全断面光面爆破技术在坚硬岩巷掘进中的应用.pdf

第 31 卷 第 3 期 2014 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 3  Sep. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 03. 016 全断面光面爆破技术在坚硬岩巷掘进中的应用 刘俊轩 1， 栾龙发1， 张智宇1， 李祥龙1， 梁 成2 （1. 昆明理工大学 国土资源工程学院， 昆明 650093； 2. 会理县兴隆矿业开发有限责任公司， 凉山 615000） 摘 要 为了保证在矿山巷道开挖过程中， 最大限度地减少对围岩的破坏， 提高爆破效率， 采用全断面光面 爆破技术。针对巷道断面面积较大且岩层坚硬等情况， 对爆破方案、 复合掏槽方式和单螺旋形掏槽方式、 爆 破参数和炮孔布置等进行了精心的设计。掏槽形式为单螺旋形掏槽方式， 平均孔深 2 m， 炮孔数 72 个。结 果表明， 平均循环进尺达到 1. 7 m， 炮孔利用率大于 85豫， 提高了巷道的掘进速度和成巷质量。现场应用取 得了良好的爆破效果， 确保了会理县兴隆矿业矿山巷道全断面开挖的成功。 关键词 坚硬岩层；全断面；光面爆破；掏槽形式；爆破参数；爆破效果 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 03 -0080 -05 Application of Whole Section Smooth Blasting Technology in Hard Rock Drift Driving LIU Jun-xuan1， LUAN Long-fa1， ZHANG Zhi-yu1， LI Xiang-long 1， LIANG Cheng2 （1. Faculty of Land and Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China； 2. Huili County Xingiong Mining Development Co Ltd， Liangshan 615000， China） Abstract In order to ensure the drift driving process in mine and minimize the damage of surrounding rock and to improve the blasting efficiency， the drift driving with whole section smooth blasting technology was used. In view of the larger drift cross-section area and hard rock， the blasting scheme， mixed cut mode and helix cut mode， blasting parameters and blast-hole layout were elaborately designed. The whole section smooth blasting technology， with the single spiral cut way and average 2 m depth and 72 holes， was designed. The results show that the average cycle driv- ing length reached 1. 7 m， and the utilization ratio of blasting holes was more than 85豫， which improved the drifting speed and quality. The application achieved good blasting effect， and ensured whole section excavation blasting suc- cessfully. Key words hard rock；whole section；smooth blasting；cutting ；blasting parameter；blasting effect 收稿日期 2014 -05 -05 作者简介 刘俊轩 （1988 - ） ， 男， 昆明理工大学在读硕士， 研究方向 工程爆破，（E-mail） 820678162 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51304087） 光面爆破是按照巷道断面的设计轮廓线合理布 置周边孔、 采用合理的装药结构、 选用适量的炸药而 进行的一种控制爆破。