倪 昊

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100013）

0 引言

鉆爆法是我國巖石井巷施工的主要方法之一[1]，在巖巷鉆爆法施工中，掏槽爆破效果是重要的影響因素[2-3]。巷道掘進爆破時，由于只有一個自由面，四周巖石夾制力很大，爆破條件困難[4-5]。掏槽的作用是形成槽腔，既為后續(xù)炮孔爆破創(chuàng)造自由面又為巖石破碎提供補償空間，但是影響掏槽爆破的因素較多，各因素之間相互影響、相互制約[6-7]?，F(xiàn)有掏槽方式主要可分為直眼掏槽和斜眼掏槽[8-9]，國內(nèi)外學(xué)者在這2 種掏槽方式的基礎(chǔ)上又提出了準直眼掏槽[9]、分層分段直眼掏槽[10]、復(fù)式掏槽[11]、螺旋掏槽[12]、“準楔形復(fù)式+超深”掏槽[12]、“二階二段”掏槽[11]和孔內(nèi)分段掏槽等多種掏槽方式[13-15]，并分析研究了各自所提出的掏槽方式的優(yōu)劣?？傮w來說，每種掏槽方式都有其適應(yīng)范圍；從主觀因素分析，具體要根據(jù)現(xiàn)場的施工條件、掏槽方式的實施難易程度以及工人的接受度進行綜合評判選用何種掏槽方式；從客觀因素分析，要根據(jù)巖石性質(zhì)、炸藥性能等因素選擇掏槽方式。

我國過去豎井中深孔爆破常用的直眼掏槽方式是二階或三階筒形掏槽，掏槽孔由內(nèi)向外逐級加深，部分研究機構(gòu)對二階槽孔同深與二階槽孔不同深的情況進行了對比試驗研究，研究結(jié)果顯示二階槽孔同深的槽腔體積增大，炮眼利用率明顯提高[16-19]。李啟月等[20]對比了天井方形布孔與圓形布孔爆破效果，方形布孔爆破時角孔對巖石的夾制作用大，圓形布孔時角孔的夾制作用明顯降低了。張憲堂等[21]分析了不同中空孔直徑下掏槽爆破模型碎塊塊度分布、平均粒徑，通過分形維數(shù)表征碎塊分形特征，量化分析了碎塊破碎程度，適宜的空孔直徑能夠有效利用空孔效應(yīng)?；市掠畹萚22]對不同地應(yīng)力條件下四孔掏槽爆破破巖機理進行數(shù)值模擬研究，研究表明設(shè)置空孔能夠?qū)Ρ☉?yīng)力波產(chǎn)生導(dǎo)向作用，促進炮孔間損傷裂紋的貫穿和發(fā)育，改善掏槽爆破破巖效果。

在豎井爆破的施工中，由于鉆鑿設(shè)備與施工條件的限制，使用炸藥掏槽爆破所產(chǎn)生的破碎巖石常常拋擲過高，容易崩壞吊盤等鑿井設(shè)備；同時炸藥種類繁多，炸藥性能的差異對掏槽爆破效果的影響也較大。而且近年來國家將安全形勢的把控提升到了新的高度，對炸藥的管控越來越嚴格，影響部分井巷工程的施工進度。筆者長期從事二氧化碳爆破技術(shù)的研究，考慮炸藥在豎井掏槽爆破中的不利影響因素，結(jié)合二氧化碳爆破的特點，提出了煤礦豎井二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破技術(shù)，并進行現(xiàn)場工程應(yīng)用研究。

1 二氧化碳爆破原理

1.1 二氧化碳爆破器的工作原理

在二氧化碳爆破器的儲液管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳，啟動加熱裝置產(chǎn)生熱量，使儲液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化，體積膨脹約600 倍，壓力急劇升高，當(dāng)管內(nèi)壓力達到定壓剪切片的極限強度時，高壓氣體沖破定壓剪切片，從泄能端預(yù)設(shè)的孔口噴出，利用瞬間產(chǎn)生的強大推力，沿自然裂隙或爆生裂隙沖破物料，從而達到致裂（爆破）的目的[23]。

1.2 二氧化碳爆破器的結(jié)構(gòu)

二氧化碳爆破器由充裝頭、加熱裝置、儲液管、密封墊、定壓剪切片和泄能頭組成，爆破器整體呈管狀。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 二氧化碳爆破器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the structure of the carbon dioxide

