深部硬巖礦山巷道掘進鑿巖爆破參數優化試驗研究

文章編號：1001-1277（2025）08-0013-06

doi：10.11792/hj20250803

引言

在金屬礦山地下開采中，巷道掘進是保證礦石資源高效、安全開采的重要環節，而鑿巖爆破則是最常用的掘進手段[1。隨著礦山開采深度的增加，地下地質條件的復雜性顯著增加，包括地應力、巖層結構和圍巖性質的多樣性，這對爆破參數的設置提出了更高的要求[2]。合理的爆破參數不僅能夠提高掘進效率，而且還能降低對圍巖的擾動，確保施工的安全性和經濟性[3]。因此，如何科學優化爆破參數，成為現代礦山工程領域亟待解決的關鍵問題[4]

爆破參數的設置包括炸藥的類型與裝藥量、鉆孔的布置、炸藥的填塞方式及起爆順序等多個方面[5]。這些參數之間相互關聯、相互影響，稍有不當就可能導致爆破效果不理想，甚至引發安全事故[。例如：裝藥量不足可能無法有效破碎巖石，而裝藥量過大則可能引發過度振動，破壞圍巖穩定性[；鉆孔布置不合理會導致能量利用效率低，增加施工成本[8]；不當的填塞和起爆順序則可能導致爆破飛石、噪聲和粉塵等環境問題9。因此，爆破參數的優化設計必須充分考慮地質條件的多樣性和復雜性，以實現理想的爆破效果[10]

近年來，關于爆破參數優化的研究逐漸增多，主要集中在以下幾個方面：首先是炸藥的選擇和裝藥量的優化[\"]。通過實驗室測試和現場試驗，研究人員逐步確定了不同巖性和地應力條件下的最優裝藥量范圍[2]。其次是鉆孔布置和填塞方式的改進[13]。基于數值模擬和經驗公式，研究者們提出了適用于不同地質條件的鉆孔網絡優化模型[14]，以提高能量利用率，減少圍巖擾動[15]。此外，起爆順序的優化也受到了廣泛關注[16-17]。通過分析炸藥爆轟波的傳播規律和能量分布[18-19]，研究人員開發了多種智能化的起爆技術[20-21]，以提高爆破控制的精度和效果。

另外，目前金屬礦山地下開采主要采用紙盒打濕再打成卷或直接打成卷封孔，還有用袋子直接堵孔的，就地取材。井下下向大直徑深孔作業和露天礦山作業主要使用孔口周邊的細巖渣堵孔。主要原因有以下幾點：沒有合適的制作炮泥的材料和設備；加工操作的炮泥容易斷裂，上向孔不容易填塞或無法保證填塞質量等；另外采用炮泥封孔，制作和操作麻煩，導致作業時間長、效率低，影響生產。

本文以爆破參數優化為核心，并選用新型炮泥在礦山使用，系統探討在不同地質條件下，如何通過科學合理的參數設計，提高鑿巖爆破的效率和安全性。通過綜合運用理論分析和現場試驗等方法，本文將為金屬礦山地下巷道掘進爆破參數優化提供新的思路和技術支持，以期能夠為礦山工程技術人員提供可操作的優化策略，助力礦山開采實現更高效、更安全的生產目標。

1礦山現狀及地質概況

1. 1 礦山現狀

（下稱“嵩縣山金\"）地處河南省嵩縣南部，行政上隸屬嵩縣大章鄉，礦區與洛陽市直線距離約 120km ，距嵩縣城區約 24km 。礦區南側約 3km 處有洛（陽）一欒（川）公路通過，并建有硬化道路直達礦區，交通條件優越，完全能夠保障生產運輸需求。礦區內礦體總體走向 20^° 左右，傾向NW，傾角 51^°～55^° ，屬傾斜中厚礦體，初步估算可利用礦石量 1635576t ，金金屬量 6703.60kg ，設計年產礦石量20萬t。

隨著礦山的不斷開采，巷道掘進和采場回采中施工質量成為礦山安全生產和成本控制的關鍵點。目前，采場進路回采施工主要表現為掘進和回采時循環進尺較低、部分區域超欠挖嚴重、支護工程量較大、施工安全隱患多、巷道維護成本較高、回采中尾砂混入嚴重、采礦損失貧化指標較高等問題。這些問題將不可避免地制約企業的安全生產水平與經濟效益的提升。

