石灰巖平巷合理掏槽方法和爆破參數的研究*

2013-06-26 05:52:22孫龍華楊雙鎖李達昌

金屬礦山 2013年9期

孫龍華楊雙鎖李達昌蘇鑫

(太原理工大學礦業工程學院)

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工作面形成第二個自由面，為后續炮孔的爆破創造自由面和巖石碎脹補償空間［1］，因此，合理選擇掏槽形式和爆破參數是實現巷道快速掘進的關鍵環節。在滿足爆破安全的條件下，為實現石灰巖平巷的高效掘進，單仁亮等［2］提出了準直眼掏槽方式;宗琦等［3］還提出了采用中深孔爆破和盡量簡化掏槽形式以實現石灰巖高效掘進的方法。本研究在優化爆破參數的基礎上，對三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3種掏槽方式進行了現場對比試驗，得出了一種在石灰巖平巷掘進中能實現高效掘進的掏槽方法。

1 掏槽爆破破巖機理

當裝藥孔起爆時，在孔內產生爆炸沖擊波和高溫高壓氣體，沖擊波在巖體內傳播，它使裝藥孔和空孔之間的部分巖石介質發生破碎并產生一定范圍的破碎區。在爆轟結束的瞬間，沖擊波衰減為應力波，其在徑向方向產生壓應力，切向方向產生拉應力，徑向壓應力使炮孔徑向方向裂隙范圍進一步擴大，切向拉應力通常大于巖石的抗拉強度，巖石被拉斷，構成與破碎區貫通的裂隙。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

陽煤集團五礦平巷位于+211 m水平，斷層、節理、裂隙和溶洞較發育，巷道圍巖大多為石灰巖(f=8～10)，巷道頂板大多為石灰巖，局部為砂巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖。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，使用直徑為42 mm的柱齒釬頭，釬桿長度為1.0 m或1.8 m。爆破采用煤礦許用III級乳化炸藥，規格為?35 mm×200 mm×200 g。巷道掘進目前采用菱形掏槽技術，每循環炮眼數目為37個，炸藥消耗量為26 kg，單循環進尺為1.7 m。起爆方式為電雷管毫秒微差起爆。經現場觀察和分析，平巷主要存在下列問題:

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

(2)爆破后巖石拋擲距離較遠，嚴重威脅工作面設備和人員安全。

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對整個循環爆破的炮眼利用率起至關重要的作用。經現場觀察和分析，發現影響爆破效率低的原因是原掏槽方式掏槽眼起爆后，爆炸應力波和爆生氣體在巖體內形成的槽腔過小，后續起爆眼巖石碎脹補償空間狹窄，巖石夾制系數大，當后續掏槽眼起爆時，炸藥的大部分能量用于克服夾制力做功，從而造成后續掏槽眼掏槽失敗，影響炮眼利用率的提高。

(2)拋擲距離較遠問題分析。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張，使巖石發生彈性變形，形成粉碎區和產生裂隙;后者則主要用于擴大槽腔，延伸初始裂隙和拋擲破碎巖石。陽煤五礦平巷掘進針對硬巖采用了加大掏槽眼裝藥系數的方法，這在一定程度上實現了巖石初始裂隙的擴展，但由于炸藥單耗與單孔裝藥量過大，炮孔內爆生氣體產生的能量也隨之增大，爆破后破碎巖石拋擲距離遠就不足為奇，因此，在保證填塞質量的前提下，合理選擇掏槽爆破參數是關鍵。

3 掏槽方法和爆破參數的選擇

針對以上存在的問題，從選取合理的掏槽形式和爆破參數入手，對光面爆破進行優化，以期在保證周邊圍巖穩定的條件下，實現巖巷安全、高效掘進。

3.1 掏槽形式

平巷掘進掏槽方式主要分傾斜孔掏槽和平行空孔直線掏槽兩大類，傾斜孔掏槽因對巷道斷面有一定的要求，故應用較少，常用的為平行空孔直線掏槽，它施工簡單、易于工人掌握、拋擲力小、適于各類巖層且能實現高效生產，故在井巷施工中應用較多。結合陽煤五礦平巷的掘進掏槽方式，選用菱形掏槽、螺旋掏槽、三角柱掏槽3種掏槽布孔形式進行對比試驗。