光面爆破的基本出发点是控 制爆破的作用范围和方向， 尽量减轻对围岩的扰动， 使爆破后的巷道围岩现状规整、 光滑， 符合设计的要 求 ［1， 2］。 光面爆破分为全断面一次爆破和预留光面层爆 破两种 ［1］。一般情况下， 在Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ级围岩地段 采用全断面方法， 当巷道断面较大时， 多采用预留光 面层法。其中， 全断面光面爆破， 是应用光面爆破技 术， 对巷道实施全断面一次开挖的一种科学的施工 方法， 它与传统的爆破法相比， 最显著的优点是能有 效地控制周边孔炸药的爆破作用， 其中在隧道、 地铁 等对周边轮廓要求较高的爆破施工中应用较多， 效 果较明显， 可形成规则、 光滑、 符合设计要求的轮 廓 ［3］。同时对围岩的扰动范围小， 可有效地减少应 力集中所引起的塌方现象， 有利于围岩稳定， 从而确 保施工安全， 同时， 又能减少超、 欠挖， 提高工程质量 和进度， 加快了巷道施工的速度， 大大降低了施工的 成本。 1 工程概况 四川会理县兴隆矿业开发有限责任公司， 为了 进行矿区探矿和运输矿石的需要， 在新发镇野猪洞 修建一条巷道断面为直墙半圆拱形、 全长 1400 m、 净宽 4 m、 净高 5 m、 断面面积为 18. 28 m2的运输巷 道。根据实地勘察和实验结果， 巷道的岩层主要为 花岗岩、 矽卡岩， 局部地段为闪长岩。花岗岩的稳固 性较好， 岩石的可爆性较差， 矽卡岩节理较发育、 易 碎， 稳固性差， 可爆性较好， 矿岩接触带一般为矽卡 岩， 预计该巷道掘进中可能有滴、 淋水现象。总体来 说围岩较矿石稳固， 岩石坚固性系数 f 10 耀12。巷 道周围主要为林地， 树木茂盛， 无高压电缆线及保护 性建筑物， 爆破作业条件良好。 2 爆破方案与爆破参数设计 2. 1 爆破方案 爆破施工要求确保施工安全， 减少对围岩的破 坏； 控制巷道超欠挖， 保证巷道的质量和加快施工进 度。根据现场爆破试验， 通过普通爆破技术掘进与 全断面光面爆破技术掘进两种方案进行对比， 得出 了采用全断面光面爆破技术掘进， 爆破效果较好。 因此， 在四川省会理县兴隆矿业开发有限责任公司 矿山道路巷道施工中， 选用的是全断面光面爆破一 次成型法。 2. 2 光面爆破的参数确定 光面 爆 破 参 数 的 选 择 主 要 与 地 质 条 件 有 关 ［4， 5］， 其次是巷道开挖断面的形状与尺寸、 炸药的 品种与性能等有关， 合理的爆破参数是确保光面爆 破的关键。此次巷道掘进采用全断面一次爆破技 术， 开挖时采取拱部弧形布孔开挖方式， 以便光面爆 破创造有利的条件。 根据巷道的地质条件， 本巷道掘进所采用的炸 药是 2 号岩石乳化炸药， 药卷为 32 mm 200 mm， 重 200 g； 凿岩设备为具有较高冲击功的新型 YT-28 型气腿式岩石风动凿岩机 8 台， 配用长度 2. 5 m 的 钎杆及直径 38 mm 的球齿型钎头， 炮孔直径40 mm。 2. 2. 1 炮孔直径 （d） 及炮孔深度 （L） 炮孔直径是由凿岩设备以及所用炸药的药卷直 径共同决定， 该工程采用的是 2 岩石乳化炸药， 药 卷直径为 φ 32 mm。为了保证药卷得于顺利放入孔 内， 同时提高钻孔效率， 实际工程中采用的 是 φ 40 mm的孔径。 炮孔深度的大小， 不仅影响掘进工序的工程量 和完成各工序的时间， 而且影响爆破效果和掘进的 速度， 它是决定每班掘进循环次数的主要因素。然 而， 炮孔深度不宜过大， 一般最大炮孔深度取断面宽 度 （或高度） 的 0. 5 耀0. 7 倍。 考虑到凿岩机的使用效率以及实际情况， 除了 掏槽孔和底孔深度为 L 2. 2 m ， 其余周边孔、 辅助 孔等炮孔深度均为 L 2. 0 m。 2. 2. 2 周边孔间距 （a） 和最小抵抗线 （W） 周边孔对围岩起到直接保护的作用， 其参数应 严格控制。