1.2 地質概況

嵩縣山金九仗溝金礦床地處外方山斷隆帶中西部，位于大莊一中胡背斜構造北翼，緊鄰北北東向萬嶺斷裂組東側。區域地層為產狀呈北東傾的單斜構造。礦區內主要賦存地層為中元古界長城系熊耳群雞蛋坪組及第四系沉積層。礦區褶皺不發育，巖層呈單斜展布，總體走向 105^°～115^° ，傾向 15^°～25^° ，傾角20^°～25^° 。斷裂以M1含金構造蝕變破碎帶為主，構成礦區主要控礦構造。礦區內巖性較為單一，以雞蛋坪組上段英安巖、流紋巖為主。巖石硬度較高，抗壓強度大，節理裂隙不發育，巖體穩定性良好，因此不會對礦床開采構成不利影響。選擇試驗地點為 -420m 中段83勘探線脈外巷，巷道圍巖較穩固，發育有少量節理，走向為 45^°± ，傾角 67^°± 。水文地質條件類型為簡單型。

2鑿巖設備和爆破器材

2.1 鑿巖設備

在嵩縣山金巷道掘進施工中，YT-28氣腿式鑿巖機起到了不可替代的作用。該設備通過壓縮空氣驅動活塞進行往復運動，在沖程階段活塞對釬尾施加沖擊載荷，回程階段則驅動釬具產生旋轉運動，以此實現巖體的破碎與鉆孔功能。雖然全液壓鉆車取代氣腿式鑿巖機已成為巖石巷道掘進領域的發展趨勢，但目前仍有不少巖石巷道掘進工程繼續沿用氣腿式鑿巖工藝。其作為一種應用廣泛的手持式、半機械化裝備，具有結構簡單、維護便捷、成本經濟等優勢，但其缺點同樣顯著：鉆孔效率不高、作業噪聲顯著、人力需求較大、綜合工效偏低、工人勞動強度較高，且存在較高的機械損傷、人員傷亡及頂板冒落等安全隱患。

2.2 爆破器材

針對嵩縣山金礦體的物理力學特性，本研究選擇常用的2號巖石乳化炸藥作為爆破材料。該炸藥有著較好的爆轟性能，在中硬巖層爆破工程領域被廣泛應用。本次試驗采用的炸藥規格為 ?32mm×300mm 標準藥卷，單卷質量為 0.3kg 。在起爆系統方面，選用配備 4m 延長導線的數碼電子雷管，以確保起爆順序及微差時間的精準控制，并使得施工安全性大幅度提高。

3原爆破參數及存在問題

3.1 原爆破參數

斷面形狀為1/4三心拱，斷面尺寸為 3.0m×2.8m_o 鑿巖使用YT-28氣腿式鑿巖機， 2.2m 長釬桿，?38mm 球齒釬頭，孔深 2.0m ，炮孔總孔數35個。其中，掏槽選擇梅花形掏槽，掏槽孔共計7個（含6個未裝藥空孔），輔助孔16個，周邊孔12個。爆破材料選用2號巖石乳化炸藥，采用連續不耦合反向起爆裝藥結構，炮孔未實施封堵處理。總裝藥量達 47.7kg 配套使用數碼電子雷管，單循環雷管消耗量為29發，經計算炸藥單耗為 3.43kg/m³ 。采用數碼電子雷管起爆網絡。所有炮孔均采用孔內毫秒延期雷管，延期時間為 500ms ，共分10段起爆。原爆破炮孔布置如圖1所示，單循環裝藥參數如表1所示。

圖1原爆破炮孔布置示意圖

Fig.1Blast holes layout of the original blasting

表1單循環裝藥參數Table1 Charging parameters of single round

3.2 存在問題

1）孔網參數不合理，導致巷道成形效果較差。周邊孔布設間距超出合理范圍，顯著大于周邊孔與二級輔助孔的排距，造成巷道超欠挖問題突出，斷面成形效果不佳。這一狀況不僅增加了支護作業量，而且對巷道的結構安全性和圍巖穩定性產生不利影響。

2）裝藥參數不合理，使得爆破成本高，爆破效率低。采用單一的連續裝藥模式，未能針對不同炮孔位置優化裝藥形式和藥量分配，致使炸藥用量增加。單循環爆破裝藥量達 47.7kg ，爆破后超欠挖現象明顯，斷面成形控制效果不理想。實測炸藥單耗為 3.43kg/m³ 對照《黃金工業工程建設預算定額》（2014版），較國內同類礦山平均水平顯著偏高。此外，由于未實施炮孔封堵措施，炸藥能量利用率不足，嚴重影響了爆破效能。優化前爆破效果如圖2所示。

