坚硬岩石巷道爆破掘进参数优化.pdf

第3 2 卷第2 期 爆破 V 0 1 ．3 2N o ．2 2 0 1 5 年6 月B L A S T I N GJ u n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 1 2 坚硬岩石巷道爆破掘进参数优化 高文乐a , b ，周奥博a , b ，张强“6 山东科技大学a ．土木工程与建筑学院；b ．山东省土木工程防灾减灾重点实验室，青岛2 6 6 5 9 0 摘要在坚硬岩石巷道爆破掘进中，由于岩石的碎胀系数大，补偿空间不足，无法满足爆破临空面的要 求，爆破效果较差，炮眼利用率仅在5 0 ％～7 0 ％左右。为了解决坚硬岩石巷道中炮眼利用率低、循环进尺少 的问题，采用双楔形垂直掏槽的掏槽方式，中空直眼装填反向装药结构的抛渣药包辅助掏槽，并根据爆破自 由面的形成时间和破碎岩石的飞行时间确定了爆破各作用炮眼的合理延期时间。同时也确定了坚硬岩石巷 道掘进爆破使用2 5m s 延期电雷管的合理炮眼深度为1 ．6m 。在普氏系数f 1 2 ～2 2 的坚硬岩石巷道掘进 中使炮眼利用率达到8 5 ％以上。 关键词坚硬岩石；掏槽；参数优化；炮眼利用率 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 2 0 0 6 4 0 4 P a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o no nT u n n e lB l a s t i n gi nH a r dR o c k G A OW e n ．1 e 8 ⋯，Z H O UA o b 0 8 一，Z H A N GQ i a n 9 8 ’6 a ．C o l l e g eo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ；b ，S h a n d o n gP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo f C i v i lE n g i n e e r i n gD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dM i t i g a t i o n ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nh a r dr o c kt u n n e lb l a s t i n g ，d u et oh i g hr o c kc o e f f i c i e n to fb u l ki n c r e a s ea n di n s u f f i c i e n tc o m p e n s a - t i o ns p a c e ，t h ef r e es u r f a c ec o n d i t i o nw a s , n o tg o o de n o u g h ，a n dt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fb l a s t i n gh o l ew a so n l ya b o u t 5 0 ％～7 0 ％．I no r d e rt os o l v et h el o wu t i l i z a t i o nr a t eo fb l a s t i n gh o l ea n dl e s sc i r c u l a t i o nf o o t a g ei nh a r dr o c k ，t h e m e t h o do fd o u b l e w e d g ec u t t i n g ，h o l l o ws t r a i g h th o l eu s i n gr e v e r s ec h a r g es t r u c t u r ew a sa p p l i e d ．