超大斷面豎井深孔爆破成井技術

史秀志，邱賢陽，聶 軍，李必紅

（1.中南大學 資源與安全工程學院，長沙410083；2.中國有色金屬建設股份有限公司，北京100029；3.國防科學技術大學 指揮軍官基礎教育學院，長沙410073）

超大斷面豎井深孔爆破成井技術

史秀志1，邱賢陽1，聶 軍2，李必紅3

（1.中南大學 資源與安全工程學院，長沙410083；2.中國有色金屬建設股份有限公司，北京100029；3.國防科學技術大學 指揮軍官基礎教育學院，長沙410073）

為實現超大斷面豎井高效掘進，提出基于多孔球狀藥包爆破和預裂爆破的深孔爆破成井技術。首先根據豎井掘進深度大、斷面大的特點，設計了導井爆破、基于預裂爆破的側崩爆破和破頂爆破的分區爆破方案；同時根據多孔球狀藥包爆破漏斗理論和延時爆破降振機理，提出導井精確短延時爆破成井技術，通過理論計算確定了導井爆破同層短延時時間和層間延時時間等爆破參數；基于預裂爆破作用機理，確定了周邊孔預裂爆破參數。最后將研究結果在引松供水工程超大斷面豎井掘進中進行現場試驗，成功爆破形成了直徑20 m、高度50 m的調壓井。試驗結果證明了深孔爆破成井技術應用于超大斷面豎井掘進的可行性，研究結果具有廣泛的推廣應用前景。

深孔爆破成井；超大斷面豎井；預裂爆破；延時時間

1 引言

豎井（天井）在采礦工業、港口建設、機場建設、電站建設等工程中發揮著不可代替的作用，其高效掘進方法是工程建設中的一項關鍵技術﹝1﹞。天井掘進主要有四種方法：普通法、吊/爬罐法、機械鉆井法、深孔爆破成井法。普通法和吊/爬罐爆破法掘進天井，均需要作業人員在井內經過多道繁瑣而辛苦的工序，工作環境惡劣、安全性差、成本高、效率低﹝2﹞。機械鉆井法雖然不需要作業人員在井內施工，工作環境好、安全，但施工機械龐大，施工準備時間長，設備購置費用高，尤其是施工機械本身還有待完善，因而應用受到限制﹝3﹞。相比之下，深孔爆破成井法具有安全性高、工期短、施工工序簡單、費用低等優點，已成為天井掘進的重點推廣對象﹝4-6﹞。

國內外學者對深孔爆破成井技術開展了大量研究，取得了豐碩成果。李啟月等﹝7﹞提出了多孔球狀藥包爆破及直孔掏槽爆破兩種深孔爆破成井模式，分析了一次爆破成井的技術難題，并提出相應解決措施；李金躍等﹝8﹞從孔位參數、起爆方式、分層高度等角度對球狀藥包爆破成井的夾制性進行了分析，并成功進行了多孔球狀藥包爆破一次成32 m充填井試驗；李延春等﹝4，9﹞對超深孔爆破一次成井的起爆時差、起爆順序、封堵長度和施工工藝進行了研究。綜合國內外研究成果發現，深孔爆破成井大多應用于斷面較小的天井掘進，未見有應用于斷面積大于50 m2天井的文獻報道。本文以引松供水工程調壓井掘進為依托，研究采用基于預裂爆破的深孔爆破法形成超大斷面豎井，結合現場施工情況設計了分區爆破方案，通過理論計算確定導井爆破延時時間參數和預裂爆破參數，采用高精度雷管實現精確短延時導井爆破和預裂爆破，確保形成光滑壁面和降低爆破振動，最終成功爆破形成直徑20 m、高度50 m的調壓井。

2 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標段位于吉林市岔路河至飲馬河之間，線路樁號為48＋900～71＋855 m，總長度為22 955 m。在飲馬河分水口之前設置直通地表的調壓豎井，調壓井位置如圖1所示。調壓豎井直徑為20 m，深度為50 m，井筒形式為簡單圓筒式。調壓井井口處山勢陡峭，植被不發育，調壓井平面如圖2所示。

