破碎岩体内异形断面巷道掘进的光面爆破技术.pdf

第2 9 卷第1 期 爆破 V o I ．2 9N o 1 2 0 1 2 年3 月B L A S T I N G M a r ．2 0 1 2 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 2 ．0 1 ．0 0 9 破碎岩体内异形断面巷道掘进的光面爆破技术’。‘ 钟福生，陈建宏，范文录 中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要根据破碎岩体光面爆破参数的设计原理，结合开阳磷矿用沙坝矿区破碎矿体的实际条件。研究分 析了脉内异形断面巷道的合理光面爆破参数和炮孔布置形式。通过采用E P E 管对药卷闻距进行精确定位， 使之满足轴向和径向不耦合装药的设计要求。试验获得了良好的光爆效果。异形断面巷道成型良好，顶板基 本无直接冒项现象，为后续的锚网支护创造了良好条件。 关键词破碎岩体；光面爆破；异形断面；爆破参数；E P E 管；不耦合装药 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 2 O I 一0 0 3 4 0 6 S m o o t hB l a s t i n gT e c h n i q u eo fI r r e g u l a rS e c t i o nT u n n e l 7S E x c a v a t i o ni nB r o k e nR o c kM a s s z H o N GF u s h e n g ．C H E NJ i a n h o n g ，F A NW e n - l u S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 10 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e a s o n a b l es m o o t hb l a s t i n gp a r a m e t e ma n db l a s t i n gh o l e sl a y o u tf o ri r r e g u l a rs e c t i o nt u n n e lw i t h i n t h ev e i nW 8 8s t u d i e da n da n a l y z e db ya d o p t i n gt h ed e s i g np r i n c i p l eo fs m o o t hb l a s t i n gp a r a m e t e r sa n dt a k i n gi n t oc o n - s i , u t i o no ft h ea c t u a lc o n d i t i o n s t h eO r eb o d yi sb r o k e n i nY o n g - s h a b am i n i n gd i s t r i c to fK a i l i nP h o s p h o f i t e M i , ．’I h eE P E - t u b e sW a su s e dt ol o c a t ec a r t r i d g e sp r e c i s e l yt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fr a d i a la n da x i a ld e - c o u p l ec h a r g e ．