A c c o r d i n gt ot h e f o r m e dt i m eo ft h ef r e ef a c ea n df l i g h tt i m eo ft h ef r a c t u r e dr o c k ，t h er e a s o n a b l ed e l a y t i m ef o re a c hb o r e h o l ew a sd e - t e r m i n e d ．M e a n w h i l e ，t h er e a s o n a b l eh o l ed e p t hw i t h1 ．6m w a sd e t e r m i n e db yu s i n g2 5m sd e l a ye l e c t r i cd e t o n a t o r i nh a r dr o c k ．T h r o u g hh e a d i n gb l a s ti nh a r dr o c k ，w i t ht h er o c ks o l i dc o e f f i c i e n tr a n g ef r o m1 2t o2 2 ，t h eu t i l i z a t i o n r a t eo fb l a s t i n gh o l ew a so b t a i n e da b o v e8 5 ％． K e yw o r d s h a r dr o c k ；c u t t i n g ；p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ；u t i l i z a t i o nr a t eo fb l a s t i n gh o l e 在坚硬岩石中进行掘进爆破具有以下显著特 点钻眼速度慢，钻具磨损较快；岩石难以爆破，经常 出现如“冲炮”现象；炮眼利用率低，一般在7 0 ％左 右，有时只能达到5 0 ％，更有的炮眼利用率仅有 3 0 ％；炸药消耗量大，有时炸药单耗达到3 ．0k g ／m 3 收稿日期2 0 1 5 0 2 2 9 作者简介高文乐 1 9 6 6 一 ，男，山东栖霞人，教授，主要从事岩土力 学和爆破安全技术的教学与科研工作， E m a i l w e n l e g a o 1 6 3 ．c o m 。 以上，仍然达不到理想的爆破效果。在坚硬岩石巷 道掘进爆破中，炮眼利用率低，循环进尺少，严重制 约着煤矿的采掘比和开采效率的提高。 为实现坚硬岩石巷道的快速掘进，国内许多学 者对此进行了广泛的研究宗琦和任庆峰采用底部 聚能掏槽和中深孔爆破技术，在石英砂岩 ．厂 1 2 为 主的岩体中，使炮眼利用率达到9 0 ％以上，大大提 高了爆破效果【1o ；余永强等采用复楔形掏槽心j ，在 坚硬细砂岩、灰岩 ／ 1 0 ～1 2 为主的岩体中，将炮 万方数据 第3 2 卷第2 期 高文乐，周奥博，张强坚硬岩石巷道爆破掘进参数优化 眼利用率提高到8 9 ％；林大能和陈寿如通过对典型 空孔掏槽眼布置进行分析，建立了空孔直眼掏槽的 物理力学模型，得出了合理的空孔尺寸计算方 法o ；刘泽等采用中心孔装药辅助孔留空的直眼掏 槽M 1 ，将炮眼利用率由6 4 ％提高到了9 l ％。在工程 实践中，中深孔爆破在岩石较软或一般坚硬时，爆破 效果较好，但当岩石特别坚硬时，往往得不到理想效 果；直眼掏槽往往过量装药，装药长度占全眼长度的 6 0 ％一8 0 ％，而且当巷道内存在瓦斯和易爆炸的煤 尘，带空孑L 的直眼掏槽是禁止使用的。因此，坚硬岩 石巷道的爆破掘进技术还有待进一步提高。 1 爆破参数优化设计 在坚硬岩石巷道中掘进，为了提高炮眼利用率， 降低炸药和雷管消耗，应进行合理的爆破参数设 计㈨0 I 。 1 ．1 掏槽方式优化 在坚硬岩石巷道中掘进爆破时，掏槽方式是影 响循环进尺和爆破效率的主要因素。由于掏槽爆破 只有一个自由工作面，周围岩石具有较大的夹制力， 爆破条件困难，因此掏槽眼的布置尤为重要。根据 斜眼掏槽、直眼掏槽、混合掏槽的不同特点，以及巷 道岩石特别坚硬的特点，采用双阶楔形掏槽方式，先 起爆内侧一阶掏槽眼，爆出小槽，外侧二阶掏槽眼随 后起爆扩大槽腔体积。