某地下金屬礦直眼掏槽爆破試驗及控制措施

汪 平

（中國爆破行業(yè)協(xié)會，北京100070）

鉆孔爆破法是地下金屬礦山掘進作業(yè)的普遍適用方法，具有施工成本低、效率高、操作簡單等優(yōu)勢。但是，如果爆破設計、施工不合理，容易產(chǎn)生超欠挖等現(xiàn)象，導致巷道輪廓成型差，且巷道壁掛電線、電纜和風水管后，巷道寬度變窄，施工設備作業(yè)受限，影響施工效率。掏槽眼爆破是掘進爆破中一個重要環(huán)節(jié)，對于整個掘進爆破的效率和質(zhì)量發(fā)揮重要作用［1-2］。因此，需要優(yōu)選合理的掏槽方式及爆破參數(shù)，以取得理想的爆破效果。

針對掏槽爆破技術難題，諸多專家學者從數(shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場試驗等角度開展了大量研究工作。左進京等［3］通過模型實驗研究了中心空孔直徑對掏槽腔體的影響，隨著空孔直徑的增加，爆破掏槽深度加大，槽腔體體積減小。汪海波等［4］采用數(shù)值模擬方法研究了空孔附近的應力分布，指出空孔具有導向作用。龔敏等［5］研究了中心眼爆破對槽腔底部的形成發(fā)揮的作用，掏槽角度增加后，可以明顯地降低掘進爆破進尺。張召冉等［6］研發(fā)了多階段掏槽技術，與普通楔形掏槽爆破相比，二階二段掏槽的爆破進尺和炮孔利用率更高。單仁亮等［7］提出了準直眼掏槽爆破技術，主掏槽孔的傾斜角度變化后，會引起掏槽爆破效果發(fā)生明顯改變。

掏槽爆破質(zhì)量是決定巷道掘進破巖效果和循環(huán)進尺大小的關鍵因素［8-9］。由于不同礦山的巖性條件等差異，掏槽方式不具有普遍適用性，為此本研究在直眼掏槽爆破原理和影響因素分析的基礎上，以某地下礦山為例開展不同直眼掏槽方案的對比分析，優(yōu)選適宜的掏槽方式，為礦山高效率掘進爆破提供指導依據(jù)。

1 直眼掏槽爆破原理及影響因素

1.1 直眼掏槽爆破原理

直眼掏槽也稱為平行空孔直線掏槽，是所有炮眼互相平行、孔間距小且垂直于工作面，并留有1個或多個不裝炸藥的空孔［10］；對于只有1個自由面的掘進爆破而言，位于掘進斷面中下部的掏槽孔首先起爆，崩落的巖石碎塊拋擲出來形成1個槽腔，減小崩落孔爆破的巖石夾制作用，為后續(xù)崩落孔爆破創(chuàng)造自由面和補償空間，為巷道快速掘進創(chuàng)造有利條件。

從爆破過程來看：首先，在爆炸沖擊波作用下破碎的巖石向空孔創(chuàng)造的自由面運動；然后在爆生氣體的作用下，破碎巖石沿槽腔向工作面方向發(fā)生拋擲運動。由于爆破后的碎石在炮孔口附近的拋擲速度最大、孔底部位拋擲速度最小，使得孔底碎石拋擲難度大，易于留存爆破后的碎石。同時，由于孔底夾制作用最大，若爆破參數(shù)不合理則易于留有殘孔、產(chǎn)生根底，降低炮孔利用率。

1.2 主要影響因素

（1）巖石性質(zhì)。巖石性質(zhì)是掏槽爆破效果最重要的影響因素。不同巖石的力學性質(zhì)、結構、構造差異明顯，若采取同樣的掏槽爆破參數(shù)勢必產(chǎn)生大相徑庭的掏槽質(zhì)量。一般塑性巖石掏槽難度大于脆性巖石；若巖石為脆性且完整性好，同等條件下的掏槽質(zhì)量就好，掏槽爆破效率和循環(huán)進尺就高。因此，必須高度重視巖石性質(zhì)在合理選擇爆破參數(shù)時的重要性。

（2）炸藥性能。不同類型的炸藥品種，炸藥的密度、爆速、爆熱、峰值壓力等參數(shù)各不相同。根據(jù)波阻抗匹配理論，當炸藥阻抗和巖石阻抗相匹配時，炸藥能量利用率相對更高，可以取得更好的破巖效率。

（3）掏槽方式。合理的掏槽方式對于提高掘進效率、增強爆破效果具有不可或缺的作用。掏槽方式的選擇時需要考慮因素眾多，主要有巖石性質(zhì)、掘進斷面尺寸、工人操作難度、爆破循環(huán)進尺等。常見的直孔掏槽方式有平行龜裂掏槽、角柱掏槽、螺旋掏槽。

（4）炮孔深度。當巖石性質(zhì)和炸藥類型不變時，掏槽孔的深度越大，與自由面的距離越大，則炮孔底部巖石的夾制作用越強，越不利于掏槽爆破成腔，進而導致炮孔利用率勢必降低。因此，為提高掘進爆破效果，炮孔深度不宜太淺但也不能太深，應根據(jù)現(xiàn)場爆破效果綜合考慮。

