石灰岩平巷合理掏槽方法和爆破参数的研究*

2013-06-26孙龙华杨双锁李达昌

金属矿山 2013年9期

孙龙华杨双锁李达昌苏鑫

(太原理工大学矿业工程学院)

巷道平行空孔直线掏槽一般采用三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3种掏槽方式。掏槽爆破的作用是在掘进工作面形成第二个自由面，为后续炮孔的爆破创造自由面和岩石碎胀补偿空间［1］，因此，合理选择掏槽形式和爆破参数是实现巷道快速掘进的关键环节。在满足爆破安全的条件下，为实现石灰岩平巷的高效掘进，单仁亮等［2］提出了准直眼掏槽方式;宗琦等［3］还提出了采用中深孔爆破和尽量简化掏槽形式以实现石灰岩高效掘进的方法。本研究在优化爆破参数的基础上，对三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3种掏槽方式进行了现场对比试验，得出了一种在石灰岩平巷掘进中能实现高效掘进的掏槽方法。

1 掏槽爆破破岩机理

当装药孔起爆时，在孔内产生爆炸冲击波和高温高压气体，冲击波在岩体内传播，它使装药孔和空孔之间的部分岩石介质发生破碎并产生一定范围的破碎区。在爆轰结束的瞬间，冲击波衰减为应力波，其在径向方向产生压应力，切向方向产生拉应力，径向压应力使炮孔径向方向裂隙范围进一步扩大，切向拉应力通常大于岩石的抗拉强度，岩石被拉断，构成与破碎区贯通的裂隙。最后，随着爆轰气体的不断膨胀，岩石碎块和爆生气体混合在一起开始向径向方向发生外溢抛掷，最终形成槽腔。

2 工程背景及存在问题分析

2.1 工程背景

阳煤集团五矿平巷位于+211 m水平，断层、节理、裂隙和溶洞较发育，巷道围岩大多为石灰岩(f=8～10)，巷道顶板大多为石灰岩，局部为砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩。巷道断面为直墙半拱，荒断面尺寸宽为3.2 m，高为3.38 m，断面面积为10.63 m2。打眼采用YT28型气腿式凿岩机，使用直径为42 mm的柱齿钎头，钎杆长度为1.0 m或1.8 m。爆破采用煤矿许用III级乳化炸药，规格为ø35 mm×200 mm×200 g。巷道掘进目前采用菱形掏槽技术，每循环炮眼数目为37个，炸药消耗量为26 kg，单循环进尺为1.7 m。起爆方式为电雷管毫秒微差起爆。经现场观察和分析，平巷主要存在下列问题:

(1)炮眼利用率低，巷道掘进炮眼深度为2.5 m，每次循环平均进尺为1.7 m，炮眼利用率仅为68%。

(2)爆破后岩石抛掷距离较远，严重威胁工作面设备和人员安全。

2.2 存在问题分析

(1)炮眼利用率低的原因分析。选择合理的掏槽方式和爆破参数对整个循环爆破的炮眼利用率起至关重要的作用。经现场观察和分析，发现影响爆破效率低的原因是原掏槽方式掏槽眼起爆后，爆炸应力波和爆生气体在岩体内形成的槽腔过小，后续起爆眼岩石碎胀补偿空间狭窄，岩石夹制系数大，当后续掏槽眼起爆时，炸药的大部分能量用于克服夹制力做功，从而造成后续掏槽眼掏槽失败，影响炮眼利用率的提高。

(2)抛掷距离较远问题分析。在岩石中爆破，爆破能量主要分为爆炸冲击波能量和爆生气体能量［5］，前者主要用于岩石的初始裂隙扩张，使岩石发生弹性变形，形成粉碎区和产生裂隙;后者则主要用于扩大槽腔，延伸初始裂隙和抛掷破碎岩石。阳煤五矿平巷掘进针对硬岩采用了加大掏槽眼装药系数的方法，这在一定程度上实现了岩石初始裂隙的扩展，但由于炸药单耗与单孔装药量过大，炮孔内爆生气体产生的能量也随之增大，爆破后破碎岩石抛掷距离远就不足为奇，因此，在保证填塞质量的前提下，合理选择掏槽爆破参数是关键。

3 掏槽方法和爆破参数的选择

针对以上存在的问题，从选取合理的掏槽形式和爆破参数入手，对光面爆破进行优化，以期在保证周边围岩稳定的条件下，实现岩巷安全、高效掘进。

3.1 掏槽形式

平巷掘进掏槽方式主要分倾斜孔掏槽和平行空孔直线掏槽两大类，倾斜孔掏槽因对巷道断面有一定的要求，故应用较少，常用的为平行空孔直线掏槽，它施工简单、易于工人掌握、抛掷力小、适于各类岩层且能实现高效生产，故在井巷施工中应用较多。结合阳煤五矿平巷的掘进掏槽方式，选用菱形掏槽、螺旋掏槽、三角柱掏槽3种掏槽布孔形式进行对比试验。

(1)单空眼菱形掏槽。单空眼菱形掏槽(如图1)一般在工作面中央偏下位置布置1个大直径减震空眼和4个装药眼。为保证首爆起爆眼具有较大的自由面和岩石破碎扩展空间，防止根底现象的出现，结合工程实际情况和月进尺要求，选取大空孔直径为100 mm，炮眼深度为2.6 m，装药眼直径为42 mm，炮眼深度为2.5 m。由于岩石密度约为2.42 g/cm3，岩体内纵波波速约为3.43×103m/s，岩石泊松比为0.26，弹性模量28.5 GPa，岩石的动抗拉强度约为5.65 MPa，炸药为煤矿许用Ⅲ级乳化炸药，爆速为3 500～4 000 m/s，结合声学近似法［5］，选取L1=100 mm，L2=200 mm。装药孔分2段爆破，1、2号掏槽眼同时起爆，3、4号掏槽眼利用3段雷管起爆。菱形掏槽空孔能为首爆装药眼提供较大的自由面和岩石碎胀补偿空间，因此，掏槽眼爆破后会形成较大的槽腔体积。

