“六頂三腰”鉆爆法在巷道掘進工藝的應用與研究

許愛輝

（江西銅業集團有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

關鍵字：六頂三腰；光面爆破；爆破振動；孔痕率

武山銅礦掘進車間主要擔負著井下開拓、采準等任務，其掘進施工質量的好壞直接影響井下生產準備、采礦及運輸的安全和效率。掘進巷道的施工方法經過多年優化，從2008年到2020年底使用的“五頂雙腰”鑿巖鉆爆法，為掘進的安全生產提供了一定的保障。

隨著對礦山的安全要求的逐步提高，“五頂雙腰”鉆爆法施工所形成的巷道成型質量、松石產生率及大塊產生率已不能滿足當前礦山對安全的要求。針對這一問題，武山銅礦探索應用了“六頂三腰”鉆爆法。

1 原有鉆爆方式分析

1.1 原有鉆爆方式簡介

以S-460m中段各分段采準巷道的施工為例，介紹原先采用的鉆爆法-“五頂雙腰”方式。

巷道設計斷面7.65㎡，巷道凈寬2.8m，凈高2.93m，支護形式采用錨網噴（或素噴）支護方式，鉆爆法為“五頂雙腰”，設計炮孔長度1.8m。

1.2 原有鉆爆方式存在問題

通過S-460m中段各分段采準巷道現場鉆爆效果的跟蹤、統計得出我工段施工巷道的眼痕率、接茬合格率和巷道成型合格率，統計數據如表1所示。

表1 巷道成型合格技術參數統計表

（1）巷道孔痕問題。施工巷道周邊輪廓圍巖破壞較為嚴重，爆破成型后可見眼痕很少，不符合質量規范要求。可見眼痕要求當炮眼眼痕長度大于炮眼長度的70%時，即算一個可見炮眼的眼痕，掘進工段鉆爆法的炮眼長度為1.8m，則可見眼痕需滿足≥1.26m。現場統計表明原有的鉆爆方式眼痕率遠未達到72%的目標要求。

（2）巷道接茬問題。施工巷道斷面與斷面之間接茬不合格，導致斷面前后波浪起伏，接茬位置平整度差。按照施工規范要求斷面與斷面之間接茬高度應≤150mm。現場統計表明原有的鉆爆方式接茬合格率介于35%～41%，遠未達到75%的目標要求。

（3）巷道成型問題。合格的成型巷道少，后期安全管理難度大，頂板、邊幫松散，處理任務繁重。合格的成型巷道既要可見眼痕合格，又要接茬合格。統計表明原有的鉆爆方式巷道成型合格率介于31%～36%，不滿足巷道成型合格率70%的要求。

1.3 原因分析

通過現場跟班檢查，查明造成原有鉆爆方式巷道成型質量問的主要原因包括以下兩個方面：

（1）鑿巖機設備落后，導致周邊眼角度控制不夠。通過跟班寫實發現，使用手持式鑿巖機施工頂眼困難，因采準面頂板較高，即使使用了臺架，也會導致頂眼施工過程中，角度上揚不合規，爆破成巷后巷道波浪起伏。

（2）炮眼間距大，選位不好。通過跟班檢查，發現現場成巷爆破效果差，眼痕率低，且周邊圍巖破壞范圍廣。

鑒于此，研究確立了“六頂三腰”的鉆爆方案。通過加長手持式鑿巖機的氣腿保障臺架周邊眼角度，通過減少周邊眼眼距同步減少周邊眼單孔裝藥量。

2 “六頂三腰”鉆爆法的方案對比

武山銅礦以提高爆破成巷質量，降低現場超挖等原則，經過多次分析及計算，重新修訂了周邊眼施工數量及爆破參數等。根據巷道斷面、巖性情況，爆破技術人員對現有爆破設計“五頂雙腰”進行修訂，設計了“七頂雙腰”“六頂雙腰”和“六頂三腰”等多種爆破方案，最后確定以“六頂三腰”作為施工方案。各個方案的研究對比情況如下：

2.1 爆破振動效應對比

爆破振動具有持時短，突變快的非平穩隨機特性，因此通過現場爆破測振儀測得的實測數據進行比較“七頂雙腰”“六頂三腰”“六頂雙腰”三種布孔方案優劣，首先通過MATLAB數學軟件對爆破振動信號進行編程，去除振動信號中的高斯白噪音，得到真實的爆破振動速度信號，如圖1所示。

