掘進巷道節理組分析及爆破參數優化分析①

郭學庭，李 騰，，王乃偉，唐文平，張 超

（1．北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083；2．甘肅省隴南市西和縣中寶礦業有限公司，甘肅 隴南746511）

山東某金礦位于低中山區，礦區所在海拔高度1 800～2 100 m，相對高差200～300 m，地勢較陡。礦區斷裂較為發育，巖石質量較好，巖體較完整，質量等級Ⅲ級，不易產生冒頂、坍塌等工程地質問題，選用光面爆破進行巷道掘進工作。決定巷道爆破效果的主要因素有巷道斷面面積、巖石物理力學性質、掏槽方式和裝藥結構等［1－5］。為了提升礦山井下掘進開拓效率和改善巷道掘進的爆破效果，提高其他相關聯環節的整體作業效率，本文針對整個礦區的掘進巷道進行優勢節理組分析及光面爆破方案優化設計。

1 工程概述

礦山井下巷道掘進開采施工中，相比于普通鉆爆法，采用光面爆破技術施工，打孔數目較多、作業時間較長，但施工巷道成形更規整，能減少掘進施工過程中的超挖、欠挖作業量，尺寸基本符合設計要求。山東某金礦掘進巷道巖性為灰巖及板巖，大巷橫截面積為2．5 m×2．5 m三心拱，巖石堅固系數6～8，使用YT－28鑿巖機進行作業，孔徑40 mm，孔深2．5 m，單次循環進尺2．4 m。

目前礦山主要掘進的巷道中，超挖、欠挖現象嚴重，這些現象會嚴重阻礙井下巷道掘進效率、影響光面爆破的效果。究其原因，是原先光面爆破的炮孔布置存在缺陷，即過多布置輔助孔而導致爆破能量分布不均勻，尤其是該礦斷裂帶為地質條件復雜、具有明顯早期張裂晚期壓扭性質的節理裂隙發育區，超欠挖現象更為顯著。

圖1為原爆破施工炮孔布置圖。該方案爆破效果不理想，巷道成形效果較差，炮孔利用率僅為85%，且由于輔助孔較多，炸藥消耗量較大。為實現良好的光面效果，對爆破參數進行優化設計，在原有設計的基礎上，增加周邊孔布置，減少輔助孔，并采用10段起爆。

圖1 優化前炮孔布置（單位：mm）

2 礦區節理分析及穩定性分級

2．1 優勢節理組選取

為有效預防光面爆破超欠挖現象，特針對該金礦節理進行穩定性分析，利用修正后的Hoek-Brown準則對礦山圍巖力學參數進行折減［6］，折減后的巖體力學參數如表1所列。

表1 巖體力學參數

采用非接觸掃描系統ShapeMetrix 3D進行圍巖節理裂隙掃描，獲取礦區整體的節理參數及發育程度。通過對整個礦山進行節理掃描分析，該金礦巖體結構面優勢產狀主要有3組，分布規律見表2。

表2 優勢節理組參數

2．2 優勢節理組分析

采用Unwedge軟件，結合塊體理論，將礦體圍巖力學參數與優勢節理組測量結果進行分析。對光面爆破巷道分析形成的結構面1、2、3組合形成的結構面塊體分布如圖2所示。

圖2 優勢節理組組合立體圖

優勢節理組主要塊體的安全系數如表3和圖3所列。由表3可知，塊體1，2，6，7，8均為穩定塊體，底板和排水溝一側幫上的3個塊體最為穩固，頂板和左幫塊體穩定性最差。

表3 優勢節理組安全系數

圖3 優勢節理組周邊穩定性分布

由此可以判斷，井下進行光面爆破作業時，巖體存在優勢節理組而導致爆破效果與設計存在偏差，超欠挖現象時有發生。通過對該金礦節理穩定性分析可知，設計優化方案應著重考慮到塊體2、6所在右幫位置與塊體7、8所在頂板與左幫位置對光面爆破的影響。

2．3 巖體穩定性分級

用分形理論法將節理掃描圖結構面分成若干矩形，通過改變觀測尺度的方法計算二維巖體結構面的分形維數。參考文獻［7－9］，并結合分形維數相關理論將巖體穩定性分為5級，具體見表4。