圖1 調壓井位置Fig.1 Location of surge shaft

圖2 調壓井平面圖Fig.2 Plan of surge shaft

調壓井部位主要巖性為凝灰質砂巖，致密堅硬，巖石堅固系數f＝10～12，巖層穩固性較好，巖石松散系數為1.5，巖石物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

3 爆破方案與爆破規劃

3.1 爆破方案

調壓豎井的掘進存在地形條件復雜、施工條件差、調壓井斷面大（直徑20 m）、掘進深度較深（50 m）的特點，這增加了其施工難度。通過比較幾種常用豎井施工方法，考慮該工程對施工工期的嚴格要求，確定采用深孔爆破法施工調壓井。

（1）在調壓井底部預先開挖下部硐室，為調壓井的施工創造條件。

（2）在地表采用深孔鉆機由上往下鉆鑿貫通下部空間的深孔，炮孔一次施工完成，再由下往上進行多次爆破，從而實現安全、高效、快速形成調壓井。

（3）為給主體崩落爆破提供補償空間和自由面，在調壓井的中部由下往上分層爆破形成直徑為6 m的導井。

（4）為形成光滑的豎井壁面，并降低爆破振動，主體崩落爆破時在調壓井輪廓線上采用預裂爆破。

（5）主體崩落爆破分為側崩爆破和破頂爆破，根據補償空間大小，每次爆破后在調壓井內留下一定的碴量，最終爆破后爆破堆渣作為隨后的支護平臺，完成一定高度的支護工作后，再通過底下的隧道進行出碴，出碴量以便于后期支護工作為準，邊支護邊出碴，直至完成整個調壓井的掘進工作。

3.2 爆破規劃

調壓井直徑達20 m，為了保證調壓井施工的安全作業，必須確保每次爆破調壓井頂板的安全。調壓井施工過程中安全系數最低的是最后一次破頂爆破，因此確定破頂層厚度是本次施工的關鍵。基于薄板理論和厚板理論，并結合三維數值模擬研究，確定破頂爆破預留層采用倒臺階狀，最薄處厚度為14 m。

為確保爆破質量并有效控制爆破振動，將調壓井施工分成三類五次爆破，爆破規劃如圖3所示。

（1）基于多孔球狀藥包爆破的導井爆破。中間導井主要為后續主體崩落爆破創造自由面并提供補償空間，是后續爆破順利進行的先決條件。由于導井深度達50 m，一次形成導井難度較大，結合國內外深孔爆破成井經驗，將導井爆破分成3次進行，前兩次單獨進行導井爆破（圖3中①和②），每次爆破高度18 m，第3次導井爆破與破頂爆破一起實施。

（2）基于周邊孔預裂爆破的側崩爆破。以中間導井為自由面進行側崩爆破（圖3中③和④），每次爆破形成倒臺階形狀，以保證調壓井頂板安全。每次爆破在調壓井周邊采用預裂爆破，以形成光滑的壁面。

（3）基于周邊孔預裂爆破的破頂爆破。破頂爆破是將調壓井范圍內的剩余巖體爆穿，達到調壓豎井設計斷面，最終完成調壓井的掘進。與側崩爆破類似，破頂爆破也在調壓井周邊采用預裂爆破，以形成光滑的壁面。

圖3 調壓豎井爆破規劃圖Fig.3 Blasting planning of surge shaft

4 導井爆破方案

由于導井斷面較大，為實現高效爆破成井的同時降低爆破振動影響，采用短延時起爆多孔球狀藥包爆破成井技術實施導井爆破。短延時起爆使導井同層炮孔以同一自由面共同形成爆破漏斗，雖然爆破延時時間較短，但仍然降低了單段爆破藥量，因此可以有效降低爆破振動影響。

