饒習(xí)榮，江飛飛，李永輝

(1.昆明煤炭科學(xué)研究所， 云南 昆明 650041； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

楔形掏槽光爆技術(shù)在破碎礦體掘進(jìn)中的應(yīng)用研究

饒習(xí)榮1，江飛飛2,3，李永輝2,3

(1.昆明煤炭科學(xué)研究所， 云南 昆明 650041； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)某礦30#破碎礦體自穩(wěn)性差、脈內(nèi)成巷困難且掘進(jìn)成本高、作業(yè)安全性差等一系列問(wèn)題，基于光面爆破基本原理，結(jié)合礦山礦巖條件和掘進(jìn)爆破需要，通過(guò)理論計(jì)算分析優(yōu)化光爆參數(shù)、炮眼布置形式、掏槽方式和裝藥結(jié)構(gòu)，提出了針對(duì)礦山破碎礦體特點(diǎn)的楔形掏槽光面爆破技術(shù)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)爆破試驗(yàn)，取得了較好的光爆效果，試驗(yàn)成果在全礦區(qū)類(lèi)似條件下具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

破碎礦體；光面爆破技術(shù)；楔形掏槽；巷道掘進(jìn)

0 前 言

光面爆破技術(shù)作為地下工程和礦山巷道掘進(jìn)與開(kāi)采中常用的一種爆破方法[1-7]，不僅可用于穩(wěn)固巖體的掘進(jìn)爆破，也可用于破碎巖體條件下的邊界控制爆破，對(duì)于破碎巖體而言，光面爆破技術(shù)能夠有效減少超欠挖，提高工程質(zhì)量和加快工程進(jìn)度，同時(shí)可在最大限度內(nèi)減小對(duì)圍巖的破壞作用，為掘進(jìn)后巷道的支護(hù)加固創(chuàng)造條件，由于光面爆破的這些突出優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)光爆技術(shù)在破碎巖體中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[5-6,8-11]。

某礦30#礦體530～600 m采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程施工經(jīng)驗(yàn)可知，30#礦體節(jié)理裂隙發(fā)育、遇水易發(fā)生泥化現(xiàn)象，自穩(wěn)性差、脈內(nèi)成巷困難，在掘進(jìn)爆破時(shí)經(jīng)常發(fā)生超欠爆現(xiàn)象，爆破后巷道支護(hù)作業(yè)困難，支護(hù)過(guò)程中頂板和側(cè)幫易發(fā)生垮落，整體作業(yè)安全性穩(wěn)定性差，巷道掘進(jìn)和后期維護(hù)成本高，同時(shí)嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)作業(yè)效率，為了切實(shí)有效解決礦山30#破碎礦體爆破成巷中所遇到的各種難題，最大限度的降低掘進(jìn)爆破對(duì)巷道周邊區(qū)域的破壞作用，充分發(fā)揮圍巖掘進(jìn)后的自穩(wěn)特性，為掘進(jìn)后出渣、支護(hù)等創(chuàng)造安全可靠的條件，十分有必要開(kāi)展破碎巖體中的控制爆破試驗(yàn)研究。

1 掘進(jìn)爆破條件調(diào)查與分析

為了查明礦山無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采區(qū)域的工程地質(zhì)條件，充分了解和認(rèn)識(shí)礦體內(nèi)成巷的掘進(jìn)爆破條件，在光面爆破試驗(yàn)前針對(duì)30#礦體進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況調(diào)查和礦體質(zhì)量評(píng)價(jià)，基于結(jié)構(gòu)面調(diào)查的一般原則和所采用的調(diào)查方法(連續(xù)線(xiàn)觀(guān)測(cè)法)的特點(diǎn)[12]，選擇530 m中段6#、8#出礦巷等礦體結(jié)構(gòu)面揭露良好的部位作為調(diào)查地點(diǎn)，調(diào)查總長(zhǎng)度為317.6 m，測(cè)得結(jié)構(gòu)面總數(shù)量893條，平均結(jié)構(gòu)面條數(shù)為2.81條/m，平均間距0.36 m。通過(guò)軟件統(tǒng)計(jì)分析可知，礦體內(nèi)有4組較為發(fā)育的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面(見(jiàn)圖1)，總體上結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，多呈微粗糙型張開(kāi)狀態(tài)，普遍延伸較長(zhǎng)，巖壁表面干燥、中等風(fēng)化；另外，采用RMR巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法對(duì)礦體質(zhì)量進(jìn)行了分級(jí)與評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)調(diào)查區(qū)域巖石強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水條件等分別進(jìn)行評(píng)分[13]，得到礦體RMR法最終評(píng)分值為54，總體上屬于Ⅲ～Ⅳ級(jí)中等破碎礦體，同時(shí)考慮到礦體自身巖石特性，礦體內(nèi)掘進(jìn)成巷爆破條件總體而言較差。