圖1 中的泄能頭是二氧化碳爆破器的泄能位置，在爆破瞬間，高能高壓的二氧化碳氣體從泄能頭的泄能口噴出。煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（以下簡稱“煤科院”）研制的MZL200-57/1500 型號二氧化碳爆破器，管徑57 mm，儲液管長度1 300 mm，爆破器總長度1 500 mm，液態(tài)二氧化碳額定充裝量1500 g，額定爆破壓力為200 MPa。

2 “二階二段”筒形掏槽方式

“二階二段”是從“時空”2 個維度對掏槽形式的一種描述，將掏槽區(qū)巖石分成不同深淺的2 個臺階，掏槽孔的爆破順序分成2 個段別?！岸A二段”筒形掏槽充分結(jié)合了“二階二段”和筒形掏槽的各自優(yōu)點，將掏槽孔布置成內(nèi)外兩圈直徑不同的雙圓筒形狀；在掏槽圈的中心布置1 個空孔，為直孔（下文簡稱“中心孔”）；一階掏槽孔（下文簡稱“一階孔”）在內(nèi)圈，布置3 個；二階掏槽孔（下文簡稱“二階孔”）在外圈，布置6 個；一階孔和二階孔統(tǒng)一向中心孔傾斜一定的角度，所形成圓筒的頂面積大，底面積??；一階孔先爆破，二階孔后爆破。布置方式如圖2 所示。

圖2 “二階二段”筒形掏槽孔布置Fig.2 Layout of “two-step” barrel cut slot

圖2a 中，1 為中心空孔，2～4 孔為一階孔，5～10 孔為二階孔。掏槽孔與自由面之間存在一定的夾角，一階孔傾斜角度為α=70°～80°，孔底距a；二階孔傾斜角度為β=75°～85°，孔底距b；一階孔與二階孔在自由面上的夾角均為30°；中心孔與工作面垂直。一階孔的深度為二階孔深度的2/3。

“二階二段”筒形掏槽方式的核心思想是利用中心孔為一階掏槽爆破提供弱自由面和空間補償效應(yīng)，由于一階孔的深度較淺，容易形成槽腔；一階孔爆破后為二階孔爆破提供了2 個新自由面，即一階孔爆破后所形成的槽腔底面和側(cè)面，2 個新自由面和原有自由面一起為二階孔爆破提供了3 個自由面，更有利于提高掏槽爆破的效率；一階孔爆破后會在掏槽區(qū)域形成粉碎區(qū)和裂隙區(qū)，增加了掏槽區(qū)的巖石損傷程度，其裂隙區(qū)所形成的部分裂紋擴展到二階孔的周邊，甚至貫通二階孔，為二階孔的爆破提供了有利條件，以提高爆破進尺；一階和二階孔成筒形布置，應(yīng)力波和爆生氣體在筒形中心區(qū)域疊加,有利于提高中心區(qū)域的巖石損傷程度，在相同布孔數(shù)量的前提下可以增加掏槽腔的體積。

3 “二階二段”筒形掏槽槽腔形成分析

圖3 為“二階二段”筒形掏槽槽腔模型，A為一階孔的自由面，D為二階孔的自由面，A與D重疊，B為一階孔的槽底面，E為二階孔的槽底面，C為一階孔所形成的筒形的側(cè)面，F(xiàn)為二階孔所形成的筒形的側(cè)面。

圖3 “二階二段”筒形掏槽槽腔模型Fig.3 Cavity model of the “two-step” barrel cut

二氧化碳爆破過程主要利用瞬間產(chǎn)生的氣體的強大推力，沿自然裂隙或爆生裂隙沖破物料，從而達到致裂（爆破）的目的，類似于炸藥爆破的靜作用，故主要考慮二氧化碳氣體的靜作用分析“二階二段”筒形掏槽槽腔的形成過程。

假設(shè)在爆破作用下，爆生氣體的靜作用主要作用于槽腔周圍巖石之間產(chǎn)生破裂[9-11]，因此，C和F受剪切破壞，B和E受拉伸破壞，符合 Mohr-Coulomb準則。

C面所受的剪切阻力為

F面所受的剪切阻力為

式中：c，φ分別為巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角；σ1為該面上的正應(yīng)力，且為巖石泊松比，σ2為該面的法向應(yīng)力。R1為D面的半徑，R2為E面的半徑，r1為A面的半徑，r2為B面的半徑；L為二階孔的深度，l為一階孔的深度。

