賈彥州

（山東煙臺鑫泰黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 煙臺 265147）

隨著開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致淺部易采礦產(chǎn)資源瀕臨枯竭，為了更好的滿足人類對礦產(chǎn)的需求，人們逐漸展開對難采礦山的開采[1]。但由于此類礦山屬于巖體復(fù)雜的軟巖型礦山，其巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與巖塊間的膠結(jié)強(qiáng)度偏低，在開采過程中受爆破等壓力干擾后容易發(fā)生片幫及冒落等問題[2]。若不及時(shí)采取支護(hù)措施，會加劇巷道周圍圍巖的松散范圍，導(dǎo)致行人﹑運(yùn)輸﹑通風(fēng)等困難，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。當(dāng)單一的支護(hù)形式無法滿足巷道支護(hù)要求時(shí)，應(yīng)盡快尋找更加合理的復(fù)合巷道支護(hù)技術(shù)，將礦井風(fēng)險(xiǎn)控制在最小范圍內(nèi)。

通過對工程地質(zhì)的調(diào)查和對巷道變形破壞規(guī)律的分析，確定采用“光面爆破與錨噴網(wǎng)支護(hù)”的巷道維護(hù)技術(shù)。其工作原理是：通過光面爆破成巷來減少因爆破震動對圍巖造成的破壞，盡量保持圍巖的完整性，有效提升圍巖的自撐能力；再通過安裝水泥卷預(yù)應(yīng)力錨桿，使巷道周邊的圍巖形成內(nèi)部應(yīng)力相互重疊的連續(xù)擠壓加固帶，能有效的抵抗圍巖應(yīng)力；最后結(jié)合噴漿層與金屬網(wǎng)將破碎的圍巖相互粘結(jié)形成整體，防止冒落現(xiàn)象的發(fā)生。

1 光面爆破設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

光面爆破是在井巷掘進(jìn)設(shè)計(jì)斷面的輪廓上安裝間距較小且相互平行的炮眼，要選擇低爆速或低密度的炸藥，或者采用不耦合裝藥，一定要嚴(yán)格控制炮眼的裝藥量，同時(shí)起爆，使爆炸作用貫穿于炮眼連線上，并將各炮眼的連線延伸至井巷輪廓線，最終將巖石崩落。光面爆破效果的好壞主要取決于光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，其參數(shù)主要包含爆孔長度﹑炮眼間距﹑光爆層的厚度（即周邊眼最小抵抗線）﹑裝藥的結(jié)構(gòu)方式以及裝藥量等等。

1.2 光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

光面爆破在進(jìn)行礦山巷道或隧道掘進(jìn)施工中，主要采取兩種方案，一種是全斷面一次爆破，另一種是預(yù)留光爆層分次爆破方案。在進(jìn)行全斷面一次爆破作業(yè)時(shí)，主要起爆系統(tǒng)采用多段毫秒電雷管或非電塑料導(dǎo)爆管按照起爆順序依次起爆。全斷面一次爆破多用于一些小斷面巷道的掘進(jìn)作業(yè)，起爆順序依次為：掏槽眼﹑輔助眼﹑周邊眼等如圖1所示。而預(yù)留光爆層的分次爆破主要應(yīng)用于一些大斷面巷道或隧道的施工。根據(jù)該金屬礦山的實(shí)際情況，我們最終選擇了全斷面一次爆破。

圖1 全斷面一次爆破

（1）光爆孔長度。為保障光面爆破技術(shù)的實(shí)施效果，除了考慮礦山巖層的實(shí)際條件和工程光面爆破合理參數(shù)以外，還有計(jì)算精確的鉆鑿鉆孔。由于鑿巖器具及光面爆破鉆孔的技術(shù)要求，光爆孔的長度應(yīng)該適中，不應(yīng)該過長或者過短。如果光爆孔長度過短，整個(gè)掘進(jìn)循環(huán)次數(shù)相對增加，效率降低，炸藥﹑雷管﹑導(dǎo)爆索等材料消耗過多，出現(xiàn)“接茬”等現(xiàn)象，最終光面爆破平滑度降低。如果光爆孔長度過長，鉆孔的精確度不好掌握。有些光爆孔可能會超出巷道斷面輪廓線，破壞整體光面爆破效果。而且光爆眼過長會帶來裝藥困難。所以，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們選取光爆眼的長度L=2～2.2m。