（5）空孔。地下掘進爆破時自由面有限，在工作面方向僅有一個；空孔可以增加爆破自由面，并為巖石破碎和膨脹提供補償空間。研究表明［11-12］，空孔具有明顯的應力集中和導向作用，可以延長爆炸應力波的作用時間，改善巖石破碎效果。地下爆破的空孔直徑一般為75～120 mm，數(shù)量1～4個。

（6）空孔與裝藥孔的距離?？湛着c掏槽裝藥孔的距離要適宜。若二者的距離過大，則空孔壁面上的應力波反射拉伸強度不足以破壞巖石；反之，若距離過小，槽腔內(nèi)碎石空隙體積大，易于導致爆炸氣體外泄，拋擲效果不佳。文獻［4］根據(jù)彈性理論得到空孔與裝藥孔的距離計算公式如下：

式中，σθ為巖石抗拉強度，MPa；rA為裝藥孔半徑，m；rB為空孔半徑；p為孔壁處透射壓力，MPa；α為應力波衰減系數(shù)；λ為側壓力系數(shù)。

（7）炮孔偏斜率。直眼掏槽的炮孔需要保證相互平行。由于受到鉆孔人員水平、鉆孔設備性能、巖體特性、鉆孔深度等因素的影響，鉆孔難免產(chǎn)生一定的偏斜，因此應將炮孔偏斜率控制在最低水平，以保證取得最佳掏槽爆破效果。

（8）裝藥結構。對于不同的炮孔裝藥結構，炸藥在炮孔中的分布不同，炸藥起爆后作用在孔壁上的荷載也不相同。采用耦合裝藥結構時，炸藥與孔壁直接接觸，爆炸應力波未經(jīng)衰減可直接作用在孔壁上，炸藥爆破破巖更為充分；采用不耦合裝藥結構時，爆炸沖擊波和爆生氣體存在一定的衰減，爆炸能量利用率減小，不利于掏槽爆破破巖，所以應盡量減小不耦合系數(shù)。

（9）堵塞長度。適宜的掏槽炮孔堵塞長度和優(yōu)良的堵塞質(zhì)量對于提高掏槽爆破效果具有積極作用［13-16］。通過采取適宜的堵塞長度，提高炮孔堵塞密實度，可以避免爆炸能量的過早外泄，進而延長炮孔內(nèi)爆炸應力和爆生氣體的作用時間，改善巖石爆破破碎質(zhì)量。一般而言，淺孔堵塞長度為10～20 cm，深孔堵塞長度20～40 cm。

（10）地應力。不同的地應力下掏槽爆破效果存在一定差異。隨著地應力的增加，地應力的夾制作用逐漸顯現(xiàn)，導致掏槽爆破的破壞范圍減小，即反映出地應力對掏槽爆破的抑制作用。

2 直眼掏槽爆破試驗

2.1 試驗方案

綜合考慮試驗地點巖性的代表性，在不影響礦山正常生產(chǎn)的前提下，確定試驗地點為1 310～1 322 m采準斜坡道，巷道斷面尺寸為4.2 m×3.5 m。試驗分為單空孔直眼掏槽爆破、三空孔直眼掏槽爆破和三空孔直眼掏槽爆破改進共3個方案，其中后面2個方案只是炮孔間距參數(shù)不同（圖1～圖3）。通過不同方案的爆破效果對比，確定適宜的掏槽方案，指導礦山高效率掘進爆破。

采用鑿巖臺車鉆孔，炮孔垂直掘進工作面。試驗炮孔深度3 m；空孔直徑?100 mm，空孔不裝藥；其他掏槽孔?40 mm，采用?32 mm的乳化炸藥，裝藥長度2.85 m；采用連續(xù)裝藥結構，孔底起爆方式；每個裝藥炮孔1發(fā)毫秒導爆管雷管。每個掏槽方案爆破完成后，經(jīng)現(xiàn)場檢查確保安全后，清理爆破碎石并測量掏槽深度和體積。單空孔掏槽和三空孔直眼掏槽爆破參數(shù)見表1和表2。

2.2 試驗結果分析

爆破后測量試驗結果如表3所示。

由表3可以看出，對于單空孔直眼掏槽爆破，掏槽深度為1.81 m，按照炮孔長度3 m計算的炮孔利用率較低，僅為60.33%，爆破效果不理想，且炸藥單耗高達37.65 kg/m3，明顯高于常規(guī)掏槽爆破炸藥消耗量，不利于高效率掘進爆破。分析認為，該方案僅有1個空孔，空孔數(shù)量少，掏槽爆破補償空間小，不能為爆破孔提供足夠的巖石破碎膨脹空間；同時，炮孔間距參數(shù)布置不妥當，在炮孔底部較大的巖石夾制作用下，孔底槽腔形成十分困難，導致炮孔利用率不高，每次爆破的循環(huán)進尺有限，造成不可避免的鉆孔和炸藥浪費。