此外，在掏槽眼中部布置一个 中空直眼，装填反向装药结构的抛渣药包。中空直眼 不仅有利于产生反射拉伸波提高破岩效果，而且在一 阶掏槽孔先爆的基础上，通过采用合理延期的中心孔 的抛渣作用，把一阶掏槽破碎的岩石进一步抛出，有 利于克服岩石的巨大夹制作用，为二阶掏槽孔创造良 好的自由面，大大改善掏槽效果。见图1 。 彳 Lf | | i A _ j 图1双阶垂直楔形掏槽示意图 F i g ．1D i a g r a mo fd o u b l e w e d g ec u t t i n gm e t h o d 1 ．2 炮眼数目Ⅳ 炮眼数目决定了钻孔的工作量并直接影响到爆 破的效果。在保证爆破效果的前提下，应尽可能的 减少炮眼的数目。炮眼数目Ⅳ按以下经验公式估 算‘8 1 Ⅳ3 ．3 溶 1 式中，为岩石坚固性系数；S 为巷道掘进断面面 积，m 2 。 在实际布眼时根据巷道断面、抵抗线等对炮眼 数目进行适当调整。 1 ．3 炸药单耗g 炸药单耗q 按以下经验公式旧。计算 g 璺 2 旷赢 心’ 式中K 为常数，对平巷可取0 ．2 5 0 ．3 5 ；f 为岩石 坚固性系数；J s 。为断面影响系数，S 。 S ／5 J s 为巷道 掘进断面面积，m 2 ；d ，为药径影响系数，d 。 d ／3 2 d 为所用药包药径，m m ；e 为炸药换算系数，e 3 2 0 ／e 。， e 。为所用炸药爆力，m L 。 1 ．4 炮眼直径D 与炮眼深度， 炮眼直径直接关系到钻眼的速度、炸药的单耗、 巷道的掘进爆破效率等。生产实践表明，应用于巷 道掘进的炮眼直径一般为3 8 ～4 2m m 。 炮眼加深可使每循环进尺增加，考虑矿山实际 情况，采用Y T - 2 8 型气腿凿岩机钻眼时，随着炮眼深 度的增加，岩石的夹制力明显变大，钻眼速度会明显 变慢，尤其对坚硬岩石表现更为显著。炮眼的深度 要适应循环作业的需要，片面地追求炮眼深度，钻眼 时间延长，反而会降低掘进速度。对碎胀性较高的 坚硬岩石还必须充分考虑先爆炮眼为后爆炮眼创造 良好自由面的要求，即在使用总延期时间不得超过 1 3 0m s 的现有前五段的2 5m s 电雷管的前提下，满 足先爆岩石破碎和脱离原岩的时间，以保证为后爆 岩石提供良好的新自由面，从而提高每循环的炮眼 利用率。 1 ．5 炮眼布置 1 掏槽眼在巷道断面中央偏下部分对称布 置，优先选择软弱夹层布置掏槽眼。对于坚硬岩石 巷道，内楔炮眼底部间距取2 0 0m m ，外楔炮眼底部 间距取3 0 0m m ，掏槽眼与工作面夹角一般为6 0 。～ 7 5 0 。 2 周边眼的布置包括合理的炮眼间距和光爆 层厚度。根据瑞典兰格福尔斯公式旧] ，周边炮眼间 距为 o 1 0 ～2 5 d 3 万方数据 爆破2 0 1 5 年6 月 式中，d 为炮孔直径，m m 。 最小抵抗线即光爆层厚度形为∽J W a ／m 4 式中，m 为装药密集系数，一般为0 ．8 ～1 ．0 。 为提高光面爆破效果，要求严格控制好周边眼 间距，炮眼打在巷道设计轮廓线上，眼底落在设计轮 廓线外1 0 0m m 处。 3 崩落眼的最小抵抗线一般为5 0 0 ～7 0 0m m ， 炮眼孔距一般取5 0 0 ～7 0 0m m ，以槽腔为自由面均匀 的布置在被爆岩体上。 1 ．6 延期时间的确定 巷道掘进爆破中除了掏槽眼以外的其他炮眼， 都必须在一个垂直自由面的基础上借助于其它炮眼 创造的平行自由面，使原来的一个自由面增加到两 个自由面，形成类似于台阶爆破的形式。巷道掘进 过程中，如果通过爆破方式产生平行无阻抗的新自 由面，就要在形成新自由面的时间基础上增加破碎 岩石脱离原岩的时问。巷道掘进爆破合理延期间隔 r 为形成新的自由面所需时间t ，与破碎岩石完全脱 离原岩所需的时间t 之和。根据A H 哈努卡耶夫公 式㈣ 2 形形￡，⋯ ‘l 2 百 V T pC O S 垦- 瓦 ‘5 ’ t 根据参考文献[ 1 0 ] ，即 ￡z 瓦Y 6 延期间隔r 为 丁1 ％2 琴 藤W 忐 钞 式中丁为井巷爆破的微差时间，S ；t ，为岩石破碎形 成新自由面所需的时间，S ；t 为破碎岩石完全脱离 岩体所需的时间，s ；W 为最小抵抗线，m ；C p 为岩石 的纵波速，m ／s ；／3 为爆破漏斗的锥顶角；V r e 为裂隙 纹扩展速度，取V r p 0 ．