中深孔爆破技术在大断面硐室施工中的应用

宋肖杰

(金诚信矿业管理股份有限公司)

·采矿工程·

中深孔爆破技术在大断面硐室施工中的应用

宋肖杰

(金诚信矿业管理股份有限公司)

某铁矿电机车维修硐室宽7.4 m，高9.275 m，采用传统方法施工此类大断面硐室存在施工难度大、效率低、工期长等问题。根据矿山地质情况，结合以往硐室开挖和中深孔爆破经验，采用分步爆破法施工。结果表明：中深孔爆破运用于大断面硐室施工安全可行，硐室成形质量好，在施工进度和成本方面优势明显，对类似工程具有较好的借鉴意义。

大断面硐室 中深孔爆破 分步爆破 施工组织

硐室施工与普通巷道相比，具有断面大、质量要求高的特点。硐室服务年限长，结构复杂，形态各异。硐室围岩受力状况较复杂，地压应力集中，在施工过程中还要经受多次扰动，极易发生围岩失稳和衬砌结构开裂与破坏现象，增加了施工难度。根据硐室的断面尺寸和围岩稳定性，常用的井下硐室施工方法有3种：全断面施工法、分层施工法和导硐施工法[1-4]。硐室施工的发展过程中，也涌现了导硐台阶联合法等更适用于现场实际的施工方法[5]。但是，以上方法在大硐室施工时均有局限性，主要体现为施工难度大，效率低，施工工期长[6]。为加快施工进度、缩短井建周期，根据硐室设计规格及以往经验，在深入研究中深孔爆破原理的基础上，针对电机车修理硐室采用YGZ-90中深孔钻机凿岩，分部深孔爆破法施工，附属硐室掘进采用浅眼钻爆法，光面控制爆破，取得了预期的效果。

1 工程概况

七角井铁矿位于甘肃省肃北县兰新铁路柳园火车站东北方向50 km处，该区山脉走向近东西分布，海拔标高在2 300～2 500 m。岩石主要为下寒武统底砾岩和中震旦统含绢云母石英片岩，矿岩稳固性好，f=10～12。矿房主要为磁铁矿，呈黑灰—灰褐色，块状，中粗粒他形，半自形粒状集合体，部分呈良好的自形晶，矿体结构较简单。

电机车修理硐室位于2 150 m中段，硐室为1/4B三心拱，长40.3 m,设计规格为7.4 m×9.275 m(宽×高)，掘进方量为2 642 m3。电机车修理硐室内设有休息室、备件库1、备件库2、材料室，均为1/3B三心拱；休息室、备件库1断面规格均为4.2 m×3.303 m(宽×高)，分别长5.1，4.1 m；备件库2断面规格为5.2 m×3.967 m(宽×高)，长10.1 m；材料室断面规格为3.2 m×3.3 m(宽×高)，长4.1 m；硐室内还有20 m×1.9 m×1.55 m(长×宽×深)的检修坑，掘进方量为48.22 m3。具体掘砌工程量见表1。

表1 电机车维修硐室工程量

2 施工方案

2.1 施工设备

施工设备有2台YGZ-90中深孔钻机、3台YT-28钻机、1台2 m3铲运机、3台15 t自卸式卡车、1台喷浆机。

2.2 硐室工程布置

电机车两侧通道在硐室里贯通后，将其作为中深孔爆破的切割巷，在硐室中间反掘一条天井至硐室拱顶；贯通的巷道两侧布置3个附属硐室：休息室、备件库和材料室，3条附属硐室通道即为中深孔凿岩巷。拉槽中深孔布置在天井两边。正常爆破中深孔在休息室、备件库、材料室联巷中钻凿，硐室两侧各布置2排中深孔。电机车维修硐室相关工程及中深孔布置见图1。

图1 电机车维修硐室工程及中深孔布置

2.3 施工顺序

施工顺序：硐室内切割巷和凿岩巷及附属硐室掘进→切割天井反掘→切割槽中深孔及正常爆破中深孔打眼→切割槽中深孔及正常中深孔分部、分次、分排爆破→登渣自上而下锚喷施工及分次出渣→中深孔爆破后遗留在硐室底板上的岩石平台体施工→检修坑掘砌→硐室混凝土底板及轨道预埋安装。

2.4 施工方法

电机车修理硐室两侧的通道掘至硐室位置处，断面不变，继续向前掘进直至贯通，作为硐室爆破的拉槽巷道，在拉槽巷道的中间部位反掘一条2 m×2 m 的天井至硐室顶板作为切割天井。在贯通的巷道内，采用手抱钻直接施工电机车修理硐室里的附属硐室(休息室、备件库1、备件库2和材料室)，分布在硐室两端的材料室和休息室施工到位后，还需向对面施工直至硐室的另一边帮，边帮以里按照1.5 m×1.5 m×1.0 m(宽×高×深)施工2个措施小洞(以后用毛石砌筑封死、复原)以容纳、放置中深孔钻机底盘，施工完的3条横向巷道作为凿岩爆破巷道。为了保证硐室两侧端墙平整，在横向凿岩巷道内布置中深孔时，在两侧各预留1.5 m厚岩体，在硐室两侧通道入口处的端墙位置各布置一排中深孔，最后爆破。