圖2優化前爆破效果

Fig.2Blasting resultsbefore optimization

3.3 原因分析

通過調研現有的井巷掘進爆破參數，發現出現上述問題的根本原因在于孔網參數與裝藥結構的不合理。現場鑿巖施工人員主要依據傳統經驗參數及類比其他礦山布孔模式開展作業，不同操作人員采用的布孔工藝存在明顯差異。這種基于經驗主義的布孔裝藥方式，未能充分考慮巖石力學特性、炸藥爆轟性能、炮孔規格參數及《黃金工業工程建設預算定額》（2014版）等技術標準，因而無法選取最優的爆破參數。

具體表現為：輔助孔排距較小，導致相鄰炮孔爆破作用區域產生顯著疊加效應，不僅爆破能量利用率降低，而且引發爆破碎石拋擲距離過大，對出渣作業效率產生影響；周邊孔間距過大，使得形成多個獨立的爆破漏斗，而孔間巖體因應力分布不均難以達到有效破碎效果，最終導致明顯的爆破根底殘留問題，巷道斷面超欠挖現象突出，成形質量控制面臨嚴峻挑戰。基于上述分析，針對現有巷道掘進爆破參數，亟待開展系統性優化研究。

4爆破參數優化

爆破參數在巷道掘進工程設計中具有決定性作用，其核心要素涵蓋炮孔孔徑、鉆孔深度、炮孔數量與排布方式、炸藥單耗等關鍵指標，這些因素將直接決定掘進施工的經濟性、作業效率及最終巷道斷面的成形效果。炮孔直徑的選取關系到爆后巖塊粒級分布和巷道輪廓控制效果，直徑偏大會導致爆破塊度過大，加大后續清渣難度，而直徑不足則會制約爆破效能；鉆孔深度決定單次掘進量，合適的炮孔深度在保證爆破效率的同時可確保巖體充分破碎，過深會使巖石的夾制作用太大，不足則使爆破效率太低；炮孔數量決定了總裝藥量，其孔網參數則主導著爆破輪廓的規整度和巖體破碎形態；炸藥單耗作為評估爆破經濟性的關鍵參數，不僅影響施工成本，而且與巖體破碎程度密切相關，可依據巖體可爆性和工程需求進行動態調整。因此，要實現理想的爆破效果，必須科學確定各項爆破參數。爆破參數的確定需要綜合考慮巷道圍巖特性，本研究著重從孔網參數、裝藥結構、堵塞材料方面進行優化，巷道掘進爆破工程需滿足以下關鍵技術指標： ① 成形斷面幾何尺寸嚴格符合設計規范要求，輪廓線平整，圍巖擾動較小，超欠挖量控制在5% ② 提高炮孔能量利用效率，炮孔有效利用率原則上應不低于 90% ③ 爆破碎石粒徑分布均勻，爆堆空間分布集中，大幅提高裝運作業效率； ④ 降低爆破材料消耗量，優化施工成本。基于嵩縣山金實際工程地質條件，圍巖質量等級以Ⅱ類為主，巖石普氏硬度系數 f=12 ，最終依舊選用2號巖石乳化炸藥，并嚴格遵循當地技術規范要求，統一采用數碼電子雷管進行起爆。

4.1 炸藥消耗量

炸藥單耗不僅受巖體力學特性的制約，還與巷道斷面尺寸、炮孔孔徑及鉆孔深度等工程因素密切相關。針對特定巖層條件，在爆破參數和炸藥類型確定的前提下，存在一個最優的炸藥消耗量范圍。盲目提高炸藥單耗對爆破效果的提升作用有限，在某些情況下甚至會產生負面效應。合理炸藥單耗的確定通常需要結合工程實踐經驗進行綜合判斷。參照《黃金工業工程建設預算定額》2014版），并考慮嵩縣山金的實際地質條件，確定該斷面尺寸下，巷道掘進爆破的炸藥單耗標準值為 2.83kg/m³ ，單循環爆破炸藥需求量可通過式（1）計算得出。

Q=qShη

式中： Q 為單循環爆破炸藥需求量 （kg）;q 為炸藥單耗 （kg/m³. ；S為巷道設計斷面面積， S=7.94m²;h 為炮孔設計深度， h=2.3m;η 為炮孔有效利用率， η=0.87 。

