基于現場混裝炸藥的巷道爆破參數優化

薛 里，郝亞飛，孟海利，張小勇 ，肖青松

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶 401121)

現場混裝乳化炸藥技術于20世紀80年代由美國IRECO公司首次研究成功，同期引入到我國[1]，經過幾十年的迅猛發展，該技術已在大型露天礦山、水電工程中得到廣泛應用，其安全、高效、經濟、環保的優勢得到了充分的體現[2-5]。而在地下工程中應用則相對較為滯后，工業和信息化部將隧道井下小型現場混裝工藝裝備研發列為了“十四五”民爆行業重點技術攻關方向[6]。近年來，個別工礦企業開始嘗試在巷道或隧道掘進爆破中引入混裝乳化炸藥技術，并取得了一定效果[7-10]，但受多種因素制約，在地下工程領域應用發展較為緩慢[11-12]。

現場混裝乳化炸藥是靠泵送壓力將乳膠基質和敏化劑按一定比例推入輸藥管，經輸藥管端頭的靜態敏化器充分混合后注入炮孔[13]，在孔內經一定時間發泡成為炸藥，為連續耦合裝藥。與常規的裝填成品藥卷相比，現場混裝炸藥線密度、裝藥結構發生很大變化，炸藥能量利用率和爆破破碎效果都有很大的不同[14-15]，常規方法確定的巷道掘進爆破參數已不能完全適應該裝藥模式，其高效、經濟的優勢不能得以充分體現；周邊孔耦合裝藥導致光面爆破效果差，目前尚無很好的解決辦法，多數仍采用裝填小直徑成品藥卷的方式[16]，限制了該技術的推廣。為此，本文依托某礦山水平巷道掘進工程，結合混裝乳化炸藥的技術特點，對爆破參數進行優化研究，以期在提高其經濟性、光爆質量方面取得突破。

1 工程概況

四川某地下礦山主要為黃銅黃鐵礦化條紋狀石英鈉長巖，巖體結構面閉合性好，巖石堅硬，巖體穩固性較好。巷道寬4 m，高3.5 m，上部為拱形，斷面面積13.2 m2。采用直孔掏槽，中間設置6個直徑為80 mm的中空孔，炮孔直徑45 mm，炮孔深度3.0 m，總孔數48個，炮孔布置及起爆順序如圖1所示。采用Ф32 mm乳化炸藥，裝藥長度1.2～2.5 m，填塞段控制在0.5～1.8 m，總裝藥量105.6 kg，爆破參數如表1所示。采用電子雷管起爆網路，共設10段，由中間向外側逐段起爆，各段延時間隔300～500 ms。

圖1 炮孔布設及起爆順序Fig.1 Blasting hole layout and initiation sequence

表1 巷道爆破參數

2 現場混裝乳化炸藥性能

于巷道掘進爆破，為達到良好的輪廓面，需采用光面爆破，即周邊孔需間隔不耦合裝藥或裝填低密度低爆速炸藥?；煅b乳化炸藥密度與敏化劑濃度和敏化時間有關[17]，為滿足不同孔的爆破效果，采用了濃度分別為4%、2.36%的2種敏化劑，其炸藥性能如表2所示。從表2可以看出，隨著敏化時間增加，炸藥密度逐漸降低，前40 min降幅較大，后面降幅逐漸減小，2 h后趨于穩定，對應的爆速變化規律與之相似。敏化劑濃度為2.36%時，炸藥密度為1～1.15 g/cm3，可以用于掏槽孔、崩落孔、底板孔，敏化劑濃度為4%時，炸藥密度為0.9～1.0 g/cm3，可用于邊墻孔和拱頂孔。

表2 爆速測試結果

3 巷道爆破參數優化試驗研究

3.1 方案優化

隧道爆破開挖成敗的關鍵是掏槽效果的好壞。對于大直徑中空孔直孔掏槽，首先要求掏槽孔鉆孔方向精確，即保持裝藥孔和空孔的平行度，其次是合理的起爆順序和炸藥單耗。文獻[18]提出，即使采用高精度定向鑿巖臺車，鉆孔每米偏差σ=1.9 cm/m，即3 m深的炮孔，孔底偏差可達到5.7 cm。由于原方案掏槽部位孔數較多且密集，鉆孔精準度難以控制，影響爆破質量，因此可對掏槽孔進行優化，盡量減少掏槽孔的數量，降低由鉆孔精度造成的影響。對于巷道掘進爆破，炸藥單耗根據炮孔作用位置不同而有所區別。掏槽孔既要將巖石破碎還要將破碎的巖石拋出，因此掏槽孔炸藥單耗最大，直孔掏槽一般要達到13 kg/m3；掏槽孔下方的炮孔要使巖石破碎并上翻，因此其單耗次于掏槽孔；而掏槽孔上面的炮孔只需將巖石崩落，其單耗最小。

