摘 要：【目的】研究不同的掏槽方式對探洞爆破掘進的影響?！痉椒ā吭谳o助孔和周邊孔采用相同的布孔前提下，統(tǒng)計地質(zhì)探洞實際爆破掘進中兩種不同掏槽方案的爆破效果，分別從鉆鑿工作量、爆破進尺、爆破塊度等三方面進行對比?！窘Y(jié)果】統(tǒng)計結(jié)果表明，在堅硬巖層中，14孔掏槽方案比10孔掏槽方案多鉆鑿4個炮孔，用時占整個作業(yè)循環(huán)時長的4.4%，平均進尺超后者14.9%，且前者更具穩(wěn)定性，破碎塊更加均勻。【結(jié)論】通過對比兩種不同掏槽方式的爆破效果，可為堅硬圍巖條件下，小斷面爆破掘進掏槽孔布置提供參考。

關鍵詞：探洞掘進；小斷面開挖；掏槽方式；開挖進尺

中圖分類號：TD235 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.010

Field Test of Blasting Cutting Mode of Small Section Geological Carving

LI Xinhan

（Jiangmen Anheng Blasting Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529000， China）

Abstract： [Purposes] In order to research on the influence of different cutting methods on the blasting excavation. [Methods] The blasting effects of two different cutting schemes in the actual blasting excavation of geological caving are statistically analyzed under the premise of same layout of the auxiliary hole and the peripheral hole. The drilling workload， blasting penetration and blasting block degree are respectively compared. [Findings] The statistical results show that in the hard rock stratum， the 14-hole cutting scheme drilled 4 holes more than the 10-hole cutting scheme， accounting for 4.4% of the whole working cycle time， and the average penetration was 14.9% higher than the latter， but the former was more stable and more uniform. [Conclusions] Comparing the blasting effect of two different cutting methods， this paper can provide reference for the cutting arrangement of small section blasting under the condition of hard surrounding rock.

Keywords： caving and excavation; small section excavation; cutting mode; excavation footage

0 引言

鉆爆法作為傳統(tǒng)巖石巷道掘進施工方法，由于其成本相對較低、適用條件廣泛，在目前地下巷道掘進施工中，仍占據(jù)主體地位［1］。與露天爆破相比，小斷面探洞掘進爆破具有自由面少、夾制作用大、作業(yè)空間有限等特點，使其更具不確定性。巷道掘進爆破按炮孔的位置和功能不同，分為掏槽孔、輔助孔、周邊孔。根據(jù)炮孔的鉆鑿角度，掏槽形式可分為斜孔掏槽和直孔掏槽。小斷面探洞爆破施工，由于其作業(yè)空間限制，難以使用大型機械鉆鑿作業(yè)，通常采用直孔掏槽形式。掏槽孔作為巷道掘進爆破的“排頭兵”，為后爆炮孔提供補償空間和自由面，對爆破效果的好壞有著決定性影響。因此，國內(nèi)外眾多學者對不同的掏槽方式展開了相關研究。

汪平［2］總結(jié)了直孔掏槽的爆破原理和影響因素，并通過試驗得到3種不同掏槽方案下的爆破進尺情況；陳元利等［3］在小構造斷層巖體中分別對“1+6”“1+8”“2+8”三種掏槽方案進行試驗。結(jié)果表明，“2+8”掏槽方案在有小構造斷層的巖體中能取得較好的爆破效果；楊玉銀等［4］針對硬巖隧洞開挖，提出了兩種典型的開挖布孔方式，并提出采用V形掌子面可有效提高炮孔利用率；曹湖等［5］在小斷面巖石巷道爆破掘進中，通過控制單一變量的方法，制定了4組試驗方案，并通過對比各組試驗結(jié)果，逐步優(yōu)選出相應的試驗參數(shù)，作為下一組試驗的基礎，最終得出最優(yōu)掏槽參數(shù)。

