分次爆破在斜井凍結(jié)段施工中的應(yīng)用

張壯杰

中煤華晉集團(tuán)晉城能源有限公司 山西晉城 048200

1 工程概況

里必煤礦設(shè)計(jì)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置主斜井，設(shè)計(jì)沖積層和基巖風(fēng)化帶采用凍結(jié)法施工，主斜井斜長(zhǎng)1770.8m，坡度16°，凈寬5.4m，凈高4.0m，凈斷面18.5m2。

2 地質(zhì)概況

根據(jù)《里必煤礦主斜井、副立井井筒檢查孔地質(zhì)報(bào)告》，主斜井凍結(jié)段預(yù)計(jì)揭露的地層依次為第四系（Q）、二疊系上石盒子組（P2S）。

2.1 第四系（Q）

頂部為6.8m黃土和砂質(zhì)粘土層；井筒揭露完畢。13.1m卵石層未膠結(jié)，充填有粗、中、細(xì)砂，井筒里程70-123m，揭露斜長(zhǎng)28m，剩余斜長(zhǎng)25m。

2.2 二疊系上石盒子組（P2S）

厚度約18.15m強(qiáng)風(fēng)化泥巖與細(xì)砂巖互層，巖性較硬，井筒里程123-184m；厚度為34.35m弱風(fēng)化泥巖，較軟，井筒里程184-

298m。

3 主斜井凍結(jié)段布置情況

主斜井優(yōu)化后分為4個(gè)凍結(jié)區(qū)段，凍結(jié)孔均采用地面垂直孔。

3.1 第I 段斜長(zhǎng)53.07m（里程70-123.07m）

第II段斜長(zhǎng)68.24m（里程123.07-191.31m）；該兩段全斷面凍結(jié)；掘砌斷面內(nèi)設(shè)計(jì)三個(gè)中排孔，掘砌斷面外設(shè)計(jì)兩個(gè)外排孔；凍結(jié)深度為荒底板向下5.5m[1]。

3.2 第III 段斜長(zhǎng)55.76m（里程191.31-247.07m）

第IV段斜長(zhǎng)53.99m（里程247.07-301.06m）；該兩段帷幕凍結(jié)；掘砌斷面不凍結(jié)，掘進(jìn)斷面外設(shè)計(jì)兩個(gè)外排孔；凍結(jié)深度超過凍結(jié)區(qū)域基巖風(fēng)化帶深度3m。

4 凍結(jié)壁參數(shù)設(shè)計(jì)及凍結(jié)管材

4.1 凍結(jié)壁參數(shù)設(shè)計(jì)

主斜井第I、II段頂板、兩幫及底部?jī)鼋Y(jié)壁設(shè)計(jì)厚度分別為6.0m、2.4m、5.0m；第III、IV段兩幫凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為2.4m。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度為-10℃。

4.2 凍結(jié)管材

外排凍結(jié)孔選用φ140×5mm低碳無縫鋼管，其它凍結(jié)孔選用φ127×5mm低碳無縫鋼管，真空隔熱段采用φ168×5mm低碳無縫鋼管內(nèi)套φ127×5mm低碳無縫鋼管；鹽水管路供液管選用φ75×6mm聚乙烯塑料軟管，凍結(jié)孔內(nèi)鹽水流動(dòng)采用正循環(huán)方式。

4.3 凍結(jié)管材安全振動(dòng)閾值

根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)控制爆破技術(shù)中心李勝林教授設(shè)計(jì)的《里必礦井主斜井井筒掘砌工程凍結(jié)段爆破專項(xiàng)方案》，凍結(jié)管的安全振動(dòng)閾值按照8cm/s設(shè)計(jì)，需通過試驗(yàn)逐步進(jìn)行驗(yàn)證與研究確定。（沁水縣的抗震設(shè)防烈度為7度，地面振動(dòng)速度為5-9cm/s）。

5 振動(dòng)測(cè)試

5.1 振動(dòng)測(cè)試目的

①驗(yàn)證地表凍結(jié)主干管安全振動(dòng)閾值；②明確該場(chǎng)地下的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律；③驗(yàn)證主斜井井筒爆破最大單響藥量；④優(yōu)化主斜井井筒爆破方案。

