楔形掏槽光爆技術在破碎礦體掘進中的應用研究

饒習榮，江飛飛，李永輝

(1.昆明煤炭科學研究所， 云南 昆明 650041； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

楔形掏槽光爆技術在破碎礦體掘進中的應用研究

饒習榮1，江飛飛2,3，李永輝2,3

(1.昆明煤炭科學研究所， 云南 昆明 650041； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

針對某礦30#破碎礦體自穩性差、脈內成巷困難且掘進成本高、作業安全性差等一系列問題，基于光面爆破基本原理，結合礦山礦巖條件和掘進爆破需要，通過理論計算分析優化光爆參數、炮眼布置形式、掏槽方式和裝藥結構，提出了針對礦山破碎礦體特點的楔形掏槽光面爆破技術試驗方案，并進行了現場掘進爆破試驗，取得了較好的光爆效果，試驗成果在全礦區類似條件下具有推廣應用價值。

破碎礦體；光面爆破技術；楔形掏槽；巷道掘進

0 前 言

光面爆破技術作為地下工程和礦山巷道掘進與開采中常用的一種爆破方法[1-7]，不僅可用于穩固巖體的掘進爆破，也可用于破碎巖體條件下的邊界控制爆破，對于破碎巖體而言，光面爆破技術能夠有效減少超欠挖，提高工程質量和加快工程進度，同時可在最大限度內減小對圍巖的破壞作用，為掘進后巷道的支護加固創造條件，由于光面爆破的這些突出優點，近年來光爆技術在破碎巖體中的應用也越來越廣泛[5-6,8-11]。

某礦30#礦體530～600 m采用無底柱分段崩落法進行開采，根據現場工程施工經驗可知，30#礦體節理裂隙發育、遇水易發生泥化現象，自穩性差、脈內成巷困難，在掘進爆破時經常發生超欠爆現象，爆破后巷道支護作業困難，支護過程中頂板和側幫易發生垮落，整體作業安全性穩定性差，巷道掘進和后期維護成本高，同時嚴重影響了礦山生產作業效率，為了切實有效解決礦山30#破碎礦體爆破成巷中所遇到的各種難題，最大限度的降低掘進爆破對巷道周邊區域的破壞作用，充分發揮圍巖掘進后的自穩特性，為掘進后出渣、支護等創造安全可靠的條件，十分有必要開展破碎巖體中的控制爆破試驗研究。

1 掘進爆破條件調查與分析

為了查明礦山無底柱分段崩落法開采區域的工程地質條件，充分了解和認識礦體內成巷的掘進爆破條件，在光面爆破試驗前針對30#礦體進行了詳細的結構面發育情況調查和礦體質量評價，基于結構面調查的一般原則和所采用的調查方法(連續線觀測法)的特點[12]，選擇530 m中段6#、8#出礦巷等礦體結構面揭露良好的部位作為調查地點，調查總長度為317.6 m，測得結構面總數量893條，平均結構面條數為2.81條/m，平均間距0.36 m。通過軟件統計分析可知，礦體內有4組較為發育的優勢結構面(見圖1)，總體上結構面較發育，多呈微粗糙型張開狀態，普遍延伸較長，巖壁表面干燥、中等風化；另外，采用RMR巖體質量評價方法對礦體質量進行了分級與評價，通過對調查區域巖石強度、RQD值、節理間距、節理狀態和地下水條件等分別進行評分[13]，得到礦體RMR法最終評分值為54，總體上屬于Ⅲ～Ⅳ級中等破碎礦體，同時考慮到礦體自身巖石特性，礦體內掘進成巷爆破條件總體而言較差。