合适的炮孔间距应该使炮孔间形成贯穿 裂缝。根据实践经验， 周边孔间距经验取值为 a （8 耀18） d。式中 a 为周边孔间距， mm； d 为炮孔直 径， mm。根据试验统计， 在实际使用过程中， a 值取 500 mm。 最小抵抗线即光爆层厚度， 光面爆破的最小抵 抗线 W 可以由经验公式 W （10 耀 12） d 来确定。 实际取 W 550 mm。 2. 2. 3 周边孔密集系数 （m） 周边孔密集系数是指孔距 a 与最小抵抗线 W 之比值， 是光面爆破参数确定中的一个关键值。周 边孔间距与最小抵抗线必须具有一个适当的比值， 使贯穿裂缝与拉断裂缝同时形成。一般情况下， 软 岩可取 0. 6 耀0. 7， 硬岩可取 0. 8 耀1. 0。实际中 m 0. 91， 符合硬岩取 0. 8 耀1. 0 的要求。 2. 2. 4 掏槽形式的选择 掏槽形式是影响爆破效率和爆破质量的重要因 素之一， 每一次循环炮孔利用率很大程度上决定于 掏槽的质量。因此， 掏槽在巷道掘进中非常关键。 选用时应考虑地质条件、 施工的可行性、 爆破效果和 经济的合理性等方面的因素。目前， 国内外较坚硬 岩石巷道掘进爆破， 最常用的掏槽形式是直孔掏槽 和垂直楔形掏槽 ［6］。根据实际情况选用复合掏槽 和单螺旋形掏槽方式进行掘进巷道试验。 （1） 复合掏槽 此次试验的复合掏槽是由垂直楔形掏槽和直眼 掏槽两者相结合的方法， 复合掏槽充分发挥了垂直 楔形和直眼掏槽的优点 ［4］。但掏槽中所有炮孔采 用同等深度， 施工难度较大， 掏槽孔方向不易控制， 与工人平时操作习惯变化较大， 同排掏槽孔底不易 落于一个平面上。 18第 31 卷 第 3 期 刘俊轩， 栾龙发， 张智宇， 等 全断面光面爆破技术在坚硬岩巷掘进中的应用 垂直楔形掏槽的掏槽孔水平布置， 炮孔与开挖 面间的夹角 a、 上下两对炮孔的间距 a 和同一水平 上一对掏槽孔孔底间距 b 等参数选用根据表 1 经验 数据参考。 表 1 垂直楔形掏槽爆破参数 Table 1 Blasting parameters of vertical wedge cut 围岩级别a斜度比a/ cmb/ cm炮孔数量/ 个 Ⅳ级以上75 耀80 1 0. 27 耀1 0. 1870 耀80304 Ⅲ级75 耀80 1 0. 27 耀1 0. 1860 耀70304 耀6 Ⅱ级70 耀75 1 0. 37 耀1 0. 2750 耀60256 Ⅰ级55 耀70 1 0. 47 耀1 0. 3730 耀50206 根据上表， 试验中各参数的选取为 a 75， a 50 cm， b 25 cm， 复合掏槽孔孔深2.2 m。见图1。 图 1 复合掏槽炮孔布置示意图 （单位 cm） Fig. 1 Borehole layout of mixed cut mode （unit cm） （2） 单螺旋形掏槽 螺旋形掏槽是由桶状掏槽演化发展而来 ［7， 8］， 其特点是以中心孔为空孔， 各装药孔到空孔之间的 距离依次递增， 其装药孔呈螺旋线布置， 并按由近及 远的顺序依次起爆， 形成了非对称的桶形， 能充分利 用自由面， 扩大掏槽爆破效果。在单螺旋形掏槽布 置中， 空孔与各装药孔之间的距离可由炮孔直径 d 来确定。根据岩石的坚硬程度， 中心空孔至周边装 药孔之间的距离一般由下列公式确定 L1 （1. 0 耀 1. 8） d； L2 （2. 0 耀 3. 5） d； L3 （3. 0 耀 4. 5） d； L4 （4. 0 耀5. 5） d。 岩石坚固性系数 f 10 耀 12， 炮孔直径 d 40 mm， 根据上述经验公式， 结合巷道实际断面， 选 取 L1 70 mm、 L2 140 mm、 L3 180 mm、 L4 300 mm。此次试验的单螺旋形掏槽中， 布置 3 个空 孔， 深度为 2. 3 m， 其作用是产生足够的空腔体积， 从而满足岩石的充分破碎扩胀， 进而被抛出槽外； 布 置 4 个装药孔， 深度为 2. 2 m。布置如图 2 所示。 （3） 两种掏槽方式试验结果 根据设计的复合掏槽、 单螺旋形掏槽两种掏槽 方案， 先后进行了 6 次爆破试验。试验结果见表 2 所示。 图 2 单螺旋掏槽炮孔布置示意图 （单位 cm） Fig. 2 Borehole layout of single helix cut mode （unit cm） 表 2 巷道两种掏槽方式爆破试验结果 Table 2 Results of blasting in two cutting mode 试验 编号 掏槽 方式 孔数 循环用时/ min 平均炮孔 深度/ m 1复合掏槽672302. 