5.2 監(jiān)測(cè)方法

為驗(yàn)證地表凍結(jié)主干管安全振動(dòng)閾值及該場(chǎng)地下的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，在主斜井上方地表及凍結(jié)管主干管基礎(chǔ)上布設(shè)振動(dòng)傳感器：①掘進(jìn)斷面拱頂正上方地表布置1#傳感器；②地表沿斜井走向以1#傳感器為中心前后各布置兩個(gè)傳感器，距離分別為5m、10m，傳感器編號(hào)2-5#；③距離1#傳感器最近的凍結(jié)主干管的基礎(chǔ)底部布置兩個(gè)傳感器，傳感器編號(hào)6-7#；④距離1#傳感器最近的凍結(jié)管主干管的基礎(chǔ)頂面布置兩個(gè)傳感器，傳感器編號(hào)8-9#。

5.3 分次爆破測(cè)試

測(cè)試階段，火工品使用煤礦許用乳化炸藥、毫秒延期雷管。

（1）第一階段：驗(yàn)證爆破方案的可行性。為減小爆破振動(dòng)對(duì)于地表凍結(jié)管主干管的影響，爆破裝藥前采用機(jī)械為主、人工為輔的方式在主斜井凍結(jié)段上部挖掘一個(gè)高1.8m、深1.6m的空腔，用于阻隔爆破地震波向上方地表的傳播。底部中間位置布置兩對(duì)掏槽孔，掏槽孔傾斜75°、深1.8m，孔底距0.3m，每孔裝藥量0.8kg，均選用1段毫秒延期電雷管；兩對(duì)掏槽孔中間布設(shè)一中空孔。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：第一階段爆破測(cè)試嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，監(jiān)測(cè)振動(dòng)峰值實(shí)測(cè)最大為5.77cm/s（3#），沒有超過振動(dòng)閾值設(shè)計(jì)值8cm/s，爆破后檢查凍結(jié)主干管和井下凍結(jié)管無異常。

（2）第二階段：增加掏槽孔數(shù)量、減小掏槽藥量、空腔置換為周邊空孔。第一階段驗(yàn)證后，為減少后期機(jī)械和人工開挖量，主斜井上部不開挖空腔，但沿拱頂輪廓線布置周邊空孔，孔間距設(shè)計(jì)0.3m、深1.6m。為確保爆破效果，擴(kuò)大掏槽空腔范圍，在第一階段的基礎(chǔ)上，將主斜井掘進(jìn)斷面底部掏槽孔增加為四對(duì)。同時(shí)為控制爆破振動(dòng)，試驗(yàn)每孔裝藥量降為0.6kg，且下面兩對(duì)炮孔選取1段雷管、上面兩對(duì)選取2段雷管用以分散掏槽孔起爆藥量，四對(duì)掏槽孔中間布設(shè)三個(gè)空孔。在主斜井掘進(jìn)斷面底部掏槽孔周圍增加一圈輔助孔，輔助孔每孔藥量0.6kg，采取間隔裝藥并選取3段雷管起爆。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：第二階段爆破測(cè)試嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，監(jiān)測(cè)振動(dòng)峰值實(shí)測(cè)最大為1.63cm/s（7#），沒有超過振動(dòng)閾值設(shè)計(jì)值8cm/s，爆破后檢查凍結(jié)主干管和井下凍結(jié)管無異常。

（3）第三階段：正常階段的松動(dòng)爆破開挖[2]。為保證掏槽效果，將掏槽孔單孔藥量增加為0.8kg，同時(shí)下面兩對(duì)掏槽孔選取1段雷管、上面兩對(duì)選取2段雷管分散掏槽孔起爆藥量，四對(duì)掏槽孔中間布設(shè)三個(gè)空孔；為確保周邊孔降振吸能效果，縮短周邊眼間距至0.3m；為降低后續(xù)機(jī)械開挖量，將周邊孔抵抗線縮減為400mm，但縮小第三圈輔助孔孔距至300mm并采用間隔裝藥。采用全斷面三次起爆作業(yè)。

