楔形掏槽光爆技术在破碎矿体掘进中的应用研究

2017-10-23饶习荣江飞飞李永辉

采矿技术 2017年5期

关键词：光面炮眼楔形

饶习荣，江飞飞，李永辉

(1.昆明煤炭科学研究所，云南昆明 650041； 2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012)

楔形掏槽光爆技术在破碎矿体掘进中的应用研究

饶习荣1，江飞飞2,3，李永辉2,3

(1.昆明煤炭科学研究所，云南昆明 650041； 2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012)

针对某矿30#破碎矿体自稳性差、脉内成巷困难且掘进成本高、作业安全性差等一系列问题，基于光面爆破基本原理，结合矿山矿岩条件和掘进爆破需要，通过理论计算分析优化光爆参数、炮眼布置形式、掏槽方式和装药结构，提出了针对矿山破碎矿体特点的楔形掏槽光面爆破技术试验方案，并进行了现场掘进爆破试验，取得了较好的光爆效果，试验成果在全矿区类似条件下具有推广应用价值。

破碎矿体；光面爆破技术；楔形掏槽；巷道掘进

0 前言

光面爆破技术作为地下工程和矿山巷道掘进与开采中常用的一种爆破方法[1-7]，不仅可用于稳固岩体的掘进爆破，也可用于破碎岩体条件下的边界控制爆破，对于破碎岩体而言，光面爆破技术能够有效减少超欠挖，提高工程质量和加快工程进度，同时可在最大限度内减小对围岩的破坏作用，为掘进后巷道的支护加固创造条件，由于光面爆破的这些突出优点，近年来光爆技术在破碎岩体中的应用也越来越广泛[5-6,8-11]。

某矿30#矿体530～600 m采用无底柱分段崩落法进行开采，根据现场工程施工经验可知，30#矿体节理裂隙发育、遇水易发生泥化现象，自稳性差、脉内成巷困难，在掘进爆破时经常发生超欠爆现象，爆破后巷道支护作业困难，支护过程中顶板和侧帮易发生垮落，整体作业安全性稳定性差，巷道掘进和后期维护成本高，同时严重影响了矿山生产作业效率，为了切实有效解决矿山30#破碎矿体爆破成巷中所遇到的各种难题，最大限度的降低掘进爆破对巷道周边区域的破坏作用，充分发挥围岩掘进后的自稳特性，为掘进后出渣、支护等创造安全可靠的条件，十分有必要开展破碎岩体中的控制爆破试验研究。

1 掘进爆破条件调查与分析

为了查明矿山无底柱分段崩落法开采区域的工程地质条件，充分了解和认识矿体内成巷的掘进爆破条件，在光面爆破试验前针对30#矿体进行了详细的结构面发育情况调查和矿体质量评价，基于结构面调查的一般原则和所采用的调查方法(连续线观测法)的特点[12]，选择530 m中段6#、8#出矿巷等矿体结构面揭露良好的部位作为调查地点，调查总长度为317.6 m，测得结构面总数量893条，平均结构面条数为2.81条/m，平均间距0.36 m。通过软件统计分析可知，矿体内有4组较为发育的优势结构面(见图1)，总体上结构面较发育，多呈微粗糙型张开状态，普遍延伸较长，岩壁表面干燥、中等风化；另外，采用RMR岩体质量评价方法对矿体质量进行了分级与评价，通过对调查区域岩石强度、RQD值、节理间距、节理状态和地下水条件等分别进行评分[13]，得到矿体RMR法最终评分值为54，总体上属于Ⅲ～Ⅳ级中等破碎矿体，同时考虑到矿体自身岩石特性，矿体内掘进成巷爆破条件总体而言较差。

2 楔形掏槽光面爆破技术方案

2.1 光面爆破基本原理

光面爆破是使爆破的巷道断面形状和尺寸基本上符合设计要求，岩壁平整、成形规整并尽量使巷道轮廓以外的围岩不受破坏的一种控制爆破技术[3-8]，其控制的内容主要包括工作面炮眼布置形式与参数、装药结构、起爆顺序等方面。光面爆破的基本原理是在工程最终开挖面上布置密集小孔径炮眼，并严格控制周边眼的装药结构和系数，采用不耦合装药或空孔间隔装药等方式，在爆破时药包爆炸产生的压力经过不耦合间隙的缓冲后得以有效降低，并且不足以在眼壁周围形成破碎区，而仅仅对需要崩落的岩石一侧产生破碎作用，同时在周边眼连线方向形成贯通裂隙，从而进一步形成相应的光爆破裂面。

一般而言，为了确保光爆效果，可选用低密度、低爆速、高体积威力的炸药，以减弱爆轰气体波对岩体的不利冲击作用，同时也可延长爆生气体的膨胀作用时间；另外，周边眼的不耦合系数和装药结构应根据现场矿岩条件进行不断优化调整。

图1矿体结构面调查统计结果

2.2 掏槽方式的比较与选择

掏槽方式是巷道掘进光面爆破的关键，一般掏槽方式主要包括直眼掏槽和斜眼掏槽两大类[14-17]。斜眼掏槽具有掏槽眼数量少、掏槽面积大、爆破矿岩易崩出，其缺点主要是循环进尺受到井巷断面尺寸限制、爆堆较分散，楔形掏槽是其中最为常见的形式。直眼掏槽要求炮眼垂直于工作面，且炮眼之间严格平行，其主要优点是作业空间不受井巷断面限制、爆堆较为集中，主要缺点是掏槽眼数量多、凿岩施工质量要求高、成本相对较高。