T h eb l a s t i n gr e s u l ti ss a t i s f a c t o r y ，a n dt h ei r r e g u l a rs e c t i o nt u n n e lh a sf o r m e dag o o ds h a p e ，a n dt h e r e i sa l m o s tn or o o f - f a l la c c i d e n td i r e c t l y 。w h i c hc r e a t e sf a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rs u b s e q u e n tb o l ta n dm e s hs u p p o r tc o n s t r u c t i o n ． K e yw o r d s b r o k e nr o c kn m g s ；s m o o t hb l a s t i n g ；i r r e g u l a rs e c t i o n ；b l a s tp a r a m e t e r ；E P E t u b e ；d e c o u p l e c h a r g e 与普通的爆破法相比，光面爆破能有效地控制周 边眼炸药的爆破作用，从而减少对围岩的扰动，保持 围岩的稳定，确保施工安全，同时又能减少超、欠挖， 提高[ 程质量和进度j 。在破碎的岩体中掘进巷道 时，可适时应用光面爆破技术，合理地设计爆破参数 和施工工艺，以减轻振动和保护围岩。使巷道壁面达 收稿日期2 0 1 l l l 一2 4 作者简介钟福生 1 9 8 7 一 ，男．硕士研究生，从事矿崆系统工程．采 矿上艺研究， E m a i l y e l l o w r i b b o n s 1 6 3 ．c o r n ， 通讯作者陈建宏 1 9 6 3 一 ，男，教授，博士生导师，从事数字矿山、 矿业经济研究， E ．m a i l c j h 1 2 6 ．c o r n 。 基金项目国家f j 然科学基金资助项目 5 0 7 7 4 0 9 2 ；全困优秀博l 二 学化沦文专项资金资助 2 0 0 4 4 9 ；湖南省博士生科研创 新项目 1 9 6 0 - 7 1 1 3 1 1 0 0 0 6 1 到轮廓面平整的效果。但鉴于破碎岩体自身的特性， 欲取得同较坚硬致密岩石一样的光爆效果相当困 难【2 j ，必须设计好合理的光爆参数和装药结构。 开磷集闭用沙坝矿区采用机械化盘区分段中深 孔房柱空场采矿法开采矿体，该采矿方法需要再矿体 上盘掘进脉内分段凿岩巷道，凿岩爆破等工作均在此 巷道内进行，担负着较重的生产任务，由于矿体破碎， 需要采用光面爆破技术和合理的施工组织进行凿岩 巷道掘进工作，以保证巷道内工作人员的安全。 l 工程背景 用沙坝矿采用机械化盘区分段中深孔房柱空场 万方数据 第2 9 卷第1 期钟福生，陈建宏，范文录破碎岩体内异形断面巷道掘进的光面爆破技术 3 5 采矿法，分段脉内凿岩、分段出矿，分段高度8m ，分 段与分段之间采用脉外斜坡道相连。每个分段掘进 一条脉内凿岩出矿平巷，受矿体与上盘围岩分界面 的影响，脉内凿岩巷道并非完整的三心拱形，而是在 三心拱形的基础上被矿体自然倾角所切割，断面特 征和尺寸如图l 所示。开挖净断面积1 2 ．3m 2 。 1 ．1 矿区地质概况 用沙坝矿磷矿床属于浅海～滨海相大沉积磷块 岩矿床，矿体呈较稳定层状。占主导地位矿体走向 南北，倾向为2 8 0 。一2 9 0o ，为缓倾斜矿体，倾角 2 5o 一3 3o 。受断层影响，下盘矿体产状由北向南逐 渐变陡，并出现倒转，属于急倾斜矿体，平均倾角在 7 0o 左右。矿体较破碎，普氏系数厂 6 8 ，矿体厚 度变化不大，平均厚度6m 。本次光面爆破设计针 对的是急倾斜矿体内凿岩巷道的掘进。 矿体顶板线／ 图1脉内凿岩巷道设计断面图 单位m F i g ．