B面所受的抗拉阻力為

式中：σt為巖石的抗拉強度。

在最小抵抗線方向上的剪切總阻力Q為

掏槽的動力來自于二氧化碳爆破產(chǎn)生的高壓二氧化碳氣體，假設(shè)按照等熵計算掏槽孔內(nèi)的二氧化碳氣體壓力，其大小與二氧化碳爆破器的泄放壓力P0,掏槽孔直徑dh，二氧化碳爆破器的管徑dc有關(guān)。單個掏槽孔孔壁上的靜壓力P[4]：

式中：n為等熵指數(shù)，且n=3。

每個掏槽孔在二氧化碳爆破器泄能頭范圍內(nèi)所受的靜壓力PL：

式中：Lc為二氧化碳爆破器泄能段的長度。

二階掏槽區(qū)的9 個掏槽孔內(nèi)的靜壓力在中心方向上產(chǎn)生的合力F為

槽腔巖石在二氧化碳爆生氣體的靜作用下拋離槽腔需達到極限平衡，必須滿足：

由式(3)和（4）可知，巖石的抗拉阻力與其抗拉強度有關(guān)，在“二階二段”筒形掏槽中，為中心孔提供弱自由面，一階孔先于二階孔爆破，為后續(xù)二階孔爆破增加了2 個新自由面；與此同時對槽腔底部巖石造成破壞較大，極大降低了掏槽底部巖石的抗拉強度，所以“二階二段”筒形掏槽抗拉阻力更小。因此，在掏槽動力相同的情況下，“二階二段”筒形掏槽阻力更低，有利于爆破成腔。

4 應(yīng)用案例分析

基于二氧化碳爆破技術(shù)的“二階二段”筒形掏槽是一種新的掏槽爆破形式，為驗證該掏槽爆破方式的效果。選擇位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯的某礦，在其豎風(fēng)井掘進過程中，應(yīng)用二氧化碳爆破技術(shù)開展“二階二段”筒形掏槽爆破。

4.1 工程概況

內(nèi)蒙古鄂爾多斯某礦豎風(fēng)井設(shè)計為圓形斷面，直徑為7 m，井深235 m；巖性以中-細砂巖為主。礦井原先采用炸藥爆破掘進，但是經(jīng)常崩壞裝巖用的微型挖掘機以及礦巖提升設(shè)備，同時受多種因素影響，導(dǎo)致井筒掘進嚴重受影響?，F(xiàn)場巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 砂巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanics parameters of sand rock

針對該礦豎風(fēng)井掘進炸藥受限和設(shè)備受損的情況，礦井決定采用二氧化碳爆破器先進行掏槽爆破，然后再使用風(fēng)鎬等工程機械施工，可大幅加快掘進進度。為驗證二氧化碳掏槽爆破的適用性，將二氧化碳掏槽爆破和炸藥掏槽爆破進行對比。

4.2 炸藥直眼筒形掏槽爆破

該礦原先使用炸藥實施直眼筒形掏槽爆破，施工掏槽孔10 個，如圖4 所示。中心布置1 個空孔作為補償空間，孔深1 200 mm，孔徑50 mm；周邊布置9 個爆破孔呈筒形，爆破孔之間的夾角為30°，形成的掏槽圈半徑為900 mm，孔深1 200 mm，孔徑50 mm，裝藥長度700 mm，堵塞長度500 mm；采用煤礦許用二級乳化炸藥，藥卷直徑40 mm，藥卷質(zhì)量300 g/支，藥卷長度180 mm/支，裝藥量10 kg。掏槽爆破統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 直眼筒形掏槽爆破統(tǒng)計Table 2 Statistics of straight -eye barrel cut blasting

圖4 直眼筒形掏槽Fig.4 Straight eye barrel cut

4.3 二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破工程應(yīng)用

采用煤科院研制的MZL200-57/1500 型號的二氧化碳爆破器開展掏槽爆破，爆破壓力200 MPa。“二階二段”筒形掏槽爆破孔布置如圖2 所示。其中，一階孔布置3 個，3 個爆破孔在自由面上形成的掏槽圈半徑r=700 mm，爆破孔深h=700 mm，爆破孔與自由面的夾角α=75°，爆破孔徑65 mm。二階孔布置6 個，6 個爆破孔在自由面上形成的掏槽圈半徑R=900 mm，爆破孔深H=1 200 mm，爆破孔與自由面的夾角α=80°，爆破孔徑65 mm。中心孔深與二階孔深均為1 000 mm，孔徑均為65 mm。