3 8 C 。；L 为裂纹宽度，取为 0 ．0 0 8 ～0 ．0 1m ；V c e 为岩石移动速度，m ／s ；Y 为岩石 抛离的距离，m ，对与周边眼和崩落眼Y W ，对于单 阶段掏槽眼或抛渣眼l ，为阶段高度；％为破碎岩石 的平均飞行速度，m ／s ；V r 1 5 5 1 3 7 A o J ，其中，A Ⅳ A ／A ，，A 、A ，分别为炮眼间距及其极限值。 1 ．7 起爆网路 爆破网路的优劣也是爆破成败的关键。为保证 起爆可靠性，电爆网路的连接采用全串联网路。 1 ．8 装药结构与堵塞 装药结构有正向装药和反向装药两种，从发挥 炸药的威力来看，反向起爆比正向起爆要更合理。 反向装药结构起爆时爆轰波由炮眼底部向外传播， 这与岩石的运动方向相同，有助于反射波拉伸破坏 岩石，增加破岩效果；另外，相对于正向起爆，反向装 药结构的起爆药卷距离自由面较远，爆生气体不会 立即从孔口泄露出去，增加了爆轰压力的作用时间。 为保证中空直眼的抛渣效果而采用反向装药结构， 其它炮眼均采用正向装药结构。 装药后，在每个炮眼孔口堵塞炮泥，保证炸药可 以充分反应，并使炮眼内具有较高的爆轰压力和较 长的作用时间。炮泥通常用粘土、砂或土砂混合材 料制作，炮眼的堵塞长度不少于炮眼长度的1 ／3 。 2 工程应用 2 ．1 工程概况 某煤矿巷道所穿过的岩石大多为玄武岩，灰绿、 暗紫色，块状坚硬，为多次喷出岩体夹白色砂岩及砾 岩。岩石的普氏系数在f 1 2 ～2 2 之间，属于特别 坚硬的岩石。巷道宽4 ．6m 、高3 ．2m 墙高1 ．6 7m 、 拱高1 ．5 3m ，净断面积1 3 ．2 3m 2 。掘进断面宽 4 ．8m 、高3 ．4m 墙高1 ．7 7m 、拱高1 ．6 3m ，掘进 断面积1 4 ．5 3m 2 。 由于巷道穿过的岩体特别坚硬，整个矿山岩巷 的循环进尺仅在1m 左右，炮眼利用率较低，大多都 在7 0 ％～8 0 ％左右。个别岩巷炮眼利用率甚至不 到5 0 ％，循环进尺仅在0 ．6m 左右。 2 ．2 爆破参数设计 根据上述设计原则炮眼直径采用3 8m m ；掏槽 爆破采用双阶垂直楔形掏槽方式，一阶掏槽眼，底部 间距2 0 0m m ，水平孔距9 0 0m m ，槽口高度3 0 0m m ， 孔深1 3 0 0m m ，与巷道断面夹角7 6 0 ；二阶掏槽眼，底 部间距3 0 0m m ，水平孔距1 3 3 0m m ，槽口高度 6 0 0m m ，孔深1 8 0 0m m ，与巷道断面夹角7 4 。；中空 直眼，孔深1 6 0 0m m ，眼底装抛渣药包。周边眼孑L 距 4 6 0 ～5 9 0m m ，底眼间距8 0 0m m ，光爆层厚度为 5 0 0m m ，装药密集系数m 为0 ．9 2 。崩落眼孔距 6 0 0 ～7 6 0m m ，其中一圈崩落眼按8 3 0 向内倾斜。 依据式 2 计算得炸药单耗为2 ．2 1k g ／i n 3 ，一 循环总装药量为4 3 ．7k g 。 为保证爆破的效果，需要选择合理的延期时问， 以保证岩石有充分的移动时间，形成良好得新附加 自由面。对裂隙不发育的玄武岩c ，取4 5 0 0m ／s ， 则％为1 7 1 0m ／s ；A 。，按爆破时岩石已充分破碎考 虑取0 ．9 5 ，则V r 2 4 ．8 5m ／s ；V c ，与K 近似相等；爆 破漏斗锥顶角口为9 0 。。对周边和辅助眼的最小抵 万方数据 第3 2 卷第2 期高文乐，周奥博，张强坚硬岩石巷道爆破掘进参数优化 6 7 抗线彤为0 ．5m ，代入式 8 得T 2 1 ．0 4m s ；对双 楔形的一阶掏槽孔深1 ．3m ，按堵塞长度为孔深的 1 ／3 ，最小抵抗线为0 ．5 7m ，代人式 8 得T 2 4 ．4 3m s ；选择延时间隔为2 5m s 的毫秒延期电雷 管，既满足中心孔充分抛渣为二阶掏槽孔创造良好 掏槽效果的条件，又满足崩落和周边形成良好新自 由面的要求，使整个全断面炮眼延期爆破都满足形 成良好的、无阻抗的新附加自由面的要求。 