1 T h ed e s i g n i n gC I O s S - s e c t i o no fr o c k - d r i l l i n g t u n n e li no r eb o d y u n i t m 1 ．2 岩石力学参数 凿岩巷道穿过的岩层为磷矿层，上下盘围岩和 磷矿层的岩石力学参数见表1 。各矿层的岩性特征 如下 1 矿层底板为灰绿色细砂岩，局部属中粒砂岩， 呈中厚层状产出，致密坚硬，普氏系数f 7 ．3 1 5 ．9 。 2 磷矿层由呈粒状结构，致密块状，条带状 构造的磷块岩构成。磷块岩菱形节理发育，沿节理 面有泥质充填，易冒落，不稳固／ 6 8 。 3 矿层顶板主要为含锰白云岩，局部地带为 鲡状白云岩及细晶白云岩。含锰白云岩，性脆，较破 碎，厚0 2I T I ，f 8 ～1 0 ，岩石爆破性能较好，较稳 固，易和F 部的泥质页岩一起冒落。鲕状白云岩及 细晶白云岩，致密坚硬／ 5 ．6 ～1 8 ．3 ，凿岩爆破性 能较差，较稳固，不易冒落。 4 软弱夹层局部地段的矿层与顶底板围岩 之间充填有软弱央层。上盘软弱夹层为一层厚0 0 ．5m 的黄、灰白色硅质页岩，呈强风化状态，易产 生滑动。下盘软弱夹层为棕褐色，黄褐色泥质页岩， 呈强风化状态，厚0 0 ．3m ，一般为几公分，遇水易 膨胀冒落，极不稳固， 2 ～3 。 2 方案设计 爆破参数的确定主要取决于所穿过岩层的工程 地质条件，其次是爆破施工时所采用的钻孔设备，炸 药类型等，巷道掘进的原始条件如表2 所示。在光 面爆破中，炮眼问距E 、最小抵抗线形、炮眼密集系 数m 、装药密度Q 是相互制约的。一般先确定与周 边眼相关的参数，然后根据周边眼参数和掏槽方式 确定整个断面的炮孔布置方式。 表1急倾斜矿体区域的岩石力学参数 T a b l e1 ’T h es t e e p l yi n c l i n e do r eb o d y ’Sr o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 表2 脉内凿岩巷道掘进的原始条件 T a b l e2T h ei n i t i a lc o n d i t i o n so fr o c k - d r i l l i n g t u n n e l ’Se x c a v a t i o n 项目名称数量 巷道断面规格 宽3 ．5 ；高4 ．2 ；面积1 2 ．3m 2 穿过岩层性质／ 6 9 ，整体破碎 涌水少量 钻眼设备凿岩台车i - 1 2 8 1 ；钎杆1 ．5m 炸药品种2 号岩石乳化炸药2 5 舢2 0 0m m 1 5 0g ； 和规格 3 2I T U n 2 0 0m m 2 0 0g 起爆器材非电毫秒雷管，导爆管，导爆索 2 ．1 炮孔直径和长度 受钻孔设备的限制，目前炮孔直径和长度的选择 主要根据钻孔设备的性能来确定。工程采用H 2 8 1 凿 岩台车凿岩，匹配1 ．5l I i 的钎杆，钎头直径4 1m m 。 炮孔直径D 4 2m l n ，掏槽眼长度L 。 2 ．1m ，辅助眼 和周边眼长度L 2 ．01 1 1 。 2 ．2 周边眼爆破参数 1 最小抵抗线形 最小抵抗线是光面爆破的重要参数，如果最小 万方数据 爆破 2 0 1 2 年3 月 抵抗线过大，光爆层不能很好的破碎下来，以至产生 根底；如果设计过小，则呵能导致围柑破坏，影响围 岩的稳定性3 。目前，最小抵抗线的确定一般足在 理论计算I 的基础一卜确定取值范I 割；冉根据T 程实 际经验选取。没有定型的计算公式。一般丌f 按W 1 0 一1 5 D 选取，取W 6 0 0i l l m 。 2 周边眼间距E 在确定最小抵抗线之后，周边眼f 自I ／f l i 町根据周 边眼的密集系数肌来确定，m E ／W 。实践表明，无 论是从最长的成缝距离还足从光爆对块度的要求， 合理的光嘶爆破炮孔密集系数m 值均应在0 ．7 ～ 1 ．