基于爆破工程理論，經計算， Q=44.96kg 。因此，單循環爆破炸藥需求量為 44.96kg

4.2 炮孔參數設計

4.2.1 炮孔數量計算

炮孔數量計算公式為：

式中： N 為炮孔數量。

經計算， N=31 。因此，炮孔數量為31個。

4.2.2 掏槽孔布置

掏槽形式的選取是影響整體爆破效能的關鍵因素之一。當工作面僅存在單一自由面時，巖石的夾制作用顯著增強，導致爆破難度加大，此時需要通過技術手段人為增設自由面來提升爆破效率。掏槽孔的核心功能在于將工作面掏槽區域的巖體充分破碎并拋擲，進而形成新的臨空面，為后續炮孔的爆破作業提供必要的能量釋放空間。本次試驗采用梅花形掏槽布置方案，掏槽孔布置在底板以上 1.3～1.5m 高度處，中心設置1個裝藥孔，周邊均勻分布6個空孔，空孔直徑與裝藥孔保持一致，二者間距控制在 50mm 。

4.2.3 輔助孔和周邊孔布置

輔助孔主要布置在掏槽孔外圍區域，其功能在于擴展爆破空腔范圍，從而優化整體爆破效能。為確保爆破安全性，輔助孔深度通常較掏槽孔適當減小，這樣既防止巖體過度破碎，又能有效抑制飛石產生。輔助孔排距宜控制在 0.4～0.8m 。周邊孔則需沿巷道輪廓線均勻排布，其主要功能在于精確控制炮孔間距，從而實現預期爆破效果。周邊孔間距建議采用 0.5～ 1.0m ，最小抵抗線應符合 的設計標準。對于輔助孔和周邊孔的布置需滿足以下技術要求：保證圍巖沿設計輪廓線準確崩落；爆破巖體不得破壞支護體系及相關設備；單孔起爆不應導致鄰近裝藥孔意外引爆或位移；破碎巖塊粒徑分布均勻，便于后續裝運作業。

根據嵩縣山金巖石性質，布置16個輔助孔，輔助 孔排距 0.15～0.9m;13 個周邊孔，兩幫孔間距 0.6～ 0.7m ，頂板孔間距 0.8～0.9m ，底板孔間距 0.9m 。優 化后炮孔布置如圖3所示。

圖3優化后炮孔布置示意圖

Fig.3Blastholes layout after optimization

4.3 指標對比

針對優化前爆破方案存在的問題，提出相應解決思路，主要優化思路如下：采用馬麗散塑封炮泥堵孔，以提高炮孔有效利用率。單循環裝藥參數如表2所示。由表2可知：優化后的裝藥參數將 2.2m 釬桿更換為 2.5m 釬桿，增加炮孔深度，以提高循環進尺。并增加1個底孔，底孔間距由 1.4m 降為 0.9m 。降低裝藥系數，掏槽孔裝藥系數由1.05降至0.91，輔助孔裝藥系數由0.9降至0.68，周邊孔裝藥系數由0.7降至 0.56

表2單循環裝藥參數

Table 2 Charging parameters of a single round

5現場爆破試驗及效果

考慮到不同炮孔的功能差異，每個炮孔的炸藥單耗需進行具體設計。起爆順序為掏槽孔先爆，隨后輔助孔，最后周邊孔，采用毫秒延期數碼電子雷管起爆，以有效降低爆破振動對圍巖的擾動作用，提升爆破成形質量。通過多次試驗與參數修正，最終獲得了顯著的爆破效果。具體單循環裝藥參數如表3所示，詳細裝藥結構如圖4所示。

Table 3 Charging parameters of a single round

根據優化后的設計參數進行現場爆破試驗，單循環爆破主要技術參數如表4所示，優化前后爆破效果整體對比分析結果如表5所示。

表4單循環爆破主要技術參數Table 4Main technical parameters of a single round of blasting

圖4裝藥結構示意圖

1）巷道斷面成形質量顯著提升。通過縮小周邊孔間距并降低裝藥密度，在爆破參數系統優化后，經過反復試驗與參數修正，取得了突破性進展。具體表現為：巷道超欠挖現象得到根本性改善，炮孔有效利用率持續穩定在 90% 左右的高位水平，爆落巖塊粒徑分布合理，爆堆集中度顯著提高。優化后的爆破效果如圖5所示。