（2）裝藥方式。在爆破工程中常用的裝藥方式主要是不耦合裝藥方式，該裝藥方式主要以空氣作為不耦合介質(zhì)，因?yàn)榭諝庀鄬τ谒橘|(zhì)它的可壓縮性較強(qiáng)，在爆破中爆轟波及爆轟產(chǎn)物通過空氣介質(zhì)作用于孔壁，爆生氣體膨脹，體積增大，壓力降低。不耦合裝藥方式不僅能削弱破碎區(qū)對能力的消耗而且還能夠延長爆破時(shí)間，提高爆破效率。因此，結(jié)合該金礦巖石實(shí)際結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)目的，同時(shí)同時(shí)降低爆破對粉碎區(qū)的破壞，實(shí)驗(yàn)采場選用間隔不耦合裝藥方式，以空氣作為不耦合介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)場裝藥不耦合系數(shù)主要采取藥卷直徑為25mm，所以dc=2.5cm；而YT28式氣腿式風(fēng)動鑿巖機(jī)配用的釬頭直徑為3.8cm，即dd=3.8cm。所以光面爆破不耦合系數(shù)為：

（3）孔間距。①按照應(yīng)力波疊加理論計(jì)算。在這種理論指導(dǎo)下，要實(shí)現(xiàn)炮孔間的貫通裂縫，必須使炮孔連線中心的拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度。若作用于炮孔壁上的初始峰值為p2，且相鄰炮孔同時(shí)起爆，則在炮孔連線中心點(diǎn)處產(chǎn)生的最大拉力為：

其中：k—為修正系數(shù)，k=0.80～1；σ粉—般粉砂巖的抗拉強(qiáng)度，σ粉=5.0MPa。

所以，炮孔間距為：

②按照應(yīng)力波與爆生氣體的共同作用原理：則炮孔間的距離為：

式中：Rk—每個(gè)炮孔產(chǎn)生的裂紋長度（m），；p—爆炸氣體充滿炮孔體積時(shí)的靜壓力（pa）。

根據(jù)凝聚炸藥的狀態(tài)方程，有：

式中：pk—爆生氣體膨脹過程中的臨界壓力，一般取pk=1000Mpa；pc—爆轟壓，—高壓狀態(tài)下爆生氣體的等熵指數(shù)，可取=3；—低壓狀態(tài)下爆生氣體的等熵指數(shù)，可取=1.4；Vb﹑Vc—炮孔體積與裝藥體積。

按照應(yīng)力波與爆生氣體的共同作用原理，首先單個(gè)炮孔在應(yīng)力波作用下的裂紋長度為：

又裝藥體積與炮孔體積之比為：

爆轟壓為：

則爆炸氣體充滿炮孔體積時(shí)的靜壓力為：

所以，按照應(yīng)力波與爆生氣體共同作用原理，炮孔間距為：

綜合上述①②可知，孔間距的有效取值范圍為：

為保證巷道頂板的有足夠的原巖應(yīng)力及減少破碎帶，設(shè)計(jì)巷道頂板的孔間距應(yīng)該較小，取450mm；兩幫孔間距選取600mm。

（4）最小抵抗線。礦井巷道掘進(jìn)中光面爆破的光爆層厚度可利用光面爆破孔間距與裝藥密集系數(shù)確定。

式中：W—光面爆破的最小抵抗線mm；m—裝藥密集系數(shù)，一般取m=0.8～1.0。

因此，可知金礦光面爆破的最小抵抗線范圍為：

W=a/m=350～700mm

故，設(shè)計(jì)取巷道兩幫和頂板光面爆破層厚度為500mm。

2 錨噴網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 錨噴網(wǎng)支護(hù)理論分析

由于該金礦礦巖條件十分不好，礦層頂板巖性為凝灰質(zhì)粉砂巖及巖屑石英雜砂巖，巖石力學(xué)強(qiáng)度低。礦層底板巖性為薄層狀泥晶灰?guī)r夾含炭鈣質(zhì)板巖。整個(gè)巖層間的結(jié)合力屬于中等水平，屬于較穩(wěn)定巖層但具有易風(fēng)化和較強(qiáng)浸水性，裂隙及節(jié)理發(fā)育的特征，在開采中巷道易發(fā)生冒頂和塌方事故。即使在光面爆破后，也不能完全保證巷道的安全。因此，對巷道﹑特別是回采巷道的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，并針對此做出相應(yīng)的支護(hù)措施十分重要。

錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)主要是由網(wǎng)筋﹑錨桿﹑噴層以及圍巖等組成的四位一體的整體承載結(jié)構(gòu)，它在內(nèi)加固支護(hù)中發(fā)揮了較強(qiáng)支護(hù)能力。它利用網(wǎng)筋將錨桿與錨桿﹑錨桿與噴層等支護(hù)材料形成了一個(gè)相互制約的整體結(jié)構(gòu)，可大大提升支護(hù)層的抗剪﹑抗拉及抗變形的能力，使得支護(hù)的整體剛度和強(qiáng)度都上升一個(gè)層次，能夠更好地適應(yīng)巷道圍巖的惡劣環(huán)境。