3 之间，硬岩中取大值，软岩中取小值，4 。文献 [ 5 ] 的研究表明，在Ⅲ嘲岩中周边孔f H j 距在4 0 一 5 0c m 可获得良好的爆破效果，取m 0 ．8 ，则E 一 4 8 0m m ，E 值的大小在巷道顶底板和两帮会有不同 调整。凋整后的炮孔间距见炮孔布置图 图2 。 爝嗵S 蕊 ．蔷刃≥ ‰／。。鸬，。、乏 绷 4 ．1 ．1 6 0 l 苫5 t I 4 2 郇8 J 掣1 6 8 0 4 5 9 4 6 l O 一 o C I “ - 蔺二 lI 兮J 2 4 2 5 4 74 8 图2 爆破炮孔布置图 单位i n m F i g ．2 T h eb l a s t i n gh o l e s ’l a y o u td r a w i n g u n i t m m 序号 程譬 l 拱顶 2 ‘上帮 下帮 4 底板 3 炮孔堵塞长度￡。 为j ，充分利用爆炸能避，成堵塞一一定长度的炮孔。 但由于光| 直『爆破采用不耦合装药，炮泥佗置不易控制， 是光f 白f 爆破中的一项较为烦琐的工序，堵塞长度越大， 越小易控制‘。为保} - F 爆炸能最利用充分，须尽鞋减 小炮孔堵塞长度，但不可过小，否则会4 I j 应的大块率会 提高，其取值范围订『按k 0 ．6 3 ～0 ．8 8 W i t ‘算’7 。 4 不耦合系数 文献[ 3 认为，在破碎岩层内，较为理想的光面 爆破装药结构足空气问隙不耦合装药 K ． 1 ．5 ～ 2 ．5 。顶眼和帮眼的药卷采用2 5m m 直径的2 号 岩彳浮l 化炸药，故径向不耦合系数K ． D ／d 1 ．6 8 ， 其中d 为药卷直径。底眼仍按常规的爆破参数没 计，采用3 2m m 直径的2 号岩孑得L 化炸药。 轴向不耦合系数K 的计算需要根据每孑L 装药 量来确定，其计算公式如下 ％ 半 式中L 为炮眼长度；n 为单个炮孔药卷数；o 为单个 药卷的长度，口 2 0c m 。 计算出的K 2 如表3 所示。 5 线装药密度Q 为控制裂隙的发育，以保持新鹾面的完整稳固， 存保征炮孔连心线破裂的前提F ，应尽可能少装药。 装药量太大会损坏边坡壁面，孔壁破裂；太小光面层 岩较大，预裂面无法贯通，造成光面爆破失败‘8 。 在节理、裂隙发育的岩层内，周边眼的线装药密度应 该控制在0 ．1 2 0 ．2 2k g ／m 之间，同时拱部周边眼 的线装药密度会比边墙眼小一些。根据周边所在位 置不同，设计的线装药密度如表3 所示。 表3 周边眼爆破参数 T a b l e3T h ep e r i p h e r yh o l e s ’b l a s t i n gp a r a m e t e r s 径向不耦合轴向不耦合 炮孔间距一最小抵抗炮孔密集线装药密度／ 系数K l 系数坞 ／r a m 线／m m系数m k g f f l “ O ．1 5 0 O ．1 8 8 O ．1 8 8 0 ．2 7 5 由表3 确定的爆破参数计算出单孔装药量和药 卷数，可知顶眼和帮眼的每个炮孔需要分别布置 2 个和2 ．5 个2 5m m 直径的药卷即町。对于底眼， 需要布置2 个3 2m m 直径的药卷和1 个2 5h i m 直 径的药卷。光爆眼的装药结构如图3 所示。 2 ．3内圈眼 内圈眼的层数依据巷道断面大小而定，本工程 可布置2 层内蒯眼，由外而内分别编号为I 、Ⅱ。内 O 6 8 7 O O O 3 ～ ～ 8 8 6 5 0 O 7 7 m m ， ∞∞∞∞黜雠鲫啪∞∞∞∞ 5 5 5 5 O O O 3 5 4 4 3 8 8 8 ● 6 6 6 3 万方数据 第2 9 卷第l 期 钟福生，陈建宏，范文录破碎岩体内异形断面巷道掘进的光面爆破技术 3 7 圈眼的炮孔深度同周边眼相同，其孔距E ’和抵抗线 形’可按下列2 式计算。引 1 E ’ 1 ．4 1 ．5 E ，取E ’ 7 0 0m m ； 2 W ’ 0 ．