薛 里，郝亞飛，孟海利，張小勇 ，肖青松

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

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

現(xiàn)場混裝乳化炸藥是靠泵送壓力將乳膠基質(zhì)和敏化劑按一定比例推入輸藥管，經(jīng)輸藥管端頭的靜態(tài)敏化器充分混合后注入炮孔[13]，在孔內(nèi)經(jīng)一定時間發(fā)泡成為炸藥，為連續(xù)耦合裝藥。與常規(guī)的裝填成品藥卷相比，現(xiàn)場混裝炸藥線密度、裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)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(guī)方法確定的巷道掘進(jìn)爆破參數(shù)已不能完全適應(yīng)該裝藥模式，其高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢不能得以充分體現(xiàn)；周邊孔耦合裝藥導(dǎo)致光面爆破效果差，目前尚無很好的解決辦法，多數(shù)仍采用裝填小直徑成品藥卷的方式[16]，限制了該技術(shù)的推廣。為此，本文依托某礦山水平巷道掘進(jìn)工程，結(jié)合混裝乳化炸藥的技術(shù)特點，對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，以期在提高其經(jīng)濟(jì)性、光爆質(zhì)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(jié)構(gòu)面閉合性好，巖石堅硬，巖體穩(wěn)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(shè)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(shù)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(shù)如表1所示。采用電子雷管起爆網(wǎng)路，共設(shè)10段，由中間向外側(cè)逐段起爆，各段延時間隔300～500 ms。

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

表1 巷道爆破參數(shù)

2 現(xiàn)場混裝乳化炸藥性能

于巷道掘進(jìn)爆破，為達(dá)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(guān)[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(wěn)定，對應(yīng)的爆速變化規(guī)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(jié)果

3 巷道爆破參數(shù)優(yōu)化試驗研究

3.1 方案優(yōu)化

隧道爆破開挖成敗的關(guān)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(xiàn)[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(dá)到5.7 cm。由于原方案掏槽部位孔數(shù)較多且密集，鉆孔精準(zhǔn)度難以控制，影響爆破質(zhì)量，因此可對掏槽孔進(jìn)行優(yōu)化，盡量減少掏槽孔的數(shù)量，降低由鉆孔精度造成的影響。對于巷道掘進(jìn)爆破，炸藥單耗根據(jù)炮孔作用位置不同而有所區(qū)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(dá)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(jù)上述的分析對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(jù)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(diào)整為300 mm，同時第二圈掏槽孔4孔位向內(nèi)縮減100 mm。采用機(jī)械裝藥后，變?yōu)榱笋詈涎b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(yōu)化后的孔位布設(shè)和起爆順序如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后炮孔布設(shè)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(jù)乳化基質(zhì)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(yōu)化后的爆破參數(shù)如表3所示。起爆網(wǎng)路與原方案類似，共設(shè)10段，由中間向外側(cè)逐段起爆，各段延時間隔300～500 ms。

表3 調(diào)整后巷道爆破參數(shù)

3.2 爆破效果分析

試驗共進(jìn)行了2次，優(yōu)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(fù)責(zé)一個輸藥管的裝填作業(yè)，另外1人負(fù)責(zé)輔助，裝藥過程如圖4所示。

圖3 優(yōu)化前后的掏槽孔Fig.3 Cut holes of before and after optimization

圖4 機(jī)械裝藥現(xiàn)場Fig.4 Mechanical charging site

爆后，經(jīng)現(xiàn)場檢查，結(jié)果如下：無盲炮、無殘孔；工作面巖石穩(wěn)定，無拉裂現(xiàn)象；爆堆集中、穩(wěn)定，巖石塊度較小；掘進(jìn)進(jìn)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(guān)指標(biāo)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(biāo)對比

從表4可以看出，與原方案相比，優(yōu)化后總炮孔數(shù)減少了7個，鉆孔量降低15%；采用機(jī)械裝藥大大降低了作業(yè)人員勞動強(qiáng)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(jìn)尺率提高了10%，達(dá)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(dá)到良好的光面爆破效果。

4 結(jié)語

1)在巷道掘進(jìn)爆破中采用現(xiàn)場混裝炸藥技術(shù)，大大降低了人員勞動強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)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(xiàn)場混裝炸藥技術(shù)在巷道爆破中應(yīng)用，可降低鉆孔量15%，在保持炸藥單耗不變的情況下進(jìn)尺率提高10%，達(dá)到了100%，提高了掘進(jìn)速度、節(jié)約了施工成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3)通過調(diào)節(jié)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(jī)械裝藥的問題，光爆效果良好。