2.2 錨噴網(wǎng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）錨固長度。錨固劑錨固的長度是錨固力是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要因素。同時(shí)，合理的選擇錨固劑及錨固長度也是經(jīng)濟(jì)上一項(xiàng)迫切要求。到目前為止，國內(nèi)礦山還沒有一個(gè)較為完善的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算錨固長度。根據(jù)礦山選用的錨固劑種類及設(shè)計(jì)錨固力（50MPa）；結(jié)合國內(nèi)大多數(shù)類似礦山的錨固長度，設(shè)計(jì)錨固長度400mm。

（2）錨桿長度的設(shè)計(jì)。按照懸吊計(jì)算錨桿的長度，可得經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：L—設(shè)計(jì)錨桿長度，mm；L1—錨桿的錨固長度，一般取L1=300～400mm；L3—錨桿的外露長度，一般取L3=100～150mm；L2—錨桿的有效長度，一般來說，有效長度的計(jì)算公式為：

式中：K—安全系數(shù)，一般取值在1.5～2.5之間；H—軟弱巖層的厚度或冒落拱高度,m；B—巷道的掘進(jìn)寬度，B=3.0m；f—頂板巖石的普氏系數(shù)，對于該金礦來說，f=4～6，取巖石的一般堅(jiān)硬系數(shù)，f=4。所以，錨桿的最小設(shè)計(jì)長度為：

因?yàn)?，該金礦本身礦石比較破碎，特別是回采巷道。且本身又經(jīng)過爆破的震動，所以破碎層厚度要比一般的破碎層厚度來得大。為例確保錨桿長度能夠穿過破碎帶起到相應(yīng)懸吊作用故錨桿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)長度為2m。

（3）錨桿體的直徑。對于錨桿體直徑的選擇，錨桿體直徑過大或過小都不合理。錨桿體直徑過大，對于礦山來說是一種資源的浪費(fèi)，無形之間增加了巷道的支護(hù)成本。錨桿直徑過小則達(dá)不到預(yù)期的懸吊錨固力，起不到支護(hù)的作用。通常情況下，可根據(jù)桿體承載力和錨固力等強(qiáng)度值加以計(jì)算：

式中：d—錨桿桿體直徑，mm；Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，80kN；σ—錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度，450MPa；

錨桿桿體最小設(shè)計(jì)直徑為：

為確保錨桿具有足夠的錨固力，以及巷道的穩(wěn)定性同時(shí)依據(jù)螺紋鋼桿體直徑系列，故錨桿設(shè)計(jì)直徑為16mm。

圖2 錨桿結(jié)構(gòu)及其主要部件和尺寸mm

（4）錨桿排﹑間距設(shè)計(jì)。錨桿排﹑間距的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。按照懸吊理論的計(jì)算公式，錨桿的排﹑間距可根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石重量進(jìn)行確定。

式中：a—錨桿的排﹑間距，mm；γ—被懸吊巖石的重力密度，kg/m3。根據(jù)鎮(zhèn)沅金礦的巖石條件可知，。所以，錨桿排﹑間距的最大設(shè)計(jì)值為：

由于巖石破碎，為保證巷道支護(hù)有良好的效果，故取錨桿的孔間距a=1.0m，排間距為a=1.0m。

（5）金屬網(wǎng)設(shè)計(jì)。金屬網(wǎng)主要是作用于錨桿間的非錨固巖層將其產(chǎn)生的載荷力傳遞給錨桿，進(jìn)而有效控制其變形，有效提升巖體的殘余強(qiáng)度。依據(jù)錨桿的排距與搭接部分寬度來計(jì)算金屬網(wǎng)的寬度，其一般公式為：

式中：b—金屬網(wǎng)寬度，m；a—錨桿的排間距，m；b1—金屬網(wǎng)搭接的寬度，一般取b1=0.1～0.15m。

而為保證金屬網(wǎng)能有效的將已碎裂的巖石拖??；金屬網(wǎng)能夠緊貼巖壁。故取金屬網(wǎng)的網(wǎng)度為100mm×100mm。

（6）噴漿厚度設(shè)計(jì)。在對回采巷道噴漿中主要進(jìn)行兩次噴漿，首先第一次是在錨桿支護(hù)之前進(jìn)行巷道斷面的素噴，主要是便于錨桿眼的施工。當(dāng)金屬網(wǎng)懸掛作業(yè)完成后需要在金屬網(wǎng)上進(jìn)行噴漿，這是第二次噴漿作業(yè)，以最后保證支護(hù)強(qiáng)度，確?；夭上锏赖姆€(wěn)定。二次噴漿的厚度為70mm，噴漿強(qiáng)度依然為20MPa mm。故對于回采巷道來說，整個(gè)噴漿厚度為100mm，噴漿強(qiáng)度為20MPa。對于巷道頂板來說，噴漿厚度可適當(dāng)增加。