3 施工组织

3.1 切割巷、凿岩巷及附属硐室的施工

切割拉槽巷道和凿岩巷道采用普通全断面一次性爆破，每循环进尺2.2 m。

休息室、备件库、材料室采用光面爆破，超前小导硐掘进，二次刷扩成型。光爆眼间距严格控制在600 mm以内，岩性不好时，适时增加光爆眼数量。

以上巷道的施工均采用2 500和4 200 mm长的中空六棱型钻杆，配φ40 mm的一字型钻头，人工打眼。药卷规格为φ32 mm×200 mm×200 g。采用电容式起爆器起爆,半秒延期非电塑料导爆雷管。

3.2 切割天井施工

切割巷、凿岩巷及附属硐室施工完毕后，采用托钩法反掘切割天井。切割天井反掘高度超出硐室拱顶0.2 m，以确保拉槽高度不小于设计硐室高度并保证后续正常排中深孔爆破的高度不小于设计硐室高度。

3.3 中深孔凿岩爆破

3.3.1 爆破参数

拉槽中深孔参数：孔径为55 mm，排距为1 m，孔底距为1 m，采用垂直平行孔布置。

正排中深孔参数：孔径为55 mm，排距为1.425 m，孔底距为1.5 m，采用垂直扇形布置，边孔角为5°。

孔口不装药长度采用交错结构，中深孔的平均装药系数为0.8。装药密度为0.95 g/cm3，装药量为2.26 kg/m。

3.3.2 凿 岩

拉槽中深孔以天井为中心，向两边布置。天井边2排孔距天井的边界0.8 m，后面排距均为1 m。正常爆破中深孔在休息室、备件库、材料室联巷中钻凿，硐室两侧各布置2排中深孔，前排(第一、第三排)距拉槽的边界1.425 m，后排(第二、第四排)距前排孔1.425 m。在两端墙设计边界线上分别布置一排中深孔(第五、第六排)，保证硐室两侧端墙的成型质量。中深孔设计见图2。

图2 中深孔设计剖面(单位：m)

为防止中深孔爆破后，硐室宽度、长度和拱部高度出现欠挖现象，四周边墙正常排中深孔的排面位置超出硐室边墙0.15 m，所有中深孔的深度均要超出所在硐室拱部轮廓0.2 m。

中深孔施工采用2台YGZ-90型钻机。先施工拉槽中深孔，再施工硐室内的正常中深孔，最后施工两端墙中深孔。

3.3.3 爆 破

3.3.3.1 装 药

采用散装膨化硝铵炸药，起爆弹使用φ32 mm×300 mm×200 g乳化炸药，切割槽炮孔的装药系数为0.9，正排炮孔的装药系数平均达到0.85，同排相邻炮孔装药系数采用0.9、0.8交替装药，即前排对应的炮孔装药系数为0.8，而后排炮孔对应的炮孔装药系数则为0.9。

3.3.3.2 起 爆

采用毫秒微差分段爆破法，每排孔均使用同一段雷管，排间采用毫秒延期雷管，逐排起爆。每孔内装入2发非电毫秒延期导爆管雷管和全长导爆索，导爆索伸出孔外0.2～0.4 m，单排导爆索在孔口连接，起爆雷管装在孔底位置。

3.3.3.3 爆破顺序

首先进行切割槽中深孔爆破，随后进行正排中深孔爆破。具体步骤：

(1)切割槽中深孔爆破以切割天井为最初自由面向硐室两端后退式进行，每次爆破4排，分9次完成爆破，随后将崩落的废碴出净。

(2)正排第一次爆破为第一排炮孔，爆破后将爆破崩落的废碴出净。

(3)正排第二次爆破分3段，第一段为正排第二排炮孔，第二段为正排第三排炮孔，第三段为正排第四排炮孔。

(4)正排第三次爆破主要有硐室两端的正排第五、第六排炮孔，可采取分次起爆，也可以一次起爆。

3.4 出 碴

采用铲运机装载、汽车运输，汽车停在斜坡道电机车修理硐室联巷开口处的调车硐，利用2 m3铲运机将废石碴直接装入汽车，通过斜坡道拉出，排到地表废石场。

3.5 支 护

采用150 mm厚的C20喷射混凝土、φ20 mm×2 500 mm×800 mm的砂浆锚杆锚喷支护。对碴石平台进行平整和硐室顶部及墙部撬毛作业后，利用各部分最后一次爆破预留碴石作为平台，先对硐室顶部及上部墙部进行锚喷和上部行吊钢柱固定锚杆进行施工。顶部及上部墙部支护作业完成后，逐量排出硐室内碴石，以不同时期的碴石堆为作业平台进行硐室中部墙部的支护工作。出净碴石后再进行硐室下端墙部及底部的喷锚支护，最后进行附属硐室锚喷支护作业。