第三階段爆破測(cè)試時(shí)，由于火工品供應(yīng)只有兩種段發(fā)雷管，經(jīng)起爆順序后，監(jiān)測(cè)振動(dòng)峰值實(shí)測(cè)最大為4.3cm/s，沒有超過振動(dòng)閾值設(shè)計(jì)值8cm/s，爆破后現(xiàn)場(chǎng)檢查凍結(jié)主干管和井下凍結(jié)管無異常，進(jìn)入正常階段爆破開挖測(cè)試。

（4）根據(jù)凍結(jié)段1.2m循環(huán)松動(dòng)爆破（三次起爆）統(tǒng)計(jì)表如下：

時(shí)間 里程 起爆次數(shù)總裝藥量單響裝藥量 進(jìn)尺 監(jiān)測(cè)最大值 備注10.21 102.8 3 53.4 11.7 1.2 4.3 爆源前方10m 10.22 104.0 3 53.4 12.9 1.2 8.75 爆源正上方10.23 105.2 3 51 9.6 1.2 4.9 南側(cè)干管10.25 106.4 3 52.5 11.4 1.2 4.9 南側(cè)干管11.02 108.8 3 46.6 9.0 1.2 3.3 北干管11.03 110.0 4 53.4 9.0 1.2 4.06 北基礎(chǔ)地表11.04 111.2 3 53.4 9.6 1.2 3.58 爆源正上方

6 松動(dòng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)采用前蘇聯(lián)學(xué)者提出的薩道夫斯基公式進(jìn)行，式中：

V—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值（cm/s）；

Q—炸藥量（kg）毫秒爆破時(shí)取最大單段藥量，齊發(fā)爆破取總裝藥量；R—爆心距（m），即為爆源到測(cè)點(diǎn)的距離；

K、α—是與地形和地質(zhì)條件相關(guān)的系數(shù)與衰減指數(shù)。

（2）一元線性擬合過程及計(jì)算。統(tǒng)計(jì)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法求解K和α值，具體計(jì)算步驟省略：K=50-350；α=1.3-2.0。

（3）數(shù)據(jù)分析結(jié)論：①樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的比較離散，主要受垂直布置凍結(jié)管影響較大。②振動(dòng)速度與K值直線相關(guān)，與本地地質(zhì)條件密切相關(guān)，同時(shí)與垂直布置的凍結(jié)管關(guān)聯(lián)較大。空腔（如后方已掘巷道形成的空腔、上方空腔和空炮眼）K值較小，多在40-80之間；密實(shí)的、凍結(jié)一體的巖層K值多在100-200之間，凍結(jié)管附近K值多在300以上，高值可達(dá)600以上。說明爆源振動(dòng)速度幅度與介質(zhì)密切相關(guān)。③炸藥量的影響，主要與單響炸藥量關(guān)系密切。④爆心距的影響，振動(dòng)測(cè)試地點(diǎn)與爆源的直線距離，成反比關(guān)系。

（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)操作的關(guān)聯(lián)分析。①空腔有利于減小井下爆破對(duì)地面振動(dòng)的速度幅度，現(xiàn)場(chǎng)采用多排輔助、密排炮眼間距的措施有利于減震。②同量的炸藥量，采用盡可能多的分次起爆或多段雷管有利于減震；實(shí)測(cè)單響裝藥量不超過12kg可以實(shí)現(xiàn)安全爆破。③爆心距越大，振動(dòng)速度幅度越小。④通過現(xiàn)場(chǎng)操作和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，已有經(jīng)驗(yàn)表明，凍結(jié)管可以經(jīng)受4.9cm/S的實(shí)測(cè)振動(dòng)速度幅度。同時(shí)受地質(zhì)條件影響，實(shí)測(cè)南側(cè)干管振動(dòng)速度幅度高于北側(cè)干管[3]。

7 結(jié)語

（1）采用該方案進(jìn)入爆破掘進(jìn)，隨掘進(jìn)施工不斷優(yōu)化，連續(xù)施工8個(gè)循環(huán)，取得了斜井凍結(jié)段淺孔爆破的國內(nèi)首次成功案例。

（2）根據(jù)施工統(tǒng)計(jì)，施工進(jìn)度逐步從原32小時(shí)縮短至24小時(shí)左右，施工單進(jìn)水平可以達(dá)到36m/月。