由于導井爆破的兩次爆破方案類似，因此本文僅介紹第一次導井爆破方案。

4.1 炮孔布置

導井共布置4圈炮孔，均勻分布于直徑分別為1.5 m，3.0 m，4.5 m，6.0 m的圓周上，每圈炮孔數量分別為5，10，15，20個，炮孔總數50個，孔距為1.0～1.2 m，孔徑165 mm，如圖4所示。

圖4 導井炮孔布置示意圖Fig.4 Arrangement diagrams of blasting holes

4.2 裝藥結構

導井第一次爆破分五層裝藥，根據爆破漏斗理論和每分層自由面寬度，確定第1分層高度為4.5 m，其中抵抗線為2.5 m，第2～4分層高度為3.6 m，其中抵抗線為2.0 m，第5分層高度為2.7 m，其中抵抗線為1.5 m。導井爆破裝藥結構如圖5所示。

圖5 導井爆破裝藥結構示意圖Fig.5 Arrangement diagrams of charging structure

4.3 起爆網路

根據延時時間計算公式，并結合高精度雷管毫秒延時時間，確定孔延時時間為9 ms，層間延時時間為200 ms。每層爆破以5個孔為一段爆破，段間采用高精度雷管短延時起爆。為實現短延時爆破，現場采用孔外延時起爆方式，同層孔間采用9 ms高精度雷管、層間采用200 ms高精度雷管，孔內統一采用1 950 ms高精度雷管起爆，起爆網路見圖6。

圖6 導井爆破起爆網路示意圖Fig.6 The chart of blasting network of the first pilot shaft blasting

4.4 爆破參數表

導井爆破使用直徑120 mm的2#巖石乳化炸藥，單個藥包長度0.4 m、重量為5 kg。導井第一次爆破參數如表2所示。導井爆破單孔藥量為100 kg，最大段藥量125 kg，爆破總藥量5 000 kg，單耗9.8 kg/m3。

表2 導井第一次爆破參數Table 2 Parameters of the first pilot shaft blasting

5 基于預裂爆破的主體崩落爆破方案

5.1 預裂爆破參數計算

預裂爆破的目的是沿調壓井開挖邊界密集布置炮孔，采用低猛度不耦合串狀間隔裝藥預裂爆破模式，在前方主體崩落爆破之前起爆，形成一條介于主體爆區和調壓井邊界保留區之間的裂縫，以減弱主炮孔爆破對被保護巖體的破壞并形成平整輪廓面。

5.1.1 炮孔間距

炮孔間距不僅影響裝藥量的大小，還直接關系著預裂壁面的質量，在保證兩孔之間裂開成縫的前提下，小間距的壁面質量遠好于大間距的壁面質量。在爆破作用下，巖石發生斷裂，斷裂剛開始時，炮孔周邊出現應力場。通常預裂爆破炮孔間距為：

式中：a為炮孔間距；D為炮孔直徑。

5.1.2 線裝藥密度

預裂爆破要求炸藥爆炸對孔壁巖石激起的壓應力小于巖石的動抗壓強度，而孔間巖石中激起的拉應力大于巖石動抗拉強度。根據巖石抗壓強度、孔距和炮孔半徑，線裝藥密度計算公式如下：

式中：QL為線裝藥密度，kg/m；σ為巖石極限抗壓強度，MPa；a為炮孔間距，m；r為炮孔半徑，m。

5.1.3 藥卷直徑

根據預裂爆破的設計理念，裝藥為不耦合結構，要求炸藥爆炸產生的孔壁應力波最大值小于孔壁巖石的極限動抗壓強度，但要大于極限動抗拉/剪強度，確保能夠在相鄰炮孔間形成裂縫，但不能破壞殘留孔壁。實踐證明，一般情況下，不耦合系數ξ合理取值范圍為2～4，本次設計實取3，通過藥卷直徑計算公式：