4 技术经济指标对比

同一个硐室，支护区域和支护形式也一样，采用不同开挖方法的直接成本比较见表2。

表2 不同开挖方法直接成本比较

由表2可知，中深孔开挖较普通法直接成本节省248 248元，成本降低67%。

除去硐室支护时间，硐室开挖工期比较见表3。

表3 硐室开挖工期比较 d

方法下导硐施工天井施工中深孔施工中深孔爆破上部导硐施工刷扩中深孔开挖15286普通法1561540

由表3可知，传统的硐室施工方法掘进小断面巷道后需开帮、挑顶或卧底，施工进度慢，从凿岩爆破、出碴到支护成形，整个过程耗时2.5～3个月。中深孔一次爆破方量大，硐室施工周期可控制在一个月以内，可缩短工期1.5～2个月,工期上优势明显。

中深孔爆破规模较大，对钻孔施工质量要求高，容易造成超挖和欠挖现象，难以控制硐室顶板和四周轮廓。为保证硐室拱部和四周端墙的成形质量，对中深孔排面及孔深进行了细致研究,并做了详尽合理的设计，现场作业严格按照设计要求施工。施工效果显示，基本按设计轮廓崩落硐内岩石，边墙和顶板成形质量良好，未出现明显的超挖和欠挖现象。硐室成形质量见图3。

图3 中深孔爆破效果

5 结 语

中深孔爆破作为一种大规模采场落矿方式应用于硐室施工，是一次大胆的探索和创新。本次硐室施工效果表明，该爆破方法安全可行，对硐室成形质量具备一定的保障。与传统的硐室开挖方法相比，在施工进度和成本方面优势明显，可在类似矿山大断面硐室施工中加以借鉴和推广。在方案设计和现场施工上必须做好以下几点:

(1)爆破参数决定了中深孔爆破效果和硐室拱帮成形质量，必须深入研究并做合理科学设计，保证炸药单耗符合岩石特性，排面布置匹配硐室轮廓。

(2)地下大硐室开挖顺序极为重要，其影响硐室围岩应力分布和顶板边帮损坏程度，应综合考虑施工安全、方便、成形质量等多方面因素对施工顺序做统筹安排。

(3)加强施工过程管理，做好劳动组织安排。督促现场工人严格按照拟定爆破参数保质保量完成凿岩装药等工序，并谨遵设计方案科学有序施工。

(4)顶板和边墙支护是大断面硐室中深孔爆破的难点，是保证硐室施工安全推进的重要环节。如何实现顶板、边墙的安全支护，利用硐内碴石作为支护作业平台，都要从实际出发，大胆构想，小心求证。

[1] 张书城.煤炭硐室施工技术的发展[J].建井技术，1995(4)：26-27.

[2] 亢利峰.大断面永久性硐室施工与支护技术[J].煤炭支护，2010(2):34-35.

[3] 胡守平.复杂条件下净断面超100m2特大硐室施工技术[J].煤矿开采，2009，14(2)：51-53.

[4] 马 杰.地下大型破碎机硐室施工方法[J].中国矿山工程，2010，39(5)：26-29.

[5] 孙 飞.浅析硐室施工中导硐台阶联合法的应用[J].建筑与工程，2013(1)：378-378.

[6] Tezuka Masanobu, Seoka Tadahiko. The latest technology of underground rock cavern excavation in Japan[J]. Drifting and Underground Space Technology，2003(18)：127-144.

Application of the Medium-length Hole Blasting Technology in the Large Section Chamber Construction

Song Xiaojie

(JCHX Mining Management Co.,Ltd.)

There is an electric locomotive maintenance cavern in an iron mine, which its width and height is 7.4 m and 9.725 m, and it would be of high difficulty, low efficiency and long duration by adopting classical construction method. According to the geological conditions of the mine, combing with the experiences of cavern excavation and medium-length hole blasting, the step-by-step blasting method is used to conduct the chamber construction. The results show that the medium-length hole blasting method is suitable to the large section chamber construction, the chamber forming quality is good, the construction schedule and cost of the medium-length hole blasting method is superior to others, it has reference for the similar projects.

Large section chamber, Medium-length hole blasting, Step-by-step blasting, Construction organization

2015-05-21)

宋肖杰(1980—)，男，工程师，101500 北京市密云经济开发区水源西路28号。