硬岩巷道中深孔爆破掘进技术试验研究

李强强

(山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)

中深孔爆破技术由于其施工效率高、炸药单耗低、爆破成本低等优点，在巷道掘进中被广泛应用[1-4]。但在硬岩巷道中应用时，中深孔爆破技术存在着炮孔利用率低、“冲炮”现象严重、炸药单耗较高等问题，为克服以上问题，实现硬岩巷道快速施工，许多学者通过分析硬岩巷道特点，优化爆破参数，提出因地制宜的爆破方案。文献[5]采用单式楔形掏槽，通过理论计算，结合前期施工经验，确定掏槽参数、炮孔深度等爆破参数，取得了优良的爆破效果；文献[6]采用大孔径空孔直眼掏槽，利用空孔提供补偿膨胀空间，同时提供第二自由面，使得炮孔利用率及爆破进尺大大提高；文献[7]探索了三级楔形掏槽，使得槽腔成型效果进一步提高；文献[8]采用垂直双楔形掏槽，同时控制合理延期时间，在煤矿硬岩巷道取得了较好的经济技术效果。以上研究成果一定程度上解决了硬岩巷道爆破掘进存在的问题，但所作研究缺乏系统性，未能从整体上对比各个爆破方案，因此，对其他工程借鉴有一定局限性。本文通过研究不同的爆破方案，尤其是不同的掏槽布置形式，并在实际施工中进行试验，对比其爆破效果，分析各爆破方案的优缺点，以期对中深孔爆破方案做系统性阐述。

1 工程概况

某煤矿运输巷道埋深-352 m，长510 m。巷道所穿过的岩石为砂岩，块状坚硬，普氏系数f=10～12，属于硬岩巷道。巷道内淋水较少，无瓦斯。断面形状为直墙拱形，支护形式为锚喷支护。巷道掘进跨度5.4 m，高度3.7 m，其中墙高1.3 m，掘进断面积17.3 m2。施工现场使用毫秒延期电雷管，雷管段别Ⅰ～Ⅴ；炸药为PT473水胶炸药，规格为D27 mm×400 mm，每卷重335 g；凿岩机为YT28型气腿式凿岩机。本工程采用中深孔光面爆破，单循环进尺设定为1.8 m。

2 爆破方案设计

巷道爆破时，仅有工作面一个自由面，岩石夹制作用大，首先起爆的掏槽为后续其他炮孔爆破提供了第二自由面和膨胀空间，因此，掏槽爆破直接决定整个断面爆破效果[9]。目前，掏槽形式主要有直眼掏槽、楔形掏槽和混合掏槽[10]，其中楔形掏槽又分为单式楔形掏槽和复式楔形掏槽。对于现有气腿式凿岩设备而言，硬岩巷道钻孔速度慢，而直眼掏槽比钻孔大，进一步增加爆破耗时。同时，对于中深孔爆破而言，直眼掏槽常常需要布设大直径中空孔，气腿式凿岩机无法完成，需要其他大型凿岩设备。因此，实际应用中更侧重于楔形掏槽。本文重点对楔形掏槽方式进行研究，设计了3种不同爆破方案，因掏槽爆破起决定性作用，故3种爆破方案除掏槽形式差别较大外，辅助孔及周边孔爆破参数差别不大。

2.1 掏槽参数

本文结合文献[5-8]所使用掏槽类型，设计了3种不同掏槽：单式楔形掏槽、双楔形复式掏槽和混合掏槽。其中，混合掏槽是指在双楔形复式掏槽基础上，于掏槽中心增设3个直眼，在直眼中装填炸药，使其同第二层楔形掏槽一同起爆。

1) 掏槽孔炮孔深度。本工程爆破循环进尺为1.8 m，炮孔利用率取90%，故除掏槽孔外其他炮孔深度为2.0 m。掏槽孔炮孔深度应大于其他炮孔深度200～300 mm，本工程取2.2 m。

2) 掏槽孔间排距及倾角。楔形掏槽孔间排距大多依照经验取值，尚未有很好的理论计算[7]。炮孔倾角根据台阶爆破理论可知，取值范围60～75°。本工程3种掏槽形式的掏槽孔间排距及倾角参数见表1。

3) 掏槽孔装药量。 掏槽孔装药量依据公式(1)确定：

(1)

式中：Q为单个槽孔装药量，kg；S为槽腔平均横断面积，m2；Lb为炮眼长度，m；N为装药掏槽眼数；q为炸药单耗，kg/m3，楔形掏槽经验取值范围为6～10 kg/m3。