7 ～0 ．9 E ’，取咿’ 6 0 0a m 。 计算后的结果需要根据炮孔布置的需要而略有 调整，调整后的炮孔间距如图2 所示。 顶眼 帮眼 底眼篓班爱函受箍蠲一生Q Q - I ≥垒Q ．I Z 生I 2 兰Q 1 2 Q Q l ≥≥Q - 1 2 11 2 I 1 一炮泥；2 一导爆索；3 一完整的2 5m m 直径药卷； 4 _ _ o ．5 个2 5m i l l 直径药卷；5 一完整的3 2i l i a 直径药卷 图3 光面爆破孔装药结构 单位r a m F i g ．3 T h es m o o t hb l a s t i n gh o l e s ’c h a r g es t r u c t u r e 、u n i t m m 2 ．4 掏槽 走茚日扩槽眼 采刚直眼桶型掏槽，布置存巷道的几何中心处。 先钻1 个直径5 0m m 的空孔，然后在空孔四周布置 4 个4 2m m 直径的装药眼，装药眼至空孔距离为 1 5 0m m 。为了在掏槽眼爆破后及时清理出岩渣，以 便形成槽腔，需在空眼底部装入1 个2 51 1 2 1 1 1 直径的 药卷，因此空眼的长度要比装药眼长2 0 0m m 。即掏 槽眼中，装药眼的深度为2 ．1m ，空眼深度2 ．3I n 。 为形成更大的槽腔，在掏槽跟和二圈跟之间布 置4 个扩槽眼。扩槽眼与掏槽眼之间的间距为 5 0 0m m 。 2 ．5 炮眼装药量的确定 因炮孔所在位置不同，装药量要有所区别。周 边眼装药量依据表3 确定的装药系数计算。掘进的 掏槽爆破效应按弱抛掷爆破计算装药量，内圈眼和 扩槽眼爆破效应类似于崩落爆破，可按照松动爆破 确定装药量u0 | 。装药量计算公式为 Q 。 q V f ／／, 6 ／札，厂 凡6 0 ．4 0 ．6 n 式中Q 。为炮眼的2 号岩石炸药单孔装药量；q 为岩 石爆破的炸药单耗，取q 1 ．3 6k s ／m 3 ；V 为爆破岩石 的体积；巩爆破作用指数，对于掏槽眼，其值为 0 ．8 ～0 ．9 ，对于扩槽眼和内圈眼，直接取f ／1 , 。 0 ．3 5 一O ．5 5 ；M 为炮眼个数。计算后各炮眼装药量只 是一个参考值，还需要根据类似工程和本工程的具体 条件进行调整，计算调整后的各炮孔装药量见表4 。 表4 炮眼布置参数和装药量 T a b l e4 B l a s t h o l e s ’l a y o u tp a r a m e t e r sa n dp o w d e r e dc h a r g e 说明l 圈眼、顶眼、帮跟采用2 5m 脚直径药卷；底跟采用2 5m m 和3 2I B m 直径药卷混合装药；掏槽眼、扩槽跟、I I 圈跟均采 用3 2l l m l 直径药卷；空孔清渣药卷1 5 0g ；总药量2 1 ．8k g 。 3 光爆工艺与试验效果 3 ．1 钻孔施工 钻孔前，测量人员用经纬仪和水准仪，准确定出 巷道中心线和拱顶高程；用红油漆画出开挖轮廓线， 并标出炮眼位置，其误差不得超过5c m ；每次测量 放线的同时，要对上次爆破断面进行检查，及时调整 爆破参数，以达到最佳爆破效果。 炮眼的深度、角度均按设计好的参数施工⋯1 ， 内圈眼排距、行距误差均不能大于5c m 。周边眼的 开眼位置在设计断面轮廓线上内移1 0c m ，炮眼方 向以3 ％的斜率外插，内圈眼至周边眼的排距误差 不得大于5c m 。当开挖面凹凸较大时，应按实际情 况调整炮眼深度 相应调整装药量 ，力求所有炮眼 除掏槽眼外 眼底在同～平面上引。 3 ．2 装药填塞 在本矿区以往的光面爆破施工中发现，周边眼 能否严格地按照设计要求进行装药是影响光爆效果 的一个非常霞要的原因。许多工程在周边眼装药 时，采用竹片或者炮泥作为控制轴向不耦合装药的 万方数据 爆破 2 0 1 2 年3 月 一个手段引。