2 楔形掏槽光面爆破技術(shù)方案

2.1 光面爆破基本原理

光面爆破是使爆破的巷道斷面形狀和尺寸基本上符合設(shè)計(jì)要求，巖壁平整、成形規(guī)整并盡量使巷道輪廓以外的圍巖不受破壞的一種控制爆破技術(shù)[3-8]，其控制的內(nèi)容主要包括工作面炮眼布置形式與參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序等方面。光面爆破的基本原理是在工程最終開(kāi)挖面上布置密集小孔徑炮眼，并嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)和系數(shù)，采用不耦合裝藥或空孔間隔裝藥等方式，在爆破時(shí)藥包爆炸產(chǎn)生的壓力經(jīng)過(guò)不耦合間隙的緩沖后得以有效降低，并且不足以在眼壁周?chē)纬善扑閰^(qū)，而僅僅對(duì)需要崩落的巖石一側(cè)產(chǎn)生破碎作用，同時(shí)在周邊眼連線(xiàn)方向形成貫通裂隙，從而進(jìn)一步形成相應(yīng)的光爆破裂面。

一般而言，為了確保光爆效果，可選用低密度、低爆速、高體積威力的炸藥，以減弱爆轟氣體波對(duì)巖體的不利沖擊作用，同時(shí)也可延長(zhǎng)爆生氣體的膨脹作用時(shí)間；另外，周邊眼的不耦合系數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦巖條件進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整。

圖1礦體結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 掏槽方式的比較與選擇

掏槽方式是巷道掘進(jìn)光面爆破的關(guān)鍵，一般掏槽方式主要包括直眼掏槽和斜眼掏槽兩大類(lèi)[14-17]。斜眼掏槽具有掏槽眼數(shù)量少、掏槽面積大、爆破礦巖易崩出，其缺點(diǎn)主要是循環(huán)進(jìn)尺受到井巷斷面尺寸限制、爆堆較分散，楔形掏槽是其中最為常見(jiàn)的形式。直眼掏槽要求炮眼垂直于工作面，且炮眼之間嚴(yán)格平行，其主要優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)空間不受井巷斷面限制、爆堆較為集中，主要缺點(diǎn)是掏槽眼數(shù)量多、鑿巖施工質(zhì)量要求高、成本相對(duì)較高。

礦山原設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)采用直眼掏槽，掘進(jìn)面布置炮眼39個(gè)，其中空孔4個(gè)，底眼5個(gè)，具體炮眼布置形式如圖2所示，實(shí)際掘進(jìn)爆破時(shí)，單個(gè)循環(huán)消耗雷管36發(fā)、炸藥42～48 kg。根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)于30#礦體掘進(jìn)爆破直眼掏槽效果一般甚至較差，另外根據(jù)斜眼掏槽和直眼掏槽的特點(diǎn)可以預(yù)見(jiàn)斜眼掏槽較直眼掏槽可減少炮眼數(shù)量、降低炸藥和部分材料的消耗量，且礦山設(shè)計(jì)巷道斷面尺寸(3.2 m×3 m)能夠滿(mǎn)足斜眼掏槽等需要，因此本次光面爆破試驗(yàn)決定選擇斜眼掏槽大類(lèi)中應(yīng)用最為廣泛和成熟的楔形掏槽。

2.3 爆破參數(shù)計(jì)算及炮眼布置

(1) 炮眼數(shù)量。巷道掘進(jìn)采取全斷面一次爆破開(kāi)挖，周邊孔按照光面爆破要求進(jìn)行布置，炮眼數(shù)量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)進(jìn)行估算。

(1)

式中，f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，s為巷道斷面。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦巖條件可知，f系數(shù)取8，巷道斷面規(guī)格為3.2 m×3 m，斷面積為8.88 m2，經(jīng)計(jì)算巷道斷面需布置29個(gè)炮眼，其中選用楔形掏槽時(shí)，掏槽眼數(shù)量及其布置參數(shù)可根據(jù)表1進(jìn)行選擇，即掏槽眼數(shù)量為6個(gè)，且掏槽眼炮眼與工作面的夾角綜合確定為70°，掏槽眼眼深2.2 m；設(shè)計(jì)輔助眼數(shù)量為7個(gè)，周邊眼數(shù)量為16個(gè)，其眼深均為2 m。

圖2 直眼掏槽炮眼布置

表1 楔形掏槽的主要參數(shù)

(2) 炮孔布置。此次光爆試驗(yàn)的炮眼布置見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)周邊眼距開(kāi)挖輪廓線(xiàn)0.1 m，且向輪廓外方向傾斜角度為3°，其中拱頂部位炮眼間距為0.50 m，立墻部位炮眼間距為0.63 m，底眼間距為0.75 m，輔助眼間距為0.70 m，光薄層厚度為0.5 m。