2 楔形掏槽光面爆破技術方案

2.1 光面爆破基本原理

光面爆破是使爆破的巷道斷面形狀和尺寸基本上符合設計要求，巖壁平整、成形規整并盡量使巷道輪廓以外的圍巖不受破壞的一種控制爆破技術[3-8]，其控制的內容主要包括工作面炮眼布置形式與參數、裝藥結構、起爆順序等方面。光面爆破的基本原理是在工程最終開挖面上布置密集小孔徑炮眼，并嚴格控制周邊眼的裝藥結構和系數，采用不耦合裝藥或空孔間隔裝藥等方式，在爆破時藥包爆炸產生的壓力經過不耦合間隙的緩沖后得以有效降低，并且不足以在眼壁周圍形成破碎區，而僅僅對需要崩落的巖石一側產生破碎作用，同時在周邊眼連線方向形成貫通裂隙，從而進一步形成相應的光爆破裂面。

一般而言，為了確保光爆效果，可選用低密度、低爆速、高體積威力的炸藥，以減弱爆轟氣體波對巖體的不利沖擊作用，同時也可延長爆生氣體的膨脹作用時間；另外，周邊眼的不耦合系數和裝藥結構應根據現場礦巖條件進行不斷優化調整。

圖1礦體結構面調查統計結果

2.2 掏槽方式的比較與選擇

掏槽方式是巷道掘進光面爆破的關鍵，一般掏槽方式主要包括直眼掏槽和斜眼掏槽兩大類[14-17]。斜眼掏槽具有掏槽眼數量少、掏槽面積大、爆破礦巖易崩出，其缺點主要是循環進尺受到井巷斷面尺寸限制、爆堆較分散，楔形掏槽是其中最為常見的形式。直眼掏槽要求炮眼垂直于工作面，且炮眼之間嚴格平行，其主要優點是作業空間不受井巷斷面限制、爆堆較為集中，主要缺點是掏槽眼數量多、鑿巖施工質量要求高、成本相對較高。

礦山原設計巷道掘進采用直眼掏槽，掘進面布置炮眼39個，其中空孔4個，底眼5個，具體炮眼布置形式如圖2所示，實際掘進爆破時，單個循環消耗雷管36發、炸藥42～48 kg。根據礦山現場爆破經驗可知，對于30#礦體掘進爆破直眼掏槽效果一般甚至較差，另外根據斜眼掏槽和直眼掏槽的特點可以預見斜眼掏槽較直眼掏槽可減少炮眼數量、降低炸藥和部分材料的消耗量，且礦山設計巷道斷面尺寸(3.2 m×3 m)能夠滿足斜眼掏槽等需要，因此本次光面爆破試驗決定選擇斜眼掏槽大類中應用最為廣泛和成熟的楔形掏槽。

2.3 爆破參數計算及炮眼布置

(1) 炮眼數量。巷道掘進采取全斷面一次爆破開挖，周邊孔按照光面爆破要求進行布置，炮眼數量可根據經驗公式(1)進行估算。

(1)

式中，f為巖石堅固性系數，s為巷道斷面。

根據現場礦巖條件可知，f系數取8，巷道斷面規格為3.2 m×3 m，斷面積為8.88 m2，經計算巷道斷面需布置29個炮眼，其中選用楔形掏槽時，掏槽眼數量及其布置參數可根據表1進行選擇，即掏槽眼數量為6個，且掏槽眼炮眼與工作面的夾角綜合確定為70°，掏槽眼眼深2.2 m；設計輔助眼數量為7個，周邊眼數量為16個，其眼深均為2 m。

圖2 直眼掏槽炮眼布置

表1 楔形掏槽的主要參數

(2) 炮孔布置。此次光爆試驗的炮眼布置見圖3，設計周邊眼距開挖輪廓線0.1 m，且向輪廓外方向傾斜角度為3°，其中拱頂部位炮眼間距為0.50 m，立墻部位炮眼間距為0.63 m，底眼間距為0.75 m，輔助眼間距為0.70 m，光薄層厚度為0.5 m。