3 工程實(shí)驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇

光面爆破與錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)采場的選擇有幾個(gè)需要注意的條件：①試驗(yàn)采場的礦巖條件必須要能夠代表該金礦礦巖的一般性。②應(yīng)選取中厚礦段采場，便于監(jiān)測鑿巖及中深孔爆破過程中巷道的穩(wěn)定性。如選在薄礦體地段，則因?yàn)椴扇〉牟皇侵猩羁妆?，不能觀測巷道在“強(qiáng)”擾動情況下的穩(wěn)定情況。不利于實(shí)驗(yàn)。③試驗(yàn)地段還要兼顧礦山生產(chǎn)，要求在試驗(yàn)進(jìn)行初期就能進(jìn)行開采的地段，方便后期支護(hù)參數(shù)的調(diào)整﹑以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的推廣應(yīng)用獲得充足的時(shí)間。

試驗(yàn)研究小組分別在D1633中段3線穿脈﹑11線穿脈，L1633中段16線穿脈和D1593中段0線斜井掘進(jìn)工作面進(jìn)行了光面爆破及錨噴網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果分析

（1）技術(shù)效果分析。原礦山?jīng)]有進(jìn)行光面爆破的回采巷道，回采巷道的輪廓不光滑，與設(shè)計(jì)巷道的輪廓線相去甚遠(yuǎn)。爆破后的破碎帶范圍較大，浮石較多，能明顯看到巷道兩幫裂隙較多。效果很不理想。通過試驗(yàn)采場進(jìn)路巷道光面爆破實(shí)施后，巷道表面相對光滑，可看到相對完整的輪廓線，

巷道頂板及兩幫得浮石較少，破碎帶較普通的掘進(jìn)爆破要小。效果比普通一次爆破要理想得多。經(jīng)過多次試驗(yàn)研究，針對不同的巖體條件和解理﹑裂隙情況，不斷地調(diào)整爆破參數(shù)，進(jìn)一步完善爆破工藝，使光面爆破技術(shù)在這些作業(yè)面都取得了較好的效果。光面爆破技術(shù)優(yōu)于普通爆破。

通過試驗(yàn)采場巷道的情況，可以看出光面爆破和錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)在此礦山比較適用。從巷道的掘進(jìn)作業(yè)一直到回采結(jié)束后，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，無頂板冒落及片幫等事故發(fā)生。為巷道的回采工作順利進(jìn)行提供了良好的安全環(huán)境。單從技術(shù)上講﹑光面爆破與錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)這種集成技術(shù)的應(yīng)用，在該金礦這種礦巖條件下，取得了良好的成績，是合理的，成功的。

（2）經(jīng)濟(jì)效果分析。由于該金礦地處偏僻，材料的購買﹑運(yùn)輸都比較困難，費(fèi)用較高。而且礦體圍巖屬于壓碎性的炭質(zhì)板巖及泥質(zhì)粉砂巖，非常破碎，所以其支護(hù)成本一直較高。就原礦山使用的木支護(hù)﹑鋼拱架支護(hù)和現(xiàn)在試驗(yàn)使用的錨噴網(wǎng)支護(hù)在材料消耗﹑成本與爆破器材等方面進(jìn)行對比析，以展示錨噴網(wǎng)支護(hù)的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本次光面爆破與錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)試驗(yàn)，是將光面爆破技術(shù)與錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)聯(lián)合起來進(jìn)行應(yīng)用的試驗(yàn)。它根據(jù)該金礦特殊的礦巖條件，通過光面爆破以及錨噴網(wǎng)支護(hù)理論和和相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，對金礦的實(shí)際礦巖情況進(jìn)行分析，判斷采取某一種單一的光面爆破技術(shù)或是錨噴網(wǎng)支護(hù)形式都無法有效確保回采巷道的穩(wěn)定性，只有采取兩者相結(jié)合的聯(lián)合技術(shù)形式才能確保礦山開采的安全性。最后從理論的角度保證了試驗(yàn)的合理性，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)證明了其實(shí)用性。