表4 分形理論巖體穩定性分級

對1 780 m水平上盤圍巖進行分形計算，通過對節理掃描分析可知，礦區大部分巖體的分形維數在1．417～1．587之間，均為Ⅲ級圍巖，巖體質量一般。后續進行掘進巷道光面爆破設計優化時，圍巖均假定為Ⅲ級圍巖，將圍巖節理裂隙特性在優勢節理組范圍內進行研究。

3 光面爆破優化設計

3．1 設計優化方案

設計方案主要包括選取爆破器材、選擇起爆網絡、布置裝藥結構以及具體施工方法。根據每一循環的進尺要求，采用螺旋掏槽方式，其主要優點是炮孔利用率高、布孔方式簡單；根據礦山實際條件，選擇巖石改性銨油炸藥、毫秒延期導爆管雷管；選擇串并聯起爆網路，采用10段起爆；采用反向間隔不耦合裝藥結構，人工裝藥法；采用氣腿式鑿巖機鉆孔施工、機械挖裝出碴。

3．2 爆破參數選取

依據前文得到的圍巖等級，考慮巖體節理分布，設計采用螺旋掏槽布置方式，共設計36個炮孔，其中包括空孔8個、掏槽孔6個、輔助孔5個、周邊孔12個、底孔5個。設計炮孔布置如圖4所示，其中，掏槽孔間距150 mm，輔助孔間距600 mm，周邊孔間距500～550 mm，周邊孔孔口距離巷道周邊100 mm，孔底距150 mm。

圖4 優化后炮孔布置圖（單位：mm）

具體包括：由鉆孔機具確定炮孔直徑40 mm；根據鉆桿長度和炮孔利用率（85%），設計炮孔深度2．5 m；共布置14個掏槽孔，其中8個孔為空孔，采用螺旋式掏槽；設計掏槽孔間距150 mm，排距150 mm，均向中部炮孔傾斜，保證孔底距不少于20 mm；共布置17個周邊孔，其中頂孔5個、底孔5個、幫孔7個；頂孔、幫孔孔口中心均距離輪廓線100 mm，炮孔向外傾斜5°，保證孔底超出輪廓線100 mm；底孔高出底板水平150 mm，炮孔向下傾斜5°，保證孔底超出底部輪廓線100 mm。

3．3 爆破施工工藝

1）施工準備：機械設備與炸藥準備齊全，明確人員責任分工；按照設計要求測定炮孔點位，利用紅漆標定測得的炮孔位置并標號。

2）布孔：指定專業爆破施工人員進行布孔，嚴格按照設計優化后的炮孔布置圖進行現場布設，本次采用的布孔方法是先布掏槽孔和空孔1～14號，再布設周邊孔20～36號，最后布設輔助孔15～19號，共計布設36個孔。

3）鉆孔：按照設計要求進行鉆孔，掏槽孔與周邊孔鉆孔時一定要按照設計的角度進行施工，確保施工準確性。

4）裝藥：炮孔驗收后進行裝藥，設計采用反向間隔不耦合裝藥結構，人工裝藥。裝藥嚴格按照設計裝藥量進行，裝藥過程中，1號掏槽孔為防止啞火，布置2個導爆管與藥卷連接（9卷藥卷）；21、24、26、29號周邊孔主要提供自由面，布置藥卷時在孔內只裝一半藥卷（一般為4卷藥卷）。具體裝藥結構見圖5。

圖5 炮孔裝藥結構圖

5）堵塞：堵塞長度不小于最小抵抗線長度，堵塞材料應選用黃泥。

3．4 起爆網絡及起爆

在起爆前預先開展現場試爆工作。本優化采取10段起爆的導爆管起爆法，網路用串并聯方式。起爆順序為掏槽孔→輔助孔→周邊孔→底孔，具體起爆順序見圖6。

圖6 起爆順序

3．5 施工組織與安全

嚴格按照《爆破安全規程》規定的施工要求進行各項作業，爆破負責人要統籌整個現場的管理工作，檢查施工質量和進度、安全狀況等；爆破施工人員應當有充足的現場技能安全培訓和學習；爆破前應發出預爆信號和爆破信號，確保所有人都撤出到安全距離以外，才能進行爆破；爆破后應等炮孔排除干凈后，才能前去進行清理工作；在掘進巷道一定距離安裝局部通風機并在出風口接上風筒，以便將新鮮風流送入工作面，保障施工人員擁有良好的工作環境。