根據上述的分析對爆破參數進行優化，中心掏槽孔由Ф45 mm孔徑改成與空孔直徑相同的Ф80 mm孔徑，增加中心孔裝藥量，取消第一圈的4個掏槽孔。在考慮碎石完全拋出的條件下，裝藥孔至空孔距離的按下式計算[19]：

(1)

式中：A為空孔中心至裝藥孔中心的間距，mm；φ為空孔直徑，mm；d為裝藥孔直徑，mm；a為空孔孔壁至裝藥孔孔壁的最小距離，mm。

根據式(1)可以計算得到空孔至裝藥孔的間距為300 mm。因此，空孔與最中心掏槽孔距由原來200 mm調整為300 mm，同時第二圈掏槽孔4孔位向內縮減100 mm。采用機械裝藥后，變為了耦合裝藥，線裝藥密度增大，破碎效果更好，因此崩落孔、二抬孔、底板孔各減少一個，優化后的孔位布設和起爆順序如圖2所示。

圖2 優化后炮孔布設及起爆順序 Fig.2 Blasting hole layout and initiation sequence after optimization

所有炮孔均裝混裝乳化炸藥，周邊孔裝填低密度混裝乳化炸藥，其他裝填高密度混裝乳化炸藥，根據乳化基質敏化及爆速測試情況，裝藥時先裝周邊孔，崩落孔、底板孔次之，最后裝掏槽孔。起爆藥包采用300 g的Ф32 mm乳化炸藥和電子雷管制作，總裝藥量117.3 kg，優化后的爆破參數如表3所示。起爆網路與原方案類似，共設10段，由中間向外側逐段起爆，各段延時間隔300～500 ms。

表3 調整后巷道爆破參數

3.2 爆破效果分析

試驗共進行了2次，優化前后掏槽孔如圖3所示。每次裝藥由5人完成，其中每2人負責一個輸藥管的裝填作業，另外1人負責輔助，裝藥過程如圖4所示。

圖3 優化前后的掏槽孔Fig.3 Cut holes of before and after optimization

圖4 機械裝藥現場Fig.4 Mechanical charging site

爆后，經現場檢查，結果如下：無盲炮、無殘孔；工作面巖石穩定，無拉裂現象；爆堆集中、穩定，巖石塊度較小；掘進進尺3.0 m；工作面輪廓面保持良好，半孔率85%以上。爆破效果如圖5所示。與裝填成品乳化炸藥相比，相關指標對比如表4所示。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

表4 2種裝藥方式指標對比

從表4可以看出，與原方案相比，優化后總炮孔數減少了7個，鉆孔量降低15%；采用機械裝藥大大降低了作業人員勞動強度，提高了裝藥速度，平均單孔裝藥時間不到1 min，總裝藥時間只有人工裝填成品炸藥的一半；同時，采用混裝乳化炸藥，在炸藥單耗保持2.96 kg/m3不變的情況下，進尺率提高了10%，達到了100%。采用不同密度混裝炸藥，可以滿足了巷道爆破不同作用孔的需要，能達到良好的光面爆破效果。

4 結語

1)在巷道掘進爆破中采用現場混裝炸藥技術，大大降低了人員勞動強度和作業風險，縮短了裝藥時間，極大地提高了爆破施工效率。

2)與裝填包裝乳化炸藥相比，現場混裝炸藥技術在巷道爆破中應用，可降低鉆孔量15%，在保持炸藥單耗不變的情況下進尺率提高10%，達到了100%，提高了掘進速度、節約了施工成本，經濟效益顯著。

3)通過調節敏化劑濃度，降低混裝炸藥密度和爆速的方法，能有效地解決巷道爆破周邊孔機械裝藥的問題，光爆效果良好。