(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個大直徑減震空眼和4個裝藥眼。為保證首爆起爆眼具有較大的自由面和巖石破碎擴展空間，防止根底現象的出現，結合工程實際情況和月進尺要求，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，巖石的動抗拉強度約為5.65 MPa，炸藥為煤礦許用Ⅲ級乳化炸藥，爆速為3 500～4 000 m/s，結合聲學近似法［5］，選取L1=100 mm，L2=200 mm。裝藥孔分2段爆破，1、2號掏槽眼同時起爆，3、4號掏槽眼利用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償空間，因此，掏槽眼爆破后會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)的特點是以1個大直徑空孔為中心，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。結合工程實際情況，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生的體積擴容增量，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。螺旋掏槽每個炮眼在起爆時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號炮眼至1、2、3號炮眼爆破后所產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個裝藥眼和4個空眼組成，一般布置于巷道中央偏下位置，由于巖石的堅固性系數為f=8～10，斷面大小S=10.63 m2，炮孔直徑d=42 mm，根據工程實際經驗，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，使炸藥大部分能量用于巖石介質的塑性變形，在三角柱中央布置一個大直徑空孔，直徑D=100 mm。裝藥孔1、2、3同時起爆。三角柱裝藥孔起爆時，相鄰裝藥眼之間的空眼起隔離沖擊波和對爆炸應力波方向起集中導向作用，裝藥眼內的炸藥不易被壓實而發生拒爆，因此，掏槽效果較好。

圖3 三角柱掏槽

3.2 爆破參數

井巷掘進爆破效果的優劣在很大程度上取決于爆破參數的選擇。合理地選擇爆破參數不僅可以在確保巷道穩定和安全的條件下實現高效掘進而且可以降低成本。針對陽煤五礦平巷掘進掏槽爆破參數存在的問題，從以下幾個方面對爆破參數進行優化。

(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為巖石堅固性系數，取f=9;S為井巷斷面，取10.83 m2;k0為校正系數，取0.8。經計算，q=0.82 kg/m3。

(2)掏槽眼裝藥量的確定。掏槽眼裝藥量可根據裝藥系數來確定，其計算公式為

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，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。根據以上計算得掏槽孔裝藥量Q1=1.6 kg。結合工程實際，掏槽眼裝藥數目取8卷。

表1 炮眼裝藥系數［7］

(3)每循環炸藥消耗量。

式中，η為炮眼利用率，取90%。代入數據可得Q0=20 kg。

(4)炮泥填塞長度。炮泥的長度應為裝藥長度的35%～50%，因此，裝藥的炮泥長度應該在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)裝藥結構及起爆方式。在堅硬巖層中，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，爆炸氣體從眼口逸出較慢，爆炸能量能充分應用于巖石破碎，爆破效果較好。因此，各裝藥孔均采用反向裝藥，掏槽眼裝藥結構圖如圖4。起爆方式采用電雷管反向起爆為主。

圖4 掏槽眼裝藥結構

4 爆破效果分析

根據設計方案在該礦+211 m水平平巷對3種掏槽方式分別進行了3次試驗，試驗數據如表2。

表2 不同掏槽方式爆破效果對比

菱形掏槽爆破后巷道成型不規則，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;巷道超欠挖現象突破規定的指標，炮眼利用率為84%;采用UBOX－5016－Ⅱ振動信號自記儀記錄數據如圖6所示，爆破震動對圍巖影響較嚴重;爆破后碎石塊度不均勻且拋擲距離較遠，嚴重威脅人員、設備的安全，不利于排矸工序的進行。

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;巷道超欠挖現象沒有突破規定的指標;炮眼利用率達92%;爆破震動對圍巖影響相對較小，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行。與試驗前的掏槽方法相比，炮眼數目減少了23%，單位炸藥消耗量降低了約12.6%，經濟效益和社會效益較顯著。