根据公式(1)计算可得除双楔形复式掏槽第一层掏槽孔装药量为0.335 kg(1卷炸药)，其他掏槽孔装药量均为1 kg(3卷炸药)。具体见表1。

表1 不同掏槽形式的间排距及炮孔倾角参数

2.2 周边孔参数

周边孔决定巷道成型质量[11]。周边孔的2个重要参数为周边孔间距和光爆层厚度。

1) 周边孔间距。合理的周边眼间距应保证炮眼间贯通裂隙完全形成[2]。周边孔间距E=(10～18)D，其中D为炮孔直径。硬岩巷道E取值较小。本工程中凿岩机械使用气腿式凿岩机，炮孔直径为32 mm，则周边孔间距E为320～576 mm。又因为巷道围岩普氏系数f为10～12，根据前期施工经验，E取值为350 mm。

2) 光爆层厚度。光爆层厚度即为周边孔最小抵抗线W。周边眼间距E与周边孔最小抵抗线W比值(即E/W)称为周边眼密集系数K。K一般取0.7～1.0，硬岩巷道取值较大。根据现有施工经验，当围岩普氏系数f为10～12时，K取值为0.85。为方便炮孔标注，本工程光爆层厚度取值400 mm。

根据上述分析，3种爆破方案的周边孔参数均为：周边孔间距E为350 mm；光爆层厚度W为400 mm，单孔装药量为0.5 kg(1.5卷炸药)。

2.3 辅助孔参数

辅助孔介于掏槽孔与周边孔之间，主要作用为扩大掏槽和为周边孔爆破成型创造条件。为完成单循环进尺1.8 m，辅助孔炮孔深度设计为2.0 m。根据已有研究[12]，邻近周边孔的辅助眼一般应比周边眼间距大100～200 mm。本工程取值500 mm。其他辅助孔间距为450～600 mm。辅助孔起爆时，有掏槽创造出的第二自由面，故辅助孔单孔装药量小于掏槽孔，同时，辅助孔炮孔间距大于周边孔，其装药量又大于周边孔，因此，本工程辅助孔单孔装药量为0.67 kg(2卷炸药)。

2.4 爆破方案

本工程断面尺寸较大，故分2次爆破。3种爆破方案爆破参数主要区别在于掏槽形式，即第1次爆破区域(直墙区域)各爆破参数有区别，而第2次爆破区域各爆破参数相同。图1为3种爆破方案第2次爆破区域炮孔布置，表2为其对应爆破参数。图2、图3和图4分别为3种爆破方案第1次爆破区域各个炮孔的布置，对应的爆破参数见表3，表4和表5。3种爆破方案单循环使用炸药总量分别为：58.96 kg、60.3 kg和63.315 kg。

图1 3种爆破方案第2次爆破区域炮孔布置(mm)

图2 单式楔形掏槽炮孔布置(mm)

图3 双楔形复式掏槽炮孔布置(mm)

表2 3种爆破方案第Ⅱ次爆破区域爆破参数

表3 单式楔形掏槽爆破参数

表4 双楔形复式掏槽爆破参数

表5 混合掏槽爆破参数

图4 混合掏槽炮孔布置(mm)

3 试验效果及数据分析

采用3种方案各进行了3次爆破试验，爆破效果见表6，表中各数据为3次爆破试验的平均值。

表6 不同爆破方案爆破效果

由表6可知：①就爆破进尺、炮孔利用率、炸药单耗等指标而言，混合掏槽爆破效果最佳，进一步分析可知，混合掏槽可使槽腔底部岩石充分破碎并抛出工作面，保证了掏槽孔的炮孔利用率，为后续起爆的辅助孔创造充足自由面，使得断面整体爆破效果提高；②双楔形复式掏槽的各项指标介于混合掏槽和单式楔形掏槽之间，较单式楔形掏槽而言，其槽腔由第一层和第二层掏槽孔逐步起爆形成，岩石破碎较为充分，而较混合掏槽而言，由于槽腔中部未布设炮孔，使得槽腔中部部分岩石无法抛离工作面；③单式楔形掏槽虽然比钻孔指标低于其他掏槽形式，一定程度上节约钻孔时间，但由于其槽腔仅依靠单式楔形掏槽对掏槽孔形成，岩石破碎不充分，且首先起爆的辅助孔最小抵抗线过大，更加不利于新自由面形成，故导致其炮孔利用率低、炸药单耗高，从整体上看，爆破耗时反而增加。

4 结 语

本文对比了3种不同爆破方案，尤其是3种不同掏槽形式在硬岩巷道中的爆破效果，更加系统地研究了硬岩巷道中深孔爆破技术，对比爆破效果可知：混合掏槽爆破效果最佳，双楔形复式掏槽次之，单式楔形掏槽最差。今后在使用气腿式凿岩机的硬岩巷道爆破掘进工程中，当断面尺寸满足要求时，应优先选用混合掏槽。