表5優化爆破效果整體分析

Table5 Overall analysis of optimized blasting effect

圖5優化后爆破效果

Fig.5Blasting effect of blasting consunmables

2）爆破成本顯著降低。經參數優化后，單循環炸 藥消耗量由初始的 47.7kg 降至 44.1kg ，節約 3.6kg 炸藥單耗由 3.43kg/m³ 降低至 2.71kg/m³ ，降幅達20.99‰ 這一改進不僅顯著降低了爆破材料消耗量，同時有效控制了掘進工程的爆破作業成本。相關爆破材料消耗量及經濟成本對比分析如表6所示。

表6爆破耗材成本對比分析

Table6 Costcomparison of blasting consumables

經計算，優化后爆破耗材成本節約8.23元 /m³ 。

3）爆破作業效能顯著提升。經參數優化后，單循環進尺增加 0.3m ，炮孔有效利用率提升1.63百分點，電子雷管單耗減少 0.25↑↑/m³ ，炸藥單耗降低 0.72kg/m³ 整體爆破效果達到預期優化目標。

需要指出的是，巷道掘進爆破參數優化是一個需要持續改進的系統工程。針對礦體與圍巖的巖性差異特征，必須通過動態調整掏槽方式、孔網參數、裝藥結構及填塞質量等參數，對現行爆破方案進行科學修正，方能實現經濟技術指標的最優化。嵩縣山金的工程實踐表明，實施爆破參數優化后，不僅顯著改善了巷道斷面成形質量，同時大幅提升了爆破作業效率，而且有效降低了爆破材料消耗量，為類似地質條件下的巷道掘進爆破工程提供了具有重要參考價值的實踐經驗。

6結論

1）爆破效果顯著提升，有效緩解了巷道超欠挖問題，斷面成形質量明顯改善。通過優化周邊孔間距和裝藥密度，顯著降低了爆破對圍巖的擾動，使超欠挖量控制在 5% 的設計允許范圍內。圍巖支護工程量相應減少，支護成本節約效果顯著。

2）爆破材料消耗明顯降低，爆破材料成本減少8.23元 /m³ 。通過優化炮孔布置方案和差異化裝藥設計，輔助孔和周邊孔裝藥量合理縮減，單循環總裝藥量有效控制。炸藥單耗從 3.43kg/m³ 優化至 2.71kg/m³ 為成本管控創造了有利條件。

3）掘進作業效率實現質的飛躍，單循環進尺提升0.3m ，炮孔有效利用率提升至 90% 左右。鑿巖工效得到改善，爆后巖塊粒度均勻，爆堆集中度高，裝巖效率顯著提升，整體掘進速度實現突破性進展。

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Experimental study on optimization of drilling and blasting parameters fordeep hard rockmine roadwayexcavation

Xin Jinsheng1，Feng Lianwei2， Xing Chao3，Liang Xin³ ，Ren Ji⁴ （202 （1.Mine Management Group，Shandong Gold Group Co.，Ltd.;2.XinchengGold Mine，Shandong GoldMiningCo，Ltd.; 3.Songxian Shanjin Mining Co.，Ltd.; 4.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract： Drill-and-blast is the predominant method used in underground mining of metal mines，and blasting parameters are crucial to ensuring blasting performance.Atthe Songxian Shanjin underground mine，issues such as improperstemming，unreasonable blasting parameters，shortadvance perround，andhigh blastingcosts havebeenidentified.These problems reduce excavation eficiencyand increase construction costs，adversely affecting theeconomic performance ofmining operations.In response，this study introduced plasticstemmed emulsion （Marisan） inthe blasting operations and conductedaseries of systematicoptimization tests.By improving stemming practices and refining blasting parameters in atargeted manner，the study achieved notable improvements： the advance per round increased by 0.3 m， blastholeutilization rate rose by1.63 percentage points，unit electronic detonator consumption dropped by O.25 per cubic meter，unit explosive consumption decreased by 0.72kg/m³ ，and blasting material costs were reduced by 8.23 yuan/m3. Additionallthnumberofrequiredblastholeswasreduced，furtherimprovingdrillngefficiencyandblastingeffectivees. These optimization measures not only enhanced the overall blasting performance butalso significantly reduced costs， enabling high-quality excavation with significant practical engineering value.

Keywords： deep mining; hard rock mine; roadway excavation;drilling; blasting; parameter optimization; unit explosive consumption