0 2单螺旋形掏槽69 （3）2102. 0 试验 编号 装药量/ kg 进尺/ m 炮孔利用 率/ 豫 炸药单耗/ （kgm -3） 173. 81. 3673. 11 276. 61. 7852. 46 注 ①括号内的数字表示包含的空孔数量； ②巷道净断 面面积均为 18. 28 m2； ③4 台 YT-28 风动钻机同时作业， 两 种掏槽方式均试验 3 次； ④循环用时表示每次循环进尺钻孔 所需时间。 复合掏槽方式断面爆破后轮廓成形不规则， 掏 槽部分呈阶梯状凹进， 有部分残余孔， 围岩中有少量 危石， 爆破后大块出现率较高， 超欠挖量没有突破规 定的指标。炮孔利用率较低， 炸药单耗较大。通过 现场施工情况表明 由于岩层坚硬， 且掏槽中所有炮 孔采用同等深度， 施工难度较大， 掏槽孔方向不易控 制， 与工人平时操作习惯变化较大， 同排掏槽孔底不 易落于一个平面上， 循环用时较长。 单螺旋掏槽方式断面爆破后轮廓成形比较规 28爆 破 2014 年 9 月 则， 岩面平整， 符合设计的要求， 超欠挖量没有突破 规定的指标， 爆破形成的渣石块度适中， 岩面上的半 孔率达到 75豫以上。单螺旋掏槽施工简单， 与工人 平时操作习惯相近， 施工方便， 工人容易掌握， 能确 保凿眼质量， 爆破效果明显优混合楔形掏槽。 试验表明， 在坚硬岩层爆破中， 采用单螺旋形掏 槽的布眼方式， 爆破效果良好， 因此该工程采用单螺 旋形掏槽的布孔方式。 2. 2. 5 炮孔装药量 一个循环的总装药量为 Q qSLbη（1） 式中 q 为单位炸药消耗量， kg/ m3； S 为巷道掘 进断面面积， 取 18. 28 m2； Lb为炮孔平均深度， Lb 2. 0 m； η 为炮孔利用率， 取 90豫。 单位炸药消耗量 q 可按修正的普氏公式计算 得出 ［4］ q 1. 1k0 f 槡 S （2） 式中f 为岩石坚固性系数，f 10 耀12； k0为考 虑炸药爆力的校正系数， k0 525/ p， p 为爆力， p 260 mL； 其它符号同前。经计算得 q 1. 64 耀 1. 80 kg/ m3。 工程类比 参照已有的类似工程地质条件、 掘进 条件的巷道掘进爆破资料， 平均岩体单位耗药量为 2. 5 kg/ m3。 根据以上计算， 选取每循环单位岩体炸药消耗 量 q 2. 2 kg/ m3。 由式 （1） 计算得 Q 72. 4 kg。 2. 2. 6 炮孔数目 炮眼的数目包括 周边眼数目 N1； 掏槽眼、 辅助 眼和底眼的数目 N2。 （1） 周边眼数目 N1为 ［1］ N1 BL- B a 1（3） 式中 B 为巷道掘进宽度， 取 4 m； a 为周边眼的 平均间距， 取 0. 50 m； BL为巷道开挖断面周长， m。 BL可按式 BL 槡 cS近似计算。式中 c 为巷道现状 系数， 对于拱形巷道， c 3. 86。 经计算得 周边眼数目 N126 个。 （2） 掏槽眼、 辅助眼和底眼的数目 N2 N2值按一次爆破所需要的总装药量减去周边 眼装药量， 使剩余的药量平均分配到 N2内来计算。 N2 Q - N1L1q1 Q0 （4） 式中 Q 为一个循环的总装药量， kg； q1为周边 眼每米装药量， kg/ m， 可参考表 3 选取， 此处取 0. 3 kg/ m； Q0为辅助眼和掏槽眼， 每个炮眼内的平 均装药量， kg。L1为周边眼的平均深度， 取 2. 0 m。 Q0 τ 0L0γ0 （5） 式中 L0为辅助眼和掏槽眼的平均深度， 取 2. 0 m； γ0辅助眼和掏槽眼每米药卷的炸药重量取 1. 0 kg/ m； τ0装药系数 τ （装药长度与炮孔长度之 比） ， 一般取 0. 5 耀0. 7， 此处取 0. 65。 表 3 巷道光面爆破常用参数 Table 3 Common parameters of smooth blasting in drift 岩石类别周边眼间距 a/ cm 周边眼最小 抵抗线 W/ cm 密集系数 （m a/ W） 周边眼装药集中度/ （kgm -3） 硬岩55 耀7070 耀850. 8 耀1. 00. 30 耀0. 35 中硬岩45 耀6060 耀750. 8 耀1. 00. 