1 爆破掏槽作用機理

由于作業(yè)空間有限，小斷面巷道掘進一般采用直眼掏槽，但直眼掏槽成槽效果較斜眼掏槽要差。為改善掏槽效果，通常布置數(shù)個空孔不裝填炸藥?？湛自谔筒郾浦杏兄陵P重要的作用，具體有以下幾方面。①為裝藥孔提供自由面?？湛自谔筒郾七^程中為裝藥孔提供反射自由面，裝藥孔炸藥起爆后，產(chǎn)生的壓縮應力波使裝藥孔周邊巖石受到切向拉應力，當沖擊波傳播至空孔自由面處時，應力波發(fā)生反射，壓應力隨即變?yōu)槔瓚?，圍巖在拉應力的作用下，發(fā)生“片落”，形成環(huán)狀裂隙。②應力集中作用。掏槽孔裝藥起爆后，沖擊波傳至空孔處時，由于空孔的存在，在空孔周邊形成應力集中區(qū)域，其應力值相較于無空孔時要大，此即為空孔帶來的應力集中效應。③提供補償空間。與原巖相比，爆破后松散巖渣在體積上會有所增加，增加部分的體積需要新的空間容納，空孔的存在，為破碎后松散巖渣提供了膨脹空間。不設置空孔或空孔數(shù)量不足，會使破碎后的巖石缺少運動空間，造成“壓死”現(xiàn)象，導致掏槽失敗。

2 工程概況

某地質(zhì)探洞長1 050 m，開挖斷面為2.5 m×3.0 m（寬×高），截面面積約7.16 m2，城門為洞形斷面，其中墻高2.5 m，拱高0.5 m。探洞圍巖Ⅲ～Ⅴ類均有分布，其中TD+200～+600 m段圍巖性質(zhì)相對穩(wěn)定，為Ⅲ級圍巖，單軸抗壓強度為110 ～130 MPa，巖石爆破破碎性分級屬堅硬巖石［6］。為減少地質(zhì)條件對爆破效果的影響，爆破試驗在該工程段進行。

該試驗旨在探究不同掏槽方式對爆破效果的影響，因此試驗時應使除掏槽外的其他變量相同。探洞掘進炮孔布置如圖1所示。在爆破試驗中，輔助孔和周邊孔采用相同的布孔形式，分別布設輔助孔8個，周邊孔20個。

3 試驗方案爆破（掏槽）參數(shù)

探洞掘進爆破參數(shù)主要包括炮孔直徑、炮孔間距、鉆孔數(shù)量、鉆孔深度、裝藥量等。

3.1 炮孔直徑

炮孔直徑的大小主要取決于鉆孔設備的選擇，探洞爆破由于作業(yè)空間有限，難以使用大型鉆孔設備，常用鉆孔設備為YT-28氣腿式鑿巖機，所鉆鑿炮孔直徑為40 mm。

3.2 炮孔間距

裝藥孔與空孔的間距應控制在合理范圍內(nèi)。間距過大，則爆破反射拉伸波強度過小，無法對空孔周邊巖體形成有效的拉伸破壞［7］；間距過小，則易導致爆破產(chǎn)生氣體過早外泄，影響拋擲效果［2］，且間距過小在同等鉆孔數(shù)量情況下，掏槽區(qū)域面積減少，直接影響爆破整體效果。為保證空孔孔壁在拉應力的作用下順利破碎，裝藥孔和空孔之間的距離應滿足式（1）。

[L≤rA1+3λP[σθ]1α+rB] （1）

式中：rA、rB分別為裝藥孔半徑、空孔半徑，m，二者均為0.02 m；λ、α分別為側(cè)應力系數(shù)和應力衰減系數(shù)，與巖石泊松比μ有關，其中λ=μ/（1-μ），α=（2-μ）/（1-μ）［8］，其中取泊松比μ=0.2；P為孔壁處透射壓力，MPa，按P=ρeD2（rc/rA）6/8計算，其中ρe為裝藥密度，取ρe=1.10 g/cm3；D為爆速，乳化炸藥取D=3 500 m/s；rC為裝藥半徑，計算得P=441.5 MPa；[σθ]為巖石抗拉強度，MPa，一般巖石的抗拉強度為抗壓強度的1/20～1/10，取[σθ]=10 MPa。將上述參數(shù)代入式（1），計算得L≤158 mm。