預裂爆破炮孔直徑為150 mm，可計算得預裂爆破藥卷直徑為50 mm。

5.1.4 預裂爆破炮孔設計

根據預裂爆破參數計算，炮孔間距為1.0 m，預裂爆破炮孔設計如圖7所示。

圖7 預裂孔布置示意圖Fig.7 Arrangement diagrams of presplit holes

5.2 基于預裂爆破的側崩爆破方案

兩次側崩爆破方案類似，本文僅介紹第一次側崩爆破（即第三次爆破）方案。

5.2.1 炮孔布置

在導井外布置3圈主體崩落孔和1圈預裂孔，主體崩落孔分別布置在直徑為10 m，14 m，18 m的圓圈上，孔間距2 m，每圈孔數為16個，22個，28個，第一圈崩落孔與導井邊界和每圈崩落孔之間的距離為2 m，炮孔直徑165 mm；預裂孔距第三圈崩落孔的距離為1 m，孔間距1 m，炮孔直徑150 mm，預裂孔數為63個。側崩爆破炮孔布置如圖8所示。

圖8 側崩爆破炮孔布置示意圖Fig.8 Arrangement diagrams of blasting holes

5.2.2 裝藥結構

側崩爆破采用導爆索起爆孔內所有炸藥，炮孔底部填塞1.5 m，主體崩落孔每裝1條炸藥（直徑130 mm，長0.4 m，重5 kg），間隔0.3 m，預裂孔每裝1條炸藥（直徑50 mm，長0.5 m，重1 kg），間隔0.4 m，頂部均填塞2.0 m。裝藥結構如圖9所示。

5.2.3 起爆網路

側崩爆破孔內統一采用長延時1 950 ms的高精度雷管，主體崩落炮孔以相鄰5孔為一段，段間延時采用孔外25 ms延時雷管，由于預裂爆破孔數較多，為形成預裂縫的同時降低爆破振動，以相鄰5孔為一段，段間預裂炮孔采用孔外9 ms延時雷管。不同圈的延時采用200 ms延時雷管，為了保證預裂效果，第1、2圈崩落孔起爆后，預裂孔先于第3圈崩落炮孔起爆。側崩爆破起爆網路如圖10所示。

圖9 裝藥結構示意圖Fig.9 Arrangement diagrams of charging structure

圖10 側崩爆破起爆網路示意圖Fig.10 The chart of blasting network

5.2.4 爆破器材消耗

側崩爆破裝藥炮孔數量129個，主體崩落孔單卷炸藥5 kg，乳化炸藥5 490 kg，預裂爆破單卷炸藥1 kg，藥量693 kg，爆破總藥量6 183 kg。第一次側崩爆破參數見表3。

表3 側崩爆破參數Table 3 Parameters of the side collapse blasting

5.3 基于預裂爆破的破頂爆破方案

破頂爆破是導井爆破與側崩爆破的結合，其炮孔布置和裝藥結構與導井爆破和側崩爆破類似，本文不再累述。

5.3.1 起爆網路

破頂爆破孔數多，爆破網路極其復雜。首先起爆中間導井部分炮孔，起爆網路與前述導井爆破類似，之后起爆第1、2圈主體崩落孔，然后起爆預裂爆破孔，最后起爆第3圈主體崩落孔。爆破網路如圖11所示。

圖11 破頂爆破起爆網路示意圖Fig.11 The chart of blasting network

5.3.2 爆破覆蓋防護

調壓井破頂爆破作業時，主要保護對象有調壓井底部已經開挖成型的總干線隧道、調壓井上部已經完成支護工作的邊坡、距離爆源100 m的簡易板房和約300 m遠的民房。主要爆破危害為飛散物和爆破振動，為確保爆破作業安全，采取了如下主要防護措施：導井上方采用整體覆蓋防護，主要防護措施為：先覆蓋一層約50 cm厚的柴火（玉米稈），再于其上拉上橫豎二道金屬網（盡量連成整體），最后在其上的對應爆破位置壓上砂袋（原則上壓在炮孔位置），如圖12所示。預裂孔上方壓上1個沙袋，崩落孔上方壓上3個沙袋。

