巷道爆破掘進中掏槽孔優化設計與應用

熊 亮 鄭文強

(宏大爆破有限公司巴基斯坦塔爾煤田項目部)

礦山巖巷掘進工程中廣泛應用爆破技術，巖巷爆破受掘進斷面只存在一個自由面的制約，破碎巖石非常困難[1]。掏槽孔的作用是采用拋擲爆破為后續全斷面爆破提供自由面及巖石碎脹補償空間[2-3]，掏槽爆破關系到巷道全斷面爆破效果，科學合理的掏槽形式能保證形成理想的槽腔，從而為后續爆破提供自由面和補償空間，以確保炮孔有較高的利用率以及爆破成功[4-5]。

某礦區巷道掘進中采用單裝藥孔菱形直眼掏槽，炮孔利用率低，循環進尺小，掘進速度慢。通過增加自由面和補償空間的方式對原掏槽方法進行優化，提出了雙孔裝藥矩形直眼掏槽技術，以期改善爆破效果。

1 工程概況

某礦區掘進平巷位于-550 m水平，巷道圍巖多為鉀化花崗巖，致密堅固，整體性好，韌性高，無層理，巖石密度為3 200 kg/m3，泊松比為0.22，動態抗拉強度為5.23 MPa，動態抗壓強度為163.1 MPa。該中段巷道獨頭掘進，鉆孔速度慢，爆破作業面距離罐籠馬頭門530 m，通風條件較差。巷道斷面設計為直墻三心拱，設計斷面尺寸為2.6 m×2.4 m。

礦山現用的掏槽方式為單孔裝藥菱形直眼掏槽，掏槽孔布置見圖1。根據中心線方向，確定好裝藥掏槽眼的位置，然后在四周垂直布置4個擴槽眼(空眼)，為裝藥孔的爆破提供自由面和補償空間。爆破后，效果不理想，一是爆破時巖石只發生塑性變形而沒有破碎，出現“沖炮”現象；二是掏槽爆破后形成槽腔體積不足以滿足后續炮眼起爆所需要的巖石碎脹補償空間。

圖1 單孔裝藥菱形直眼掏槽

2 掏槽孔優化設計

2.1 裝藥孔與空孔的間距

此光面掏槽爆破技術中，主要是確定裝藥孔與空孔的間距?？湛椎闹饕饔檬菫檠b藥孔爆破提供自由面及補償空間，裝藥孔與空孔的距離通過炸藥爆炸后在空孔孔壁處形成的反射拉伸波強度大于巖石的抗拉強度來確定。根據文獻[3]，空孔附近的應力最大值可表示為

(1)

滿足σθmax≥[σθ]是保證在拉應力作用下，空孔孔壁處巖石破壞的基本條件，由此可得到

(2)

式中,[σθ]為巖石的抗拉強度，MPa；其他符號意義同上。

在本工程中，掏槽孔的炮孔直徑為42 mm，藥卷直徑為32 mm，炸藥密度為1 210 kg/m3，炸藥爆速為3 800 m/s，計算得到D≤308 mm。

2.2 雙孔裝藥矩形直眼掏槽的炮孔布置

在原掏槽方法的基礎上，為防止掏槽眼起爆后，巖石只產生塑性變形而出現“沖炮”現象，采用雙孔裝藥矩形直眼掏槽，裝藥孔由原來1個增加為2個；為防止沒有足夠的自由面導致掏槽爆破不理想而影響后續全斷面的爆破，并考慮實際設計巷道為直墻三心拱，將掏槽孔布置為矩形。

根據理論計算，裝藥孔與空孔的最大間距為308 mm。炮孔在縱向布置3列，列間距150 mm，左右兩列分別布置3個空眼，孔距為250 mm，在中間列布置4個炮孔，孔距為170 mm，共布置10個掏槽眼，其中8個空孔增加了8個初始爆破自由面。炮孔堵塞長度為0.8 m，為保證掏槽炮孔爆破到孔底，確定掏槽孔超深為0.2 m，掏槽孔增大了掏槽的破碎自由面和碎脹空間，為后續炮孔繼續爆破提供了更多的自由面以及補償空間，從而形成更深的槽腔，為輔助眼創造最大限度自由面。掏槽炮孔布置見圖2。

圖2 雙孔裝藥矩形直眼掏槽

3 雙孔裝藥矩形直眼掏槽技術的應用

工作面采用YT-28型氣腿式鑿巖機鉆孔，配備3 m長釬鋼和φ42 mm柱齒釬頭。一次爆破循環進尺2.8 m，掏槽孔深度為3 m，輔助眼、周邊眼及頂幫光面爆破眼深度為2.8 m。鑿巖時，掏槽眼、輔助眼必須垂直爆破工作面，周邊眼和頂幫光面爆破眼向外偏5°。采用矩形遞增式規格逐步擴大，炮眼布置平面見圖3。

采用2#巖石乳化炸藥，規格為φ32 mm×200 mm，200 g，采用1～11段毫秒非電導爆管雷管一次孔底起爆。炮孔起爆順序為掏槽眼→輔助眼1→輔助眼2→周邊眼→頂板光爆眼。掏槽孔和輔助孔采用不耦合連續裝藥，掏槽孔每個炮孔22卷炸藥，輔助孔每個炮孔20卷炸藥；周邊孔采用空氣不耦合間隔裝藥，每個炮孔18卷炸藥，頂幫光面爆破眼每個炮孔裝12卷炸藥；填塞長度為0.8 m。爆破參數見表1。

圖3 巷道掘進炮眼布置

4 爆破效果

爆破后，巷道輪廓成型規整，無超欠挖現象，在巷道壁上可以看見清晰的半孔眼痕，基本無大塊，巖石塊度均勻，炮孔利用率高達82.6%。采用雙孔裝藥矩形直眼掏槽爆破進行4個爆破循環進尺，期間平均炮孔利用率為92.1%，個別炮孔利用率為93.4%，有效提高爆破炮孔利用效率，明顯改善爆破效果。

表1 爆破參數

5 結 語

雙孔裝藥矩形直眼掏槽技術在某礦區巷道開挖工程中成功應用，完全適合于花崗巖等硬巖巷道爆破掘進，具有推廣應用價值。通過理論計算空孔與裝藥孔的間距，根據設計的巷道斷面尺寸，掏槽孔布置為矩形，垂直于自由面，操作方便，容易施工，實用性較強。爆破后巷道斷面平整，基本無超欠挖，減少了巷道的維護工作量。該技術為巖巷爆破掘進提供了新的途徑。

[1] 王文龍.鉆眼爆破[M].北京：煤炭工業出版社,1984.

[2] 劉優平,黎劍華,林大能,等.掏槽爆破中空孔效應的理論與試驗研究[J].礦業研究與開發,2007,27(5):75-77.

[3] 劉優平,周正義,黎劍華.井巷掏槽爆破中空孔效應的理論與試驗分析[J].金屬礦山,2007(2):12-14.

[4] 李夕兵.鑿巖爆破工程[M].長沙：中南大學出版社,2011.

[5] 黃寶龍.準直孔掏槽爆破技術在正興礦的應用[J].中國礦業，2016，25(1)：101-102.

[6] GEGLIO M.Spherical vessel subjected to explosive detonation loading[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1997,74(2):83-85.