3.3 鉆孔數(shù)量

鉆孔數(shù)量（包括裝藥孔和空孔）的多少直接影響爆破效果。裝藥孔為巖石破碎的能量來源，空孔則為裝藥孔爆破提供了必要的自由面和補償空間，兩者均不可或缺。

3.4 炮孔深度

炮孔深度是決定掘進進度的重要因素，直接影響爆破效果和掘進速度。炮孔深度過大，炮孔底部圍巖夾制作用大，則炮孔利用率降低；炮孔深度過小，則單循環(huán)進尺減少，相同工程量下，爆破循環(huán)次數(shù)增多。對于小斷面探洞爆破掘進工程，電子雷管在爆破器材使用成本中占比較高，因此選擇合理的炮孔深度，對降低探洞掘進成本有重要意義。綜合考慮以往類似工程經(jīng)驗和爆破器材成本，確定爆破試驗掏槽孔深度為3 m，輔助孔和周邊孔深度比掏槽孔少0.2 m，為2.8 m。

3.5 裝藥量

裝藥量的確定可按裝藥系數(shù)進行計算，每個炮孔裝藥量按式（2）計算。

Q=η·L·ql （2）

式中：L為炮孔深度；ql為線裝藥密度，使用φ32乳化炸藥，取ql=1.0 kg/m；η為裝藥系數(shù)，根據(jù)巖石堅固性系數(shù)選取，可參考表1［9］，考慮到工程所處地質(zhì)巖石強度大，掏槽孔、輔助孔、周邊孔裝藥系數(shù)分別取0.80、0.70、0.75，孔口采用錨固劑進行封堵。

為確定最適合該地質(zhì)條件的爆破參數(shù)，以及穩(wěn)定、理想進尺的爆破開挖方案，本研究在掏槽孔布置方面分別嘗試了兩種不同的掏槽方式。掏槽孔鉆進深度均為3 m，輔助孔和周邊孔鉆孔深度為2.8 m。

4 試驗方案

4.1 10孔掏槽方案

10孔掏槽方案布置形式為2個裝藥孔加8個空孔，裝藥孔布置在掏槽中心位置，空孔在裝藥孔四周呈環(huán)繞布置，空孔與裝藥孔間距為100 mm，如圖2所示。掏槽孔鉆孔深度為3 m，中間兩孔為裝藥孔，周邊8個孔為空孔，其可為裝藥孔爆破提供反射自由面和補償空間。在外圍距空孔150 mm處布置4個擴槽孔輔助破碎，擴槽孔深度與輔助孔相同，為2.8 m。考慮到所處地段圍巖硬度大，裝藥系數(shù)為0.8，即每孔裝藥2.4 kg，擴槽孔裝藥系數(shù)取0.7，即每孔裝藥2.0 kg，均采用連續(xù)裝藥結(jié)構，孔口部分用錨固劑加以封堵，以保證炸藥能量得到充分利用。

4.2 14孔掏槽方案

14孔掏槽方案為10孔掏槽的改進方案，在原10孔掏槽方案的基礎上，左右側(cè)各增加兩個空孔，其他參數(shù)不變。布孔采用“432”布置，即從掏槽位置中央向兩側(cè)分別在豎向布置4孔、3孔、2孔，呈梅花形，孔距、排距為100 mm，如圖3所示。鉆孔深度為3 m，中間兩孔為裝藥孔，周邊12個孔為空孔。掏槽孔中心裝藥孔裝藥系數(shù)為0.8，即每孔裝藥2.4 kg；擴槽孔裝藥系數(shù)為0.7，即每孔裝藥2.0 kg，采用連續(xù)裝藥結(jié)構，剩余部分用錨固劑加以封堵，以保證炸藥能量得到充分利用。