相比單空孔掏槽爆破，三空孔掏槽爆破的空孔體積增大了2倍；掏槽深度由1.81 m提高到2.32 m，增幅達到28.73%；炮孔利用率可以提高到77.67%。同時，炸藥單耗由37.65 kg/m3降低至14.59kg/m3，降低幅度為61.25%?？梢?，該方案的掏槽爆破效果明顯改善，爆破炸藥成本大幅度降低，然而在炮孔利用率方面尚有很大的提升空間。

為此，在三空孔掏槽爆破的基礎上進行了改進，形成了三空孔掏槽爆破改進方案。試驗結果表明，該方案的掏槽深度可以達到2.67 m，炮孔利用率提高到89.00%，達到很好的預期效果。雖然該方案的炸藥單耗比三空孔掏槽爆破方案增加43.73%，但可以明顯提升掘進爆破循環(huán)進尺；同時，更好的掏槽爆破效果，可以較好地降低崩落孔爆破的炸藥單耗，實現(xiàn)斷面掘進爆破炸藥總消耗量的均衡。因此，在注重掘進效率的前提下，該方案在提升掘進爆破循環(huán)進尺方面具有顯著優(yōu)勢。

2.3 現(xiàn)場應用效果

根據(jù)前文現(xiàn)場試驗結果，采用三空孔掏槽爆破改進方案開展了10次現(xiàn)場應用工作?，F(xiàn)場應用效果（圖4、圖5）表明，10次爆破的炮孔利用率為88.55%～91.53%，平均炮孔利用率達到90.12%。該方案的掏槽爆破效果十分顯著，循環(huán)進尺提升幅度明顯，槽腔內(nèi)的碎石可以全部拋擲出來，為掘進斷面崩落孔和周邊爆破創(chuàng)造了有利條件，適宜在礦山掘進爆破作業(yè)中進行推廣。

3 主要控制措施

掏槽爆破效果直接影響斷面掘進效率，需采取有效的控制措施保證掏槽爆破質(zhì)量。

（1）選擇適宜的掏槽爆破方案。掏槽爆破方案是影響爆破效果的關鍵因素之一。應根據(jù)現(xiàn)場巖性條件、爆破效果等，綜合考慮選擇適宜的掏槽爆破方案，提供富裕的破碎巖體膨脹的自由空腔，合理控制炮孔間距和起爆微差間隔，提高炮孔利用率和爆破循環(huán)進尺，進而加快地下巷道的掘進速度。

（2）嚴格控制掏槽孔位置和偏斜率。掏槽孔的位置不合適將會導致炮孔間距發(fā)生變化，進而影響掏槽爆破效果。對于直眼掏槽，保證掏槽孔與掘進斷面的垂直度，確保炮孔相互平行，對于提高掏槽爆破效果十分關鍵。若炮孔向內(nèi)偏斜率過大，易于導致相鄰炮孔貫穿；若炮孔向外偏斜率過大，將會增大相鄰炮孔在孔底處的間距，增加了孔底掏槽爆破的難度，無法清除炮孔根底，影響每次掘進爆破的進尺。為此，需要提高現(xiàn)場炮孔布置的測量定位精度，最大程度減小鉆孔偏斜率。

（3）加強鉆孔操作人員的技能培訓。鉆孔作業(yè)人員的水平直接影響掏槽孔成孔質(zhì)量。由于從業(yè)人員的素質(zhì)和技能水平層次不齊，勢必導致成孔質(zhì)量千差萬別。因此，需要加強現(xiàn)場操作人員的理論知識和技術培訓工作，優(yōu)選高效的鉆孔作業(yè)設備，提高鉆孔作業(yè)人員的操作水平和責任心，保證掏槽孔的鉆孔質(zhì)量。

（4）建立標準化操作流程，提高現(xiàn)場管理水平。建立標準化掏槽爆破操作流程。每次爆破作業(yè)時，安排專業(yè)技術人員進行現(xiàn)場指導，確保嚴格按照操作流程進行作業(yè)，保證每個炮孔的裝藥量，同時確保炮孔堵塞長度和堵塞質(zhì)量。

4 結論

（1）掏槽爆破是影響掘進爆破循環(huán)進尺的關鍵環(huán)節(jié)。應綜合考慮掏槽爆破的各個影響因素，在現(xiàn)場試驗基礎上優(yōu)選適宜的掏槽爆破方案以提高掘進爆破效率。

（2）試驗結果表明，單空孔直眼掏槽方案的炮孔利用率最小，為60.33%；三空孔掏槽方案的炮孔利用率居中，為77.67%；三空孔掏槽爆破改進方案的炮孔利用率最高，為89.00%。適當增加空孔的數(shù)量，增大掏槽爆破的補償空間，有助于克服孔底夾制作用、改善爆破槽腔形成質(zhì)量，提高爆破循環(huán)進尺。

（3）現(xiàn)場應用后，三空孔掏槽爆破改進方案的炮孔利用率為88.55%～91.53%，平均炮孔利用率達到90.12%，掏槽效果較為理想，可以達到礦山高效率掘進爆破的要求，對于類似條件礦山具有一定指導借鑒價值。