5.4 爆破效果

爆破施工過程中進行了振動監測，圖13為第一次導井爆破時，地表距離導井100 m處測點垂直方向的爆破振動波形，峰值振速1.59 cm/s，爆破峰值振速分布均勻，可見爆破降振效果明顯。

經過5次爆破，包括2次導井爆破、2次側崩爆破和1次破頂爆破，成功完成直徑20 m、深度50 m的調壓井爆破，調壓豎井斷面達到了設計尺寸和規格，支護后的調壓豎井成井如圖14所示，證明了超大斷面豎井深孔爆破成井技術的可行性。

圖12 爆破防護示意圖Fig.12 Arrangement diagrams of blasting protection

圖13 爆破振動監測結果Fig.13 Blasting vibration monitoring results

圖14 調壓豎井爆破后成井照片Fig.14 Blasting raising photo of surge shaft

6 結論

（1）針對調壓豎井掘進存在地形條件復雜、施工條件差、調壓井斷面大、掘進深度較深的特點，確定了導井爆破、基于預裂爆破的側崩爆破和破頂爆破的分區爆破方案，并結合理論分析和數值模擬確定了倒臺階狀的破頂爆破預留層厚度。

（2）導井爆破采用短延時起爆多孔球狀藥包爆破成井方案，同層孔間采用高精度雷管實現短延時起爆，達到共同形成爆破漏斗的目的，同時有效降低了爆破振動破壞效應。

（3）為形成調壓井光滑壁面，調壓井掘進的側崩爆破和破頂爆破采用周邊炮孔預裂爆破方案，由于預裂爆破孔數較多，為形成預裂縫的同時降低爆破振動，預裂孔間采用高精度雷管短延時起爆。

（4）對調壓井爆破的導井爆破、側崩爆破和破頂爆破進行設計，經過5次爆破最終成功完成直徑20 m、深度50 m的調壓井爆破，調壓豎井斷面達到了設計尺寸和規格，爆破振動監測表明爆破降振效果明顯，證明了超大斷面豎井深孔爆破成井技術的可行性。

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Technology of deep-hole blasting in ultra-large section shaft excavation

SHI Xiu-zhi1，QIU Xian-yang1，PIE Jun2，LI Bi-hong3
（1.SchooI of Resources and Safety Engineering，CentraI South University，Changsha 410083，China；2.China Ponferrous MetaI Industry，s Foreign Engineering and Construction Co.，Ltd.，Beijing 100029，China；3.CoIIege of Basic Education，PationaI Defense University of Science and TechnoIogy，Changsha 410073，China）

In order to achieve high efficient excavation of ultra-large section shaft，the technology of shaft driving by deephole blasting with presplit blasting was put forward.In accordance with oil shaft，s character of large area and high depth，zone division blasting scheme was designed.Based on the theory of spherical charge blasting crater and vibration reduction mechanism of millisecond blasting，the surge shaft excavation by short-millisecond blasting with spherical-like charge was established.Then blasting parameters of surge shaft blasting and presplit blasting were calculated.The research results had been applied in an ultra-large section shaft excavation of water conveyance project，and a cylindrical shaft with 50 m depth and 20 m diameter was formatted successfully by deep-hole blasting.The technology of shaft driving by deep-hole blasting would have wide application prospect in the future.

Shaft excavation by deep-hole blasting；Ultra-large section shaft；Pre-splitting blasting；Millisecond time

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.002

1006-7051（2016）05-0007-06

2016-05-03

國家“十二五”科技支撐計劃（013BAB02B05）；中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助（2016zzts094）

史秀志（1966-），男，教授，博導，從事采礦工程、工程爆破等方面的教學與研究工作。E-mail：shixiuzhi@263.net