5 試驗方案爆破進尺情況

基于上述兩種掏槽孔布置方案，在圍巖性質(zhì)相對穩(wěn)定的開挖段，分別進行了多次爆破試驗，并從炮孔鉆鑿工作量、開挖進尺、爆破塊度等方面進行對比分析，具體情況如下。

5.1 工作量及用時對比

從鉆孔數(shù)量來看，10孔掏槽方案單循環(huán)爆破作業(yè)鉆鑿42個炮孔，14孔掏槽方案單循環(huán)爆破作業(yè)鉆鑿46個炮孔，14孔掏槽方案比10孔掏槽方案工作量增加9.5%；鉆鑿炮孔安排3人同時作業(yè)，單個作業(yè)循環(huán)鉆孔用時約3 h，平均每4 min鉆鑿一個炮孔，每個作業(yè)循環(huán)用時約6 h，多鉆4個孔用時約占整個作業(yè)循環(huán)時長的4.4%。

5.2 進尺情況對比

針對上述兩種掏槽方式，在探洞掘進爆破過程中分別進行了數(shù)次試驗，其中統(tǒng)計10孔掏槽爆破進尺12次，14孔掏槽爆破進尺14次。從單次爆破循環(huán)進尺來看，10孔掏槽每循環(huán)進尺為1.55～2.50 m，炮孔利用率為55.4%～89.2%，平均循環(huán)進尺為2.22 m，但爆破進尺缺乏穩(wěn)定性；14孔掏槽方案每循環(huán)進尺為2.35～2.7 m，炮孔利用率為83.9%～96.4%，平均進尺為2.55 m，爆破進尺分布散點如圖4所示。

5.3 爆破塊度對比

從爆破效果看，10孔掏槽方案缺乏穩(wěn)定性，在部分爆破作業(yè)循環(huán)中，出現(xiàn)了嚴重的殘孔現(xiàn)象，如圖5所示，且由于掏槽效果欠佳，影響輔助孔爆破效果，爆破塊度欠均勻，常有大塊產(chǎn)生。14孔掏槽方案爆破進尺基本達到預期，碎塊較均勻，便于扒渣機出渣。

6 結(jié)論

本研究通過統(tǒng)計兩種不同掏槽方案在探洞掘進中的鉆孔工作量、爆破進尺和爆破效果情況，并進行對比分析，得出以下結(jié)論。

①14孔掏槽比10孔掏槽多鉆鑿4個炮孔，每次循環(huán)作業(yè)中，3人同時作業(yè)鉆鑿炮孔用時約3 h，平均4 min鉆鑿一個孔，每個作業(yè)循環(huán)用時約6 h，多鉆4個孔用時約占整個作業(yè)循環(huán)時長的4.4%。

②從兩種掏槽方案爆破進尺統(tǒng)計情況來看，10孔掏槽平均循環(huán)進尺為2.22 m，14孔掏槽方案平均循環(huán)進尺為2.55 m，后者平均進尺超前者14.9%，且后者單循環(huán)進尺更具穩(wěn)定性。

③14孔掏槽方案相較于10孔掏槽方案，破碎塊更均勻，方便扒渣、裝運。

④綜合鉆鑿成本、單循環(huán)作業(yè)時間和爆破進尺情況來看，14孔掏槽方案多出的鉆孔時間和工作量相對于整個爆破作業(yè)循環(huán)，幾乎可忽略不計，但其爆破進尺和破碎效果較10孔方案有明顯改善，在硬度較大的巖體中掘進時，14孔掏槽方案效果更佳。

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收稿日期：2024-01-16

作者簡介：李新翰（1989—），男，碩士，工程師，研究方向：工程爆破施工和研究。