中硬巖石巷道聚能管控制爆破與光面爆破的對比試驗研究

許 鵬，楊立云，李建平，陳燦亭

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.鄭州華轅煤業有限公司，河南 鄭州 451100)

在巖巷掘進中，光面爆破技術已經得到了廣泛的應用，其通常是采用密打眼、少裝藥的方法來實現光面效果。一方面，由于實際環境和施工等的影響，無法保證巷道輪廓的完整性，且對圍巖有一定損傷，不利于巷道圍巖的長期穩定[1]。另一方面，由于周邊眼間距較小，打眼數量較多，降低了巷道的掘進速度。而且在實際施工中，往往由于工程地質條件的復雜性，爆破參數設計、炸藥使用以及鉆眼爆破施工等操作因素的影響，導致周邊眼控制效果較差，出現超欠挖過多、半眼痕率較低或是爆破掘進進尺較小等問題。因此，有必要對傳統的光面爆破技術進行改進和研究，在保證巷道成型質量的同時，實現高效快速掘進。

長期以來，很多學者已對爆破技術進行了研究。馬芹永[2]對爆破參數進行了研究分析，得出了不同圍巖條件下炮眼間排距的確定方法。楊仁樹[3]利用焦散線方法對定向控制爆破機理進行了分析。但對于在中硬巖石、節理裂隙不發育的巖石中進行爆破，還存在許多不足。本文擬通過理論分析，結合現場試驗研究，采用聚能管控制爆破技術，選擇合理的爆破參數，實現對巷道輪廓的控制，同時增大巷道的有效進尺，提高巷道掘進效率。

1 爆破原理比較與分析

光面爆破的實質是利用在井巷掘進設計斷面的輪廓線上，布置間距小、相互平行的炮眼，并通過控制單孔裝藥量和炸藥選用類型，或采用不耦合裝藥的方法，并利用多孔同時起爆，使炸藥的爆炸作用剛好在炮眼連線上產生貫穿裂縫，最終貫穿形成斷面輪廓線將巖石崩落下來[4]。對于其爆破機理方面的研究，目前國內外學者普遍認為：巖石的破碎是炸藥瞬時爆炸產生的爆炸應力波和高溫高壓氣體在狹小空間內瞬間釋放并共同作用的結果，尤其是采用不耦合裝藥時，這種作用更為顯著[5]。

斷裂控制爆破是控制巷道邊界的新方法。其與光面爆破的主要差別，在于通過在炮孔中增加帶切縫的裝置使爆生氣體沿切縫方向移動，從而加強爆生氣體的擴縫作用，最終獲得平滑而穩定的巷道周邊輪廓，同時減少對輪廓線附近圍巖的損傷破壞。斷裂控制爆破中，采用的裝藥結構圖，如圖1所示。炸藥起爆后，由于聚能管上裂縫的影響，爆生氣體將首先沿著裂縫方向擴展，并對該方向的圍巖造成破壞，最終在孔壁附近沿著巷道設計輪廓線形成裂縫[6]。

2 聚能管控制爆破的現場試驗

2.1 試驗巷道概況

李糧店煤礦西二采區軌道運輸巷為全巖巷道，巷斷面形式為直墻半圓拱形。巷道設計長度為1275m，巷道坡度-3‰。巷道凈斷面19.4m2。巷道圍巖巖性為灰巖，普氏系數f=10～12，巖體硬度較大，且巖體節理裂隙不發育，完整性好，屬于中等難爆巖，局部含水，遇裂隙帶或構造帶有漏水現象。巷道采用鉆爆法進行施工，炸藥為直徑32mm，長220mm，重200g的煤礦二級乳化炸藥。雷管為煤礦用間隔25ms雷管，有1、2、3、5段。

2.2 掏槽形式和起爆方式

在巖巷掘進中，炮眼布置方式是爆破的主要工序，其中掏槽方式的選擇，更是炮眼布置的關鍵[7]，是提高井巷掘進速度和爆破效率的主要因素。掏槽效果的好壞，對爆破效果起著關鍵的作用，好的掏槽形式可以提高破巖效率和循環進尺。因此，選擇最優的掏槽方式是爆破成功的關鍵，必須選擇合理的掏槽方式和裝藥量，使巖石完全破碎并形成理想的槽腔，為進一步爆破提供自由面。根據李糧店礦西二采區軌道運輸巷的實際情況，采用二級復合楔形掏槽方式進行掏槽，其中，一級掏槽眼角度為67°，二級掏槽眼角度為74°。各掏槽眼角度，通過控制釬桿尾部距巷道周邊的距離來試驗掏槽眼角度的控制。同時，為了保證掏槽效果，增加掏槽的有效深度，布置了3個掏槽中心孔，采用底部裝藥，以增大對巖石的破碎和拋擲作用。為了增大單循環進尺，實現巷道快速掘進，中心孔和掏槽眼垂直深度為2.5m，其它炮孔的垂直深度均為2.3m。