3．6 設計裝藥參數

每一循環爆破掘進工程量14．54 m3，耗用炸藥34．80 kg，實際單耗34．80／14．54＝2．39 kg／m3，耗用導爆管雷管28發。具體裝藥參數見表5。

表5 炮孔裝藥參數

4 爆破優化設計效果

4．1 爆破現場試驗對比

通過對掘進巷道光面爆破優化后，由式（1）求得實際炸藥單耗由原來的2．69 kg／m3減至2．39 kg／m3，爆破成本顯著降低。爆破參數計算遵循體積法則：在一定的炸藥、巖石和爆破參數條件下，爆下的巖石等介質體積，同所用的裝藥量成正比［6］。

式中Q為一個循環的總裝藥量；q為單位炸藥消耗量，kg／m3；v為爆破漏斗體積，m3。

爆破漏斗體積可以等效為巷道開挖體積的工程量：

式中s為掘進巷道斷面開挖面積，m2；L為炮孔深度，m；η為炮孔利用率，取90%。

由式（2）計算可得，原本掘進施工的掏槽孔炸藥單耗為18．0 kg／m3，輔助孔單耗為2．52 kg／m3；優化后掏槽孔炸藥單耗14．4 kg／m3，輔助孔炸藥單耗2．25 kg／m3。優化后各項炸藥單耗都顯著減少。

現場試驗結果表明，優化后的光面爆破10段起爆網絡的炮孔利用率從原先的85%提升到90%以上，單次循環進尺從2．4 m提升到2．5 m，每循環裝藥總量減少3 kg，光面爆破的爆破效果和巷道成形情況良好，符合設計要求和規范，提升了礦山經濟效益和安全效益。爆破優化前后經濟技術指標詳見表6。

表6 優化前后部分經濟技術指標

4．2 爆破振動影響分析

該金礦1780中段83線為穿脈揭露礦體，礦體標高延伸至1 810 m左右。礦體正上方為生活辦公區（標高1 840 m），礦體開采對生活辦公區會產生較大擾動，且由于采空區“群效應”，采空區圍巖和頂板應力狀態更加危險，加劇了采空區的危險等級［10］。為避免井下爆破振動對地表建筑物和井下采空區的擾動破壞，以薩道夫斯基公式［11－12］計算地表爆破振動速度衰減情況：

式中V為爆破振動速度，m／s；K為場地系數；Q為裝藥量，kg；R為爆心距，m；α為衰減系數。因為該礦巖石堅固系數6～10，為比較堅固及堅固巖石，由《爆破安全規程》（GB6722—2014）中爆區的巖性K、α值規定，K值取150，α值取1．5。

由式（3）計算可得，地表爆破振動速度1．90 cm／s。因礦山目前為淺孔爆破，頻率在40～100 Hz之間，安全允許振速3．0 cm／s以上。本設計完全符合安全規范與要求，已盡可能地降低對地表建筑物的破壞。

5 結 論

1）針對某金礦復雜地質條件巷道掘進爆破中存在的超欠挖現象，進行礦區節理分析及穩定性分級，得出巖體主要為Ⅲ級圍巖，并以此為基礎進行了光面爆破優化設計。

2）以掘進巷道中光面爆破參數優化為主要研究內容，爆破優化設計采用螺旋掏槽，優化了炮孔布置與裝藥起爆網絡，增加周邊孔和減少輔助孔布置，選用反向不耦合裝藥結構并10段起爆。并利用爆破參數計算法則求得掘進巷道爆破炸藥實際單耗從2．69 kg／m3減至2．39 kg／m3。

3）由薩道夫斯基公式求得爆破振動速度1．90 cm／s，符合安全規程和現場施工情況。

4）現場爆破作業驗證了該優化設計的優越性，優化后的炮孔利用率從85%提高到90%以上，單次循環進尺提高了0．1 m。