图1 单空眼菱形掏槽

(2)单螺旋掏槽。单螺旋掏槽(如图2)的特点是以1个大直径空孔为中心，装药孔呈螺旋线布置在空孔周围，并按由近及远顺序起爆的掏槽方法。装药眼与空眼间距L一般按下列公式确定:

式中，d为孔径。结合工程实际情况，选取L1=100 mm、L2=150 mm、L3=200 mm、L4=400 mm。为满足被爆岩石破碎所产生的体积扩容增量，空孔直径一般为100 mm，炮眼深度为2.6 m。掏槽孔起爆顺序分4段依次起爆。螺旋掏槽每个炮眼在起爆时都是以前一炮眼爆破后形成的最大槽腔为自由面起爆，这样布置有利于掏槽，另外，2、3、4号炮眼至1、2、3号炮眼爆破后所产生的最大自由面的距离是随着自由面的增大而增加的，这样也有利于提高炸药爆破能的利用率，符合掏槽爆破简单高效的原则［8］。

图2 单空眼螺旋掏槽

(3)三角柱掏槽。采用三角柱掏槽(如图3)，炮眼一般由3个装药眼和4个空眼组成，一般布置于巷道中央偏下位置，由于岩石的坚固性系数为f=8～10，断面大小S=10.63 m2，炮孔直径d=42 mm，根据工程实际经验，装药眼与空眼间距取200 mm。为减小掏槽过程中岩石的夹制系数，使炸药大部分能量用于岩石介质的塑性变形，在三角柱中央布置一个大直径空孔，直径D=100 mm。装药孔1、2、3同时起爆。三角柱装药孔起爆时，相邻装药眼之间的空眼起隔离冲击波和对爆炸应力波方向起集中导向作用，装药眼内的炸药不易被压实而发生拒爆，因此，掏槽效果较好。

图3 三角柱掏槽

3.2 爆破参数

井巷掘进爆破效果的优劣在很大程度上取决于爆破参数的选择。合理地选择爆破参数不仅可以在确保巷道稳定和安全的条件下实现高效掘进而且可以降低成本。针对阳煤五矿平巷掘进掏槽爆破参数存在的问题，从以下几个方面对爆破参数进行优化。

(1)单位炸药消耗量。单位炸药消耗量可用下式确定:

式中，q为单位炸药消耗量，kg/m3;f为岩石坚固性系数，取f=9;S为井巷断面，取10.83 m2;k0为校正系数，取0.8。经计算，q=0.82 kg/m3。

(2)掏槽眼装药量的确定。掏槽眼装药量可根据装药系数来确定，其计算公式为

式中，Q1为掏槽眼装药量，kg;d为装药直径，取35 mm;ψ为装药系数，见表1，取0.65;L为炮眼深度，取2.5 m;ρ0为炸药密度，取1.05 g/cm3。根据以上计算得掏槽孔装药量Q1=1.6 kg。结合工程实际，掏槽眼装药数目取8卷。

表1 炮眼装药系数［7］

(3)每循环炸药消耗量。

式中，η为炮眼利用率，取90%。代入数据可得Q0=20 kg。

(4)炮泥填塞长度。炮泥的长度应为装药长度的35%～50%，因此，装药的炮泥长度应该在0.63～0.9 m。取0.9 m，其中前0.6 m填塞炮泥，靠近药包的0.3 m填充水炮泥。

(5)装药结构及起爆方式。在坚硬岩层中，正向装药的炮眼利用率较低，岩石爆破效果较差，大块率较高，而反向装药起爆药包距自由面距离较远，爆炸气体从眼口逸出较慢，爆炸能量能充分应用于岩石破碎，爆破效果较好。因此，各装药孔均采用反向装药，掏槽眼装药结构图如图4。起爆方式采用电雷管反向起爆为主。

图4 掏槽眼装药结构

4 爆破效果分析

根据设计方案在该矿+211 m水平平巷对3种掏槽方式分别进行了3次试验，试验数据如表2。

表2 不同掏槽方式爆破效果对比

菱形掏槽爆破后巷道成型不规则，岩面不平整;周边眼炮孔周围有明显的爆破裂隙且钻孔壁眼痕不明显，如图5;巷道超欠挖现象突破规定的指标，炮眼利用率为84%;采用UBOX－5016－Ⅱ振动信号自记仪记录数据如图6所示，爆破震动对围岩影响较严重;爆破后碎石块度不均匀且抛掷距离较远，严重威胁人员、设备的安全，不利于排矸工序的进行。

图5 菱形掏槽爆破效果

图6 菱形掏槽爆破振速

单螺旋掏槽爆破后巷道成形规则，基本满足直墙半拱巷道近宽3.2 m，近高3.38 m的尺寸要求;巷道轮廓较为平整，在新的巷道壁面上可观察到较清晰的钻孔壁痕迹，如图7;巷道超欠挖现象没有突破规定的指标;炮眼利用率达92%;爆破震动对围岩影响相对较小，爆破振速如图8所示;爆破后碎石较均匀且抛掷距离较近，利于排矸工序的高效进行。与试验前的掏槽方法相比，炮眼数目减少了23%，单位炸药消耗量降低了约12.6%，经济效益和社会效益较显著。