圖3 掘進(jìn)工作面光面爆破炮眼布置/m

(3) 裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量。為了達(dá)到預(yù)期的光爆效果，本次試驗(yàn)周邊眼采用空氣柱間隔軸向不耦合裝藥，且沿炮眼全長(zhǎng)鋪設(shè)導(dǎo)爆索，而掏槽眼和輔助眼則采用一般的連續(xù)耦合裝藥，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)計(jì)算可知，單個(gè)循環(huán)工作面炮眼總長(zhǎng)為61 m，單個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為2 m，爆破巖石量為17.76 m3。設(shè)計(jì)掏槽眼填塞長(zhǎng)度為裝藥長(zhǎng)度的0.25倍，則掏槽眼裝藥長(zhǎng)度為1.7 m，眼口堵塞長(zhǎng)度為0.5 m；設(shè)計(jì)輔助眼和周邊眼的填塞長(zhǎng)度為裝藥長(zhǎng)度的0.3倍，則其裝藥長(zhǎng)度均為1.5m，眼口堵塞長(zhǎng)度為0.5 m。本次爆破采用乳化炸藥卷，藥卷規(guī)格Φ32 mm×200 mm，藥卷重量200±10 g，根據(jù)上述裝藥結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算可得，掏槽眼裝藥量為10.2 kg，輔助眼裝藥量為10.5 kg，周邊眼裝藥量為18 kg，總裝藥量為38.7 kg，設(shè)計(jì)單位體積炸藥消耗量為2.17 kg/m3。

圖4 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

(4) 連線(xiàn)起爆。按照設(shè)計(jì)的裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量填裝各炮眼，周邊眼在裝藥時(shí)隨藥卷一起鋪設(shè)導(dǎo)爆索，各炮眼內(nèi)裝一發(fā)導(dǎo)爆管雷管，設(shè)計(jì)選用雷管段別為1～7段(見(jiàn)圖2)，孔外使用瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行網(wǎng)路連接，采用捆綁的方式每8～10個(gè)左右的導(dǎo)爆管綁扎在1個(gè)連接雷管上，再將連接雷管連接在1個(gè)總起爆雷管上即可。

3 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于掘進(jìn)爆破條件分析結(jié)果和所提出的楔形掏槽光面爆破技術(shù)方案，試驗(yàn)地點(diǎn)選取在礦山572 m分段30#礦體3#鑿巖巷道內(nèi)，此巷道剛進(jìn)入30#破碎礦體內(nèi)，礦體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，礦體自身力學(xué)特性和自穩(wěn)性差，按照原爆破方式成巷困難、作業(yè)安全性差，符合本次爆破技術(shù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件要求。

按照設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)及炮眼布置形式要求在掘進(jìn)工作面進(jìn)行鑿巖作業(yè)，鑿巖設(shè)備采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)，鉆鑿孔徑均為42 mm，鑿巖完畢后按照參數(shù)和相關(guān)安全作業(yè)要求進(jìn)行炮眼清理、裝藥、連線(xiàn)和起爆，然后觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)爆破效果，并對(duì)相關(guān)的爆破參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)爆破效果見(jiàn)圖5，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，本次爆破進(jìn)尺為2.1 m，爆破成巷斷面規(guī)格為3.15 m×3.1 m，單次爆破量為19.03 m3，成巷效果良好，未出現(xiàn)明顯的超欠爆等現(xiàn)象，爆破礦石塊度均勻，達(dá)到了預(yù)期的要求，證明本次楔形掏槽光爆試驗(yàn)是成功的。另外，與原爆破方案進(jìn)行成本經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析可知，試驗(yàn)方案減少了炸藥、導(dǎo)爆管雷管的消耗量，增加了導(dǎo)爆索的使用，盡管試驗(yàn)方案炸藥材料消耗成本較原方案有所增加，但由于采用光爆技術(shù)方案后巷道支護(hù)形式由原鋼拱架支護(hù)改變?yōu)槌Ｒ?guī)的噴錨網(wǎng)支護(hù)，巷道支護(hù)成本大幅降低，使得最終單位體積掘進(jìn)支護(hù)總成本顯著減小，試驗(yàn)方案在成本經(jīng)濟(jì)上同樣具有優(yōu)越性(見(jiàn)表2)。

圖5 光面爆破試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表2 試驗(yàn)方案與原方案單循環(huán)成本經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文在充分調(diào)查和分析礦山破碎礦體內(nèi)掘進(jìn)爆破現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題、現(xiàn)場(chǎng)爆破條件等基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)礦山破碎巖體的楔形掏槽光面爆破技術(shù)方案，并對(duì)爆破參數(shù)及炮眼布置形式進(jìn)行了理論計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，較原直眼掏槽爆破減少了炮眼數(shù)量、降低了炸藥、雷管等部分材料消耗，爆破后形成了良好的破裂面，巷道斷面成形良好，有效控制了對(duì)周邊巖石的破壞作用，支護(hù)難度和支護(hù)成本顯著下降，最終單位體積掘進(jìn)支護(hù)總成本顯著減小，試驗(yàn)方案在成本經(jīng)濟(jì)上同樣具有優(yōu)越性，達(dá)到了預(yù)期的光爆效果，試驗(yàn)成果可在礦山類(lèi)似條件的破碎巖體掘進(jìn)爆破中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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2017-06-17)

饒習(xí)榮(1988-)，男，云南洱源人，助理工程師，主要從事采礦方法與工藝、礦山壓力與巖層控制等研究工作，Email：983280271@qq.com。