在地面車間完成二氧化碳爆破器的充裝作業(yè)，將爆破器吊裝到豎井的掘進工作面，依次將爆破器裝入鉆孔，然后采用串聯(lián)方式將一階和二階爆破器分開連接，兩個“段別”的爆破器連接線分別接入延時發(fā)爆器，二氧化碳爆破器在井筒的安裝如圖5 所示。

圖5 二氧化碳爆破器安裝Fig.5 Carbon dioxide blasting device installation

起爆后，在設(shè)計的掏槽圈內(nèi)形成深600～800 mm，直徑約800～1 200 mm 的深坑，坑底及周圍明顯有較大裂縫，巖石被爆開，達到了掏槽目的，爆破后現(xiàn)場效果如圖6 所示。

圖6 二氧化碳爆破效果Fig.6 Carbon dioxide blasting effect

單次爆破具有一定的偶然性，為驗證二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破的效果，在2022-03-15—2022-03-19 連續(xù)5 個班不間斷進行掏槽爆破；具體參數(shù)及效果見表3。

表3 二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破統(tǒng)計Table 3 Statistical of carbon dioxide “two-step” barrel cut blasting

4.4 結(jié)果分析

通過對比上述數(shù)據(jù)，炸藥直眼筒形掏槽爆破和二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破所布置的掏槽孔數(shù)量相同，最大孔深也相同，但是二氧化碳掏槽爆破的“一階”掏槽孔深度僅為0.7 m，因此二氧化爆破“二階二段”筒形掏槽爆破所施工炮孔總深度小于炸藥直眼筒形掏槽爆破。取2 種掏槽方式爆破后的循環(huán)進尺、炮孔利用率和掏槽腔體積的平均值進行對比，見表4。

表4 兩種掏槽爆破方式爆破效果對比Table 4 Comparison of blasting effect of two cut blasting methods

炸藥直眼筒形掏槽爆破的循環(huán)進尺平均值為0.948 m；炮孔利用率的平均值為79.02%；掏槽腔體積平均值為1.8 m3；而二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破的循環(huán)進尺平均值為0.908 m，炮孔利用率的平均值為75.68%，掏槽腔體積平均值為1.818 m3。兩種爆破方式的循環(huán)進尺平均值相差0.04 m，炮孔利用率的平均值相差3.34%，掏槽腔體積平均值相差0.018 m3；由此可見，兩種掏槽方式3 項爆后效果指標(biāo)相差并不大，主要原因是炸藥爆破在鉆孔內(nèi)的裝藥段是全深度作用；而二氧化碳爆破時高能高壓的二氧化碳氣體從泄能孔釋放，僅在炮孔底部的一小段作用，對于巖石的破壞作用低于炸藥，但是“二階二段”筒形掏槽爆破的布孔方式具有優(yōu)勢，一階淺孔爆破后為二階深孔爆破提供了自由面，優(yōu)化了二氧化碳掏槽爆破的作用形式。

5 結(jié)論

1）“二階二段”筒形掏槽的布孔方式更加先進，中心孔為爆破孔提供弱自由面和補償空間，一階孔和二階孔形成內(nèi)外兩圈的雙筒形，深淺結(jié)合、分段爆破，內(nèi)圈淺孔先爆破，外圈深孔后爆破，降低了二階爆破時巖石的夾制力，有利于掏槽成腔，提升爆破效果。

2）理論分析了“二階二段”筒形掏槽槽腔的形成機制，推導(dǎo)了掏槽爆破的剪切阻力公式和爆破成腔的動力公式，確定了槽腔巖石在二氧化碳爆生氣體的靜作用下拋離槽腔所需要滿足的基本條件。

3）對比了炸藥直眼掏槽爆破和二氧化碳“二階二段”筒形掏槽爆破，2 種掏槽方式的掏槽孔施工數(shù)量相等，但是前者的掏槽孔施工總深度要大于后者，兩者在循環(huán)進尺、炮孔利用率和掏槽腔體積3 項爆后效果考察指標(biāo)的差值較小，但“二階二段”筒形掏槽爆破的布孔方式更具優(yōu)勢。