20 耀0. 30 软岩30 耀5040 耀600. 5 耀0. 80. 07 耀0. 15 经计算得 掏槽眼、 辅助眼和底眼的数目 N2 44 个。 实际工程中的炮孔总数是 72 个， 其中包括 3 个 中心空孔。 2. 2. 7 炮孔布置 根据围岩情况， 通过现场多次试验和爆破参数 不断调整， 确定了合理的炮孔布置方式。炮孔布置 如图 3 所示。 全断面光面爆破炮孔及药量分配计算结果如表 4 所示。 2. 2. 8 爆破网路 采用非电起爆网路， 掏槽孔、 辅助孔、 两侧的边 墙孔和底板孔均采用非电组合雷管； 拱顶孔采用导 爆索入孔外接非电组合雷管。为保证快速掘进为了 减少一次起爆的装药量以及降低爆破震动， 采用毫 秒延时起爆网路， 具体雷管段别见表 4。 起爆的顺序是 先起爆掏槽孔； 接着起爆辅助 孔； 第三次依次起爆崩落孔①、 崩落孔②和崩落孔 ③， 共 22 个； 第四次起爆边墙孔； 第五次起爆拱顶 孔； 最后起爆底板孔。 38第 31 卷 第 3 期 刘俊轩， 栾龙发， 张智宇， 等 全断面光面爆破技术在坚硬岩巷掘进中的应用 图 3 炮孔布置平面图 （单位 cm） Fig. 3 The plan of blasting holes layout （unit cm） 网路连接有次序地从掏槽孔开始往两侧进行， 连线方式采用并串联结合。利用电雷管击发网路， 用起爆器作为电雷管的电源。 3 爆破效果及体会 采用全断面光面爆破技术 （掏槽方式单螺旋掏 槽法） 进行施工， 在精心组织和严格要求下， 此次爆 破有效的提高了工作面的工作效率， 平均循环进尺 1. 7 m， 炮孔利用率大于 85豫， 巷道成形质量好， 有 效控制了大断面隧道的超欠挖现象。 通过本工程的爆破实施， 有以下几点体会 （1） 通过现场爆破效果可知， 选用合理的掏槽 方式及爆破参数， 能满足大断面硬岩巷道开挖的要 求， 且巷道光面爆破效果较好， 提高工作效率的同时 也满足巷道质量要求。 （2） 施工中， 要尽可能使辅助孔、 崩落孔和周边 孔的孔底保持在同一平面上， 爆破后以获得较平整 的掌子面。 表 4 全断面光面爆破炮孔及药量分配 Table 4 Distribution of holes and explosive charges for whole section smooth blasting 炮孔 名称 炮孔 编号 孔深/ m孔数 单段炮孔 钻进/ m 单孔装药 量/ kg 总装 药量/ kg 爆破 顺序 装药 结构 中空孔1 耀32. 338. 1 掏槽孔4 耀72. 248. 81. 45. 6Ⅰ （1 段雷管）连续 辅助孔8 耀172. 01020. 01. 313. 0Ⅲ （3 段雷管）连续 崩落孔①18 2. 012. 01. 31. 3Ⅴ （5 段雷管）连续 崩落孔②19 耀30 2. 01224. 01. 315. 6Ⅵ （6 段雷管）连续 崩落孔③31 耀39 2. 0918. 01. 311. 7Ⅶ （7 段雷管）连续 边墙孔40 耀492. 01020. 00. 66. 0Ⅷ （8 段雷管）间隔 拱顶孔50 耀632. 01428. 00. 68. 4Ⅸ （9 段雷管）间隔 底板孔64 耀722. 2919. 81. 412. 6Ⅹ （10 段雷管）连续 合计7274. 2 （3） 针对不同的围岩地质条件， 对同级围岩， 根 据其岩石构造、 破碎程度等不同情况， 选取不同的光 爆参数和掏槽方式， 满足现场施工的需求， 同时也尽 可能的减少炸药消耗和钻孔工作量， 最大程度上优 化爆破施工组织， 提高钻爆施工的经济性和适用性， 且获得比较理想的爆破效果。 （4） 严格要求、 精心检查确保装药质量、 炮孔堵 塞质量以及炮孔的数量和质量是提高爆破效率的有 效方法。 （5） 管理人员要加强现场的安全管理和施工管 理， 认真检查是否出现安全隐患， 发现问题及时上报 和整改， 确保工作能顺利的进行。 参考文献 （References） ［1］ 顾义磊， 李晓红， 杜云贵， 等. 隧道光面爆破合理爆破 参数的确定 ［J］ . 重庆大学学报 （自然科学版） ， 2005， 28 （3） 95-97. ［1］ GU Yi-lei， LI Xiao-hong， DU Yun-gui， et al. 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