圖3 掘進工作面光面爆破炮眼布置/m

(3) 裝藥結構及裝藥量。為了達到預期的光爆效果，本次試驗周邊眼采用空氣柱間隔軸向不耦合裝藥，且沿炮眼全長鋪設導爆索，而掏槽眼和輔助眼則采用一般的連續耦合裝藥，裝藥結構如圖4所示。根據計算可知，單個循環工作面炮眼總長為61 m，單個循環進尺為2 m，爆破巖石量為17.76 m3。設計掏槽眼填塞長度為裝藥長度的0.25倍，則掏槽眼裝藥長度為1.7 m，眼口堵塞長度為0.5 m；設計輔助眼和周邊眼的填塞長度為裝藥長度的0.3倍，則其裝藥長度均為1.5m，眼口堵塞長度為0.5 m。本次爆破采用乳化炸藥卷，藥卷規格Φ32 mm×200 mm，藥卷重量200±10 g，根據上述裝藥結構及參數計算可得，掏槽眼裝藥量為10.2 kg，輔助眼裝藥量為10.5 kg，周邊眼裝藥量為18 kg，總裝藥量為38.7 kg，設計單位體積炸藥消耗量為2.17 kg/m3。

圖4 炮眼裝藥結構

(4) 連線起爆。按照設計的裝藥結構及裝藥量填裝各炮眼，周邊眼在裝藥時隨藥卷一起鋪設導爆索，各炮眼內裝一發導爆管雷管，設計選用雷管段別為1～7段(見圖2)，孔外使用瞬發導爆管雷管進行網路連接，采用捆綁的方式每8～10個左右的導爆管綁扎在1個連接雷管上，再將連接雷管連接在1個總起爆雷管上即可。

3 現場爆破試驗結果及分析

基于掘進爆破條件分析結果和所提出的楔形掏槽光面爆破技術方案，試驗地點選取在礦山572 m分段30#礦體3#鑿巖巷道內，此巷道剛進入30#破碎礦體內，礦體結構面發育，礦體自身力學特性和自穩性差，按照原爆破方式成巷困難、作業安全性差，符合本次爆破技術試驗現場條件要求。

按照設計的爆破參數及炮眼布置形式要求在掘進工作面進行鑿巖作業，鑿巖設備采用YT-28型氣腿式鑿巖機，鉆鑿孔徑均為42 mm，鑿巖完畢后按照參數和相關安全作業要求進行炮眼清理、裝藥、連線和起爆，然后觀察現場爆破效果，并對相關的爆破參數進行現場實測統計。現場爆破效果見圖5，根據現場實測可知，本次爆破進尺為2.1 m，爆破成巷斷面規格為3.15 m×3.1 m，單次爆破量為19.03 m3，成巷效果良好，未出現明顯的超欠爆等現象，爆破礦石塊度均勻，達到了預期的要求，證明本次楔形掏槽光爆試驗是成功的。另外，與原爆破方案進行成本經濟指標對比分析可知，試驗方案減少了炸藥、導爆管雷管的消耗量，增加了導爆索的使用，盡管試驗方案炸藥材料消耗成本較原方案有所增加，但由于采用光爆技術方案后巷道支護形式由原鋼拱架支護改變為常規的噴錨網支護，巷道支護成本大幅降低，使得最終單位體積掘進支護總成本顯著減小，試驗方案在成本經濟上同樣具有優越性(見表2)。

圖5 光面爆破試驗現場

表2 試驗方案與原方案單循環成本經濟指標對比

4 結 論

本文在充分調查和分析礦山破碎礦體內掘進爆破現狀、存在的問題、現場爆破條件等基礎上，提出了針對礦山破碎巖體的楔形掏槽光面爆破技術方案，并對爆破參數及炮眼布置形式進行了理論計算和優化設計，較原直眼掏槽爆破減少了炮眼數量、降低了炸藥、雷管等部分材料消耗，爆破后形成了良好的破裂面，巷道斷面成形良好，有效控制了對周邊巖石的破壞作用，支護難度和支護成本顯著下降，最終單位體積掘進支護總成本顯著減小，試驗方案在成本經濟上同樣具有優越性，達到了預期的光爆效果，試驗成果可在礦山類似條件的破碎巖體掘進爆破中進行推廣應用。

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2017-06-17)

饒習榮(1988-)，男，云南洱源人，助理工程師，主要從事采礦方法與工藝、礦山壓力與巖層控制等研究工作，Email：983280271@qq.com。