不同的起爆方式和起爆點位置，對爆炸作用有顯著的影響[8]。合理的起爆方式，不僅可以彌補裝藥結構的不足，還可以在保證爆破效果的同時減少裝藥量，減少對圍巖的損傷，提高裝藥利用率。起爆方式一般有正向起爆和反向起爆兩種。與正向起爆相比，反向起爆能使爆轟波自孔底向孔口傳播，對改善爆破效果的作用顯著[9]，但降低了作用在巷道輪廓線上圍巖的爆破能量。考慮現場圍巖的實際情況，由于巷道圍巖硬度較大，為了保證巖石能夠充分破碎，并形成良好的自由面，增加炸藥對巖石的拋擲效果，所以掏槽眼采用反向起爆，起爆點在孔底，其他炮孔采用正向起爆。試驗時采用全斷面一次爆破法進行施工。

2.3 聚能管控制爆破實驗描述

為了較好的研究聚能管對爆破效果的影響，試驗采用如下方案：巷道左幫拱頂處采用常規光面爆破設計參數施工，右幫拱頂處采用聚能管控制爆破設計參數施工。具體炮眼布置如圖2所示。其中，左幫拱頂處54～67號炮孔采用普通光面爆破法，炮眼間距400mm，抵抗線400mm；右幫拱頂處68～76號炮孔采用聚能管控制爆破，炮眼間距600mm，抵抗線400mm。爆破參數見表1。

表1 爆破參數表

聚能管為直徑Φ40mm的抗靜電阻燃PVC管。為便于聚能管插入炮孔，68～76號炮眼采用Φ46鉆頭進行打眼作業，其他炮眼仍采用Φ40的鉆頭施工。由于現場采用的是Φ32/L220-200g的二級乳化炸藥和2.3m深的周邊炮孔深度，因此設計的聚能管規格為Φ40/L1000，設計切縫寬度4mm。裝藥時，用炮棍輕緩把聚能管推入炮孔底部，要求聚能管插入炮孔時，其切縫方向必須嚴格與巷道輪廓線方向一致，且在用炮孔推進過程中，聚能管不能發生旋轉。兩組試驗中，周邊眼單孔裝藥量均不變。

2.4 實驗結果及分析

放炮后，爆破循環進尺平均達到2.1m，周邊均不存在超欠挖現象。但是，采用聚能管控制爆破技術的右幫拱頂處，形成了完整的6個半眼殘痕；而采用普通光面爆破法施工的左幫拱頂處，出現了4條半眼殘痕，且該半眼殘痕長度較短，不完整。

采用聚能管控制爆破技術后，大部分能量通過切縫作用于巖石上，由于切縫方向與巷道輪廓方向一致，因而能量較多的作用在巷道輪廓方向上的巖石上，而在其它方向的能量則較小。總體上看，采用聚能管控制爆破技術的巖石單耗降低，總裝藥量減少，炮孔數量減少，有利于快速施工。但是，采用聚能管控制爆破技術，需要采用較大直徑規格的鉆頭，同時需要增加聚能管加工的工序，一定程度上又降低了施工速度。但是總體上來說，采用聚能管控制爆破技術后，巷道成型質量更易保證，減少了后期的巷道施工與維護成本，優于普通光面爆破技術。

3 結論

為了實現在中硬巖石巷道中快速高效施工，本文通過理論分析和現場試驗，進行了普通光面爆破和聚能管控制爆破兩種工藝技術的對比試驗，得到如下結論：

1) 采用聚能管控制爆破，爆生應力波相互作用，并在炮孔連線方向上產生貫穿裂紋，且能量較多的沿預制裂縫方向移動，更加有利于輪廓線上巖石的破碎。

2) 采用聚能管控制爆破技術，周邊眼間距可以由原來的400mm增加到600mm，其爆破效果明顯優于普通光面爆破，且平均炸藥消耗量有所減少。

3) 采用聚能管控制爆破技術，在保證巷道成型質量的前提下，周邊眼間距變大，減少了打眼個數，提高了巷道掘進速度。

[1]江杰才,崔建井.聚能管在光面爆破中的應用[J].煤炭技術，2001,20(10):18-19.

[2]馬芹永.光面爆破炮眼間距及光面層厚度的確定[J].巖石力學與工程學報，1997,16(6):590-594.

[3]楊仁樹,宋俊生,楊永琦.切槽爆破機理模型試驗研究[J].煤炭學報，1995,20(2):197-199.

[4]王文龍.鉆眼爆破[M].北京:煤炭工業出版社，1984.

[5]陳國良.光面爆破技術在不穩固巖體掘進中的研究和應用[D].南寧：廣西大學，2008.

[6]陽友奎,張志呈,邱賢德.斷裂控制爆破原理及其現場應用[J].巖石力學與工程學報，1993,12(3):265-274.

[7]孫長壽,盤寶怡.在堅硬礦巖中掏槽方式的試驗及其應用[J].爆破器材，1994,23(4):24-25.

[8]顧文彬,趙有守,陶躍興.起爆方式對爆炸作用影響的研究[J].南京理工大學學報，1995,19(2):143-147.

[9]袁文華,馬芹永.煤礦深部巖石力學性能試驗分析與硬巖巷道快速掘進方法研究[J].巖石力學與工程學報，2010,29(增1)：2853-2857.