但是这种方法增加了施工的复杂性 和不精确性，不仅延长了装药填塞时间，而且不能很 好的控制药卷与药卷之间的间距。本工程利用E P E 空心鸶进行孔外药卷定位，按照设计好的药卷间距 值将药卷装入E P E 管内，随后再将整个装有药卷的 E P E 管塞入炮孔内，从而孑L 内药卷之间距离町按照 设计精确布置，保证光l 矗f 爆破效果。为充分利用炸 药爆炸能餐、控制爆破效果，装药完后，需用炮泥堵 塞炮孔，其中掏槽眼堵塞4 0 0m m ，辅助眼及内圈跟 堵塞5 0 0 6 0 0m m ，周边眼堵塞长度为2 0 0 3 0 0m i l l o 3 ．3 连网爆破 使用非电毫秒雷管加导爆管连接导爆索并联网 络一次起爆；同类炮眼相同雷管段数，不同类炮眼雷 管段数不同；即掏槽眼，扩槽眼，I 圈眼，I I 圈眼，周边 眼。起爆顺序掏槽眼_ 扩槽眼一I 圈眼一I I 圈眼_ 周边眼。 3 ．4 试验效果与材料消耗指标 光面爆破试验在用沙坝矿S 4 盘区1 0 8 0 分层的 S 4 、s 5 采场脉内巷道进行试验，共掘进脉内凿岩巷 道6 0m ，平均每次爆破进尺2m ，爆破后成异形断 面，成型效果良好；超 欠 挖量1 5m m 以下，直接顶 板无垮塌，顶板控制较好；且巷道顶帮破碎矿体基本 无垮落现象；为后续喷浆及锚网联合支护作业创造 了良好条件。表5 为光爆试验材料消耗指标，相比 普通钻爆法巷道掘进的材料消耗，虽有所增加，但却 大大改善了作业安全条件，降低了因垮塌事故而造 成的施工中断率。 表5 光面爆破材料消耗指标 T a b l e5T h em a t e r i a lc o n s u m p t i o ni n d e x 开挖预计钻孔总装单位耗孔 单位消 单位消雷管 面积进尺总长药量量／ 个 药量／ 管量／数／ ／m 2 ／m ／m ／k sm 。 k s m 。 个n l 。 个 1 2 ．329 9 ．1 2 1 ．9 2O ．8 924 9 4 结语’ 通过用沙坝矿脉内凿岩巷道光面爆破试验，探 讨研究出适于破碎岩体异形断面巷道光面爆破新技 术，从试验研究中得出以下结论 1 破碎软岩巷道光面爆破中，周边眼间距取 5 0 0 6 0 0m m ，径向装药不耦合系数为1 ．5 1 ．7 时，光面爆破效果最佳；通过控制周边眼布置方式， 爆破形成沿矿体顶板切割的异形断面巷道，巷道成 型效果好。 2 通过光面爆破技术的使用，最大程度上减 小了爆破震动对顶板的影响，防止冒顶片帮，工人作 业安全性提高，并为后续喷浆锚网联合支护创造良 好条件。 3 光面爆破技术的成功应用，为矿山取得了 较好的经济效益，炸药、雷管等材料消耗量减少，技 术经济指标合理，适宜在类似矿山破碎岩体中加以 推广应用。 参考文献 R e f e r e n c e s [ I ]方崇．基于燕尾突变理论光面爆破效果的综合评价 [ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 4 0 ．4 2 ，4 7 ． [ 1 ] F A N GC h o n g ．C o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fs m o o t hb l a s t r e s u l tb a s e do ns w M l o wc a t a s t r o p h et h e o r y [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 1 0 ，2 7 4 4 0 4 2 ，4 7 ． i nC h i n e s e [ 2 ]宗琦．软岩巷道光面爆破技术的研究与应用[ J ] ．煤 炭学报，2 0 0 2 ，2 7 1 4 5 - 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