槽腔深度不同，且傾角變化時槽腔深度也隨之發(fā)生變化;隨著掏槽孔傾角的增大，槽腔深度均相應增大。從炸藥能量分配來看，炸藥的爆炸能量消耗在巖石彈性變形，巖石的破碎，巖石的拋移、飛散以及形成空氣沖擊波4個方面。巖石強度較小，且掏槽孔深度不大時炸藥能量分配在巖石彈性變形、巖石破碎上的比例減少，較多的能量分配在拋移和形成空氣沖擊波上，造成槽腔深度和槽腔體積減小。

3.2 爆破效果

試塊爆破效果見圖5。

圖5 試塊爆破效果圖

對比不同巖石強度條件下試塊爆破效果可見，巖石強度越低，爆破周圍裂隙越發(fā)育，爆破影響范圍越大。因此，在巖石強度不同的條件下，可以通過控制單孔裝藥量實現(xiàn)爆破效果的一致性，實現(xiàn)進尺的統(tǒng)一。

3.3 炮孔堵塞效果

測試炮孔堵塞條件下爆破效果圖，見圖6。

圖6 炮孔堵塞效果對比圖

炮孔堵塞后可以提高炸藥能量利用率，保證爆破效果，而不堵塞時炸藥能量從炮孔口大量逸出，爆炸能量主要消耗在形成空氣沖擊波上。在炮孔堵塞條件下，鉆孔破壞效果較未堵塞條件下明顯增強，對于提高爆破效果起到積極的作用。

4 結(jié)論

1)掏槽爆破時掏槽孔傾角影響槽腔深度和槽腔體積，不同強度的巖石掏槽爆破時需要確定合適的炮孔傾角，才能達到良好的掏槽效果。

2)掏槽孔傾角不對稱時會降低槽腔深度和槽腔體積。

3)巖石強度較低時(f=2～5)，隨著巖石強度的增加，掏槽孔傾角應適當增大。

4)炸藥爆破時需要對炮孔進行合理堵塞，以提高炸藥能量利用率，保證爆破效果。

5)掏槽爆破槽腔的形成是爆炸應力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果，為了適應不同的巖石條件，應根據(jù)理論計算，確定爆炸應力波和爆生氣體兩種能量的合適比例，以求達到良好的爆破效果。

［1］石洪超，張繼春，瞎森林，等.層狀圍巖小凈距隧道掏槽爆破減震技術(shù)［J］.爆破，2013，30(4):60－65.

［2］楊國梁，姜琳琳，楊仁樹.復式楔形深孔掏槽爆破研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2013，42(5):755－760.

［3］鄧光茂，欒龍發(fā).花崗片麻巖地區(qū)小斷面巷道掏槽爆破技術(shù)研究［J］.工程爆破，2013，19(6):22－24，34.

［4］辛 飛.煤礦掘進中深孔爆破技術(shù)研究［J］.煤礦技術(shù)，2013，10(下):72.

［5］孫龍華，楊雙鎖，李達昌，等.石灰?guī)r平巷合理掏槽方法和爆破參數(shù)的研究［J］.金屬礦山，2013(9):26－39，33.

［6］嚴加剛，汪光德.西石門鐵礦特定條件下的回采掏槽方案及工藝［J］.采礦技術(shù)，2004，4(2):48－49.

［7］曹士喜.巖巷中深孔光面爆破掏槽相關(guān)因素分析與實踐［J］.山東煤炭科技，2013(4):105－106.

［8］余永強，王 超，褚懷保，等.硬巖巷道中深孔爆破掘進復楔形掏槽試驗研究［J］.爆破，2013，30(2):95－99.