圖1 爆破振動效應檢測圖

爆破振動信號有多個波峰值，說明該爆破是多段位的微差爆破，且爆破振動信號持續時間為0s～10s，這與我們現場爆破采用1～10個不同段位的秒差導爆管雷管完全一致，可知數據真實且具有可研究性。通過振動峰值速度比較，六頂雙腰振動速度最小，六頂三腰次之，七頂雙腰最大。

進一步分析各自的爆破振動時頻能量關系，通過HHT變換對時間信號經過經驗模態分解（EMD），產生一系列不同特征尺度的固有模態函數（IMF），并將經驗模態分解后的IMF分量一一進行Hilbert變換，以獲得爆破振動信號的時頻和能量分布，如圖2所示。

圖2 爆破振動能量分布圖

六頂三腰能量分布更加均勻，并且能量峰值最小，其次從頻率上分析六頂三腰有往高頻發展的趨勢（150HZ～200HZ），巖體及建構筑物固有頻率普遍處于低頻（<50HZ），六頂三腰更不會產生“同頻共振”現象，有利于巷道圍巖穩定性。

綜上所述，爆破振動分析應從振動速度、振動能量和振動頻率多維度綜合分析，盡管六頂三腰振動峰值速度不是最小的，但是其爆破振動能量分布更加均勻，能量峰值最小，且在爆破振動頻率有往高頻發展的趨勢，不容易引起共振，有利于巷道圍巖的穩定性，因此六頂三腰是最為合理的布孔方式。

2.2 頂板眼痕率

通過分別比較頂眼眼痕率和腰眼眼痕率發現，在六個頂眼的眼痕率略高于七個頂眼，其中六個頂眼和七個頂眼的眼痕率明顯高于四個、五個頂眼；從腰眼眼痕率角度分析，三個腰眼眼痕率最高，兩個腰眼次之，四個腰眼反而最低。因此設定了“六頂三腰”的布孔方式較為合理。

3 “六頂三腰”鉆爆法應用效果

3.1 總體效果

通過實施“六頂三腰”鉆爆法后，鑿巖時間因多了三個眼，純鑿巖時間由原來的3.5到4個小時增了20分鐘（掘進作業為單循環作業，不影響掘進效率），同時巷道成型質量明顯比以前好了，炮孔眼痕個數基本達到頂眼3-4個，兩幫各2～3個，巷道三分之一三心拱形狀更平滑，爆破對圍巖的破壞變小，頂、邊幫產生的松石減少，大塊率降低。本次QC小組跟班寫實記錄了2021年1月、3月現場效果，巷道眼痕率、斷面與斷面之間的接茬合格率以及巷道成型的合格率有了較大幅度的提升，如表2所示。

表2 接茬平整度、眼痕率統計表

3.2 經濟效益分析

在掘進車間推廣“六頂三腰”前，掘進鑿巖作業的釬桿長2.2m，實際鉆眼深度為1.9m左右，爆破實際進尺約為1.5m～1.6m，爆破效率約81.58%（按平均1.55m計算）。推廣“六頂三腰”后，實際鉆眼深度為1.9m左右，爆破實際進尺約為1.6m～1.7m（按平均1.65m計算），整體進尺增加了0.1m，爆破效率約86.84%，爆破效率增加了5.26%。

炸藥單耗：之前，約20.543公斤/m，2.622公斤/m3；之后，約19.078公斤/m，2.435公斤/m3，掘進車間全年按礦下達計劃1950m/17135m3計算，全年可節約：炸藥（135＊2.622-2.435）=3204公斤，折合18144元；可減少掘進約（1950＊1.55）-（1950＊1.65）=76面，折合人民幣78376元。

同時降低了員工在作業面鑿巖的次數，提高了安全生產系數，降低了潛在風險。

4 結論

實現了爆破效率提高、爆破成本降低，提高了安全生產系數，降低了潛在風險。掘進施工的安全性整體向好，自實施“六頂三腰”鉆爆法以來，掘進車間未發生一起掘進作業面松石傷人事件，車間井下安全生產工作持續向好。