矿山原设计巷道掘进采用直眼掏槽，掘进面布置炮眼39个，其中空孔4个，底眼5个，具体炮眼布置形式如图2所示，实际掘进爆破时，单个循环消耗雷管36发、炸药42～48 kg。根据矿山现场爆破经验可知，对于30#矿体掘进爆破直眼掏槽效果一般甚至较差，另外根据斜眼掏槽和直眼掏槽的特点可以预见斜眼掏槽较直眼掏槽可减少炮眼数量、降低炸药和部分材料的消耗量，且矿山设计巷道断面尺寸(3.2 m×3 m)能够满足斜眼掏槽等需要，因此本次光面爆破试验决定选择斜眼掏槽大类中应用最为广泛和成熟的楔形掏槽。

2.3 爆破参数计算及炮眼布置

(1) 炮眼数量。巷道掘进采取全断面一次爆破开挖，周边孔按照光面爆破要求进行布置，炮眼数量可根据经验公式(1)进行估算。

(1)

式中，f为岩石坚固性系数，s为巷道断面。

根据现场矿岩条件可知，f系数取8，巷道断面规格为3.2 m×3 m，断面积为8.88 m2，经计算巷道断面需布置29个炮眼，其中选用楔形掏槽时，掏槽眼数量及其布置参数可根据表1进行选择，即掏槽眼数量为6个，且掏槽眼炮眼与工作面的夹角综合确定为70°，掏槽眼眼深2.2 m；设计辅助眼数量为7个，周边眼数量为16个，其眼深均为2 m。

图2 直眼掏槽炮眼布置

表1 楔形掏槽的主要参数

(2) 炮孔布置。此次光爆试验的炮眼布置见图3，设计周边眼距开挖轮廓线0.1 m，且向轮廓外方向倾斜角度为3°，其中拱顶部位炮眼间距为0.50 m，立墙部位炮眼间距为0.63 m，底眼间距为0.75 m，辅助眼间距为0.70 m，光薄层厚度为0.5 m。

图3 掘进工作面光面爆破炮眼布置/m

(3) 装药结构及装药量。为了达到预期的光爆效果，本次试验周边眼采用空气柱间隔轴向不耦合装药，且沿炮眼全长铺设导爆索，而掏槽眼和辅助眼则采用一般的连续耦合装药，装药结构如图4所示。根据计算可知，单个循环工作面炮眼总长为61 m，单个循环进尺为2 m，爆破岩石量为17.76 m3。设计掏槽眼填塞长度为装药长度的0.25倍，则掏槽眼装药长度为1.7 m，眼口堵塞长度为0.5 m；设计辅助眼和周边眼的填塞长度为装药长度的0.3倍，则其装药长度均为1.5m，眼口堵塞长度为0.5 m。本次爆破采用乳化炸药卷，药卷规格Φ32 mm×200 mm，药卷重量200±10 g，根据上述装药结构及参数计算可得，掏槽眼装药量为10.2 kg，辅助眼装药量为10.5 kg，周边眼装药量为18 kg，总装药量为38.7 kg，设计单位体积炸药消耗量为2.17 kg/m3。

图4 炮眼装药结构

(4) 连线起爆。按照设计的装药结构及装药量填装各炮眼，周边眼在装药时随药卷一起铺设导爆索，各炮眼内装一发导爆管雷管，设计选用雷管段别为1～7段(见图2)，孔外使用瞬发导爆管雷管进行网路连接，采用捆绑的方式每8～10个左右的导爆管绑扎在1个连接雷管上，再将连接雷管连接在1个总起爆雷管上即可。

3 现场爆破试验结果及分析

基于掘进爆破条件分析结果和所提出的楔形掏槽光面爆破技术方案，试验地点选取在矿山572 m分段30#矿体3#凿岩巷道内，此巷道刚进入30#破碎矿体内，矿体结构面发育，矿体自身力学特性和自稳性差，按照原爆破方式成巷困难、作业安全性差，符合本次爆破技术试验现场条件要求。

按照设计的爆破参数及炮眼布置形式要求在掘进工作面进行凿岩作业，凿岩设备采用YT-28型气腿式凿岩机，钻凿孔径均为42 mm，凿岩完毕后按照参数和相关安全作业要求进行炮眼清理、装药、连线和起爆，然后观察现场爆破效果，并对相关的爆破参数进行现场实测统计。现场爆破效果见图5，根据现场实测可知，本次爆破进尺为2.1 m，爆破成巷断面规格为3.15 m×3.1 m，单次爆破量为19.03 m3，成巷效果良好，未出现明显的超欠爆等现象，爆破矿石块度均匀，达到了预期的要求，证明本次楔形掏槽光爆试验是成功的。另外，与原爆破方案进行成本经济指标对比分析可知，试验方案减少了炸药、导爆管雷管的消耗量，增加了导爆索的使用，尽管试验方案炸药材料消耗成本较原方案有所增加，但由于采用光爆技术方案后巷道支护形式由原钢拱架支护改变为常规的喷锚网支护，巷道支护成本大幅降低，使得最终单位体积掘进支护总成本显著减小，试验方案在成本经济上同样具有优越性(见表2)。

图5 光面爆破试验现场

表2 试验方案与原方案单循环成本经济指标对比

4 结论

本文在充分调查和分析矿山破碎矿体内掘进爆破现状、存在的问题、现场爆破条件等基础上，提出了针对矿山破碎岩体的楔形掏槽光面爆破技术方案，并对爆破参数及炮眼布置形式进行了理论计算和优化设计，较原直眼掏槽爆破减少了炮眼数量、降低了炸药、雷管等部分材料消耗，爆破后形成了良好的破裂面，巷道断面成形良好，有效控制了对周边岩石的破坏作用，支护难度和支护成本显著下降，最终单位体积掘进支护总成本显著减小，试验方案在成本经济上同样具有优越性，达到了预期的光爆效果，试验成果可在矿山类似条件的破碎岩体掘进爆破中进行推广应用。

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