中空直眼采用反向装药结构，堵塞1 0e m 的炮 泥，剩余保持空眼；其余炮眼正向连续装药，然后连 续装填炮泥至孔口。钻眼时同类炮眼必须相互平 行，深度一致，要求炮眼偏斜率不大于1 ％。具体爆 破参数见表1 ，炮眼布置方式见图2 。 表1 爆破参数表 T a b l e1 B l a s t i n gp a r a m e t e r s ，4 多』 5 ，5J3 6 臻 互4 0 蹬8 2 翌硝 t ≮X 潮 致～Xf l 眦． 孳| 1 2 9 _ 6 6 图2 炮眼布置图 单位m m F i g ．2D i a g r a mo fb l a s t i n gh o l ep a t t e r n u n i t m m 3 爆破效果与总结 3 ．1 爆破效果 采用优化后的爆破方案进行掘进，取得了良好 的效果，炮眼利用率和循环进尺都有了一定的提高， 炮眼利用率达到8 5 ％以上，每循环工作面进尺达到 1 ．3 6m 。掘进速度大大提高，实现了高效、高质、安 全生产，经济效益显著提高。见表2 。 表2 爆破经济技术指标 T a b l e2T e c h n i c a l - e c o n o m i c a li n d e xo fb l a s t i n g 3 ．2 结论 1 采用双阶垂直楔形掏槽方式，以较少的炮 眼和较低的炸药单耗获得较大的掏槽体积，有利于 克服岩石的夹制作用。炮眼利用率由原来的7 0 ％～ 8 0 ％提高到8 5 ％以上，循环进尺由原来的1m 提高 到1 ．3 6m ，爆破效果明显改善。 2 中空直眼眼深比一阶掏槽眼深3 0 0m m ，为 装填抛渣药包提供空间，形成良好的抛渣效果，为形 成良好槽腔创造了条件。 下转第1 0 5 页 奎 7y 船 ∞ ∞ 矾 万方数据 第3 2 卷第2 期董晓军，杨元兵，贺红博，等复杂环境下病危烟囱抢险爆破 1 0 5 上接第6 7 页 3 良好的堵塞，可以避免爆生气体产物过早 的从炮眼中冲出，保证岩体破碎之前炮眼一直处于 高压状态，延长爆生气体作用时间，提高爆破效果。 4 现有钻孔设备和爆破器材性能的条件下， 在坚固性系数／ 1 2 ～2 2 的坚硬岩石巷道掘进中采 用1 ．6m 的炮眼深度是比较合理的。 5 采用2 5m s 的延时问隔，一阶掏槽眼起爆 后，岩石完全脱离岩体时，装填抛渣药包的中空直眼 和二阶掏槽眼恰好起爆，充分保证形成新自由面的 时间和破碎岩体抛离原岩的时间。若增加炮眼深 度，2 5m s 的延时间隔便不能保证新自由面的形成 和破碎岩体完全抛离原岩。这也从另一角度说明选 择1 ．6m 循环进尺是合理的。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 宗琦，任庆峰．煤矿硬岩下山巷道掘进中深孔爆破 技术试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 2 4 9 - 5 2 ． Z O N GQ i ，R E NQ i n g f e n g ．E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i d d e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g y i n d i p h e a dt u n n e l o f c o a l m i n eh a r dr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 1 ，2 8 2 4 9 5 2 ． i n C h i n e s e 余永强，王超，褚怀保，等．硬岩巷道中深孔爆破掘 进复楔形掏槽试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 2 9 5 - 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