大斷面巖巷爆破施工工藝對比研究

呂兆海 趙長紅 楊皓博 張錦宏 劉清偉 何秀池 岳曉軍

(1. 國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏自治區銀川市，750011;2. 陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西省咸陽市，713500)

我國巖巷爆破技術經歷了全斷面一次爆破、毫秒爆破、光面爆破3個階段，工業炸藥(水膠炸藥、乳化炸藥)的不斷發展和毫秒雷管的出現提高了地下空間工程(隧道、采礦、涵洞)施工效率。合理的鉆爆工藝不僅可以保證開挖質量，還能加快施工進度。鉆爆設計時應綜合考慮開挖方式、施工進度、施工機具以及圍巖類別、地質構造等因素。在鉆爆施工過程中，設計參數應根據地質情況的變化作適當的調整，以期獲得最佳的爆破效果。

穩定性巖體快速掘進爆破通常采用全斷面爆破和分臺階法爆破。全斷面爆破是一種合理利用炸藥能量的控制爆破技術，根據巷道的特點進行爆破參數的合理設計，采用中深孔拋碴爆破、掏槽眼不同階起爆技術，增強了掏槽效果；周邊眼采用小眼孔及小直徑藥卷，實現光面成型，全斷面一次爆破工序環節少成巷速度快，爆破效果良好，但大斷面迎頭易片幫、冒落；臺階法爆破施工是最基本、運用最廣泛的施工方法，Ⅲ～Ⅳ圍巖可采用兩臺階法，該方法靈活多變、適用性強，凡是軟弱地層、第四紀沉積地層，均可采用臺階法，但臺階法施工上下臺階存在平行作業難度大、工序銜接緊張、工時效率低的缺點。另外，臺階開挖會增加對圍巖的擾動次數。本文針對金家渠煤礦11采區第一、二中部車場斷面相同、巖性條件相近的情況，分別采用不同的爆破工藝，并對兩種爆破工藝的優缺點進行了比較，得出了特定條件下采用全斷面爆破工藝的優越性。

1 工程概況

金家渠煤礦位于寧夏自治區靈武市東南約100 km處，井田總體構造為一由北向南逐漸傾伏的背斜構造，背斜軸部由北向南逐漸由陡變寬緩，波幅由窄變寬；背斜西翼被尚家圈斷層切割，且煤層埋藏由北向南逐漸加深；背斜東翼被金家渠斷層破壞。金家渠斷層為東傾斜逆斷層，將東翼翼部抬升，煤層埋藏變淺。井田先期開采地段為杜窯溝斷層和馬柳斷層之間、尖兒莊背斜煤層埋藏較淺的北部(17勘探線以北)區域。11采區第一、二車場設計斷面23.1 m2，設計凈寬5.6 m，凈高4.2 m，巷道設計采用直墻半圓拱形，采用錨網噴+錨索支護，平均坡度為13°，巖石堅固系數f=4～7，涌水量1.5 m3/h，為關鍵線路上的關鍵工程。

表1 巖石物理力學性能

井底車場受尖兒莊背斜影響，尤其巷道在背斜軸部附近，應力較大，會產生大量裂隙及滑面。煤巖層走向(25°～36°)、傾向及傾角(19°～35°)發生較大變化，如圖1和圖2所示。三煤老頂為粗砂巖，膠結松散、裂隙孔隙發育，為主要含水層，巖石物理力學性能見表1。直接頂粉砂巖厚度局部發生變薄現象，在掘進過程中，施工錨桿及錨索會出現滴水、淋水、涌水現象。

2 大斷面巖巷支護體系

11采區第一、二中車場采用錨、網、索、噴聯合支護。巷道全斷面使用?20 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用2節MSK23/70樹脂藥卷錨固，錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×12 mm，錨桿呈矩形布置。拱部錨桿間排距為800 mm×900 mm。錨索使用?21.6 mm×7300 mm的鋼絞線，每根錨索使用4節MSK23/70樹脂藥卷錨固，錨索托板采用300 mm×300 mm×15 mm的鋼板。沿巷道中線打設3列錨索，五花布置，錨索間排距2000 mm(弧長)×1000 mm。混凝土噴射厚度150 mm，強度C20。

圖1 巷道布置平面圖

圖2 施工巷道圍巖環境

針對圍巖地質條件、巖石構造、破碎程度等要素，選取不同的光爆參數和掏槽方式，滿足現場施工的需求。同樣，盡可能地減少炸藥消耗和鉆孔工作量，最大程度上優化爆破施工組織，提高鉆爆施工的爆破效果。巷道斷面支護見圖3。

圖3 巷道支護參數

3 爆破施工工藝工效對比

光面爆破是在開挖斷面的設計輪廓線上布置間距較小、互相平行的炮眼，選用低密度和低爆速的炸藥，采用不耦合裝藥，在主爆區之后起爆，以形成平整輪廓面的爆破作業方式。

全斷面爆破掘進施工操作簡單，工序少，相互干擾相對較少，便于施工組織管理；全斷面開挖有較大的作業空間，有利于采用大型配套機械化作業，提高施工速度，全斷面一次成型，對圍巖的擾動次數減少，對巷道圍巖穩定有利。主要工序如下：全斷面一次鉆孔，并進行裝藥連線后起爆，一次爆破成型，支護出渣后開始下一個鉆爆作業循環。

臺階法施工就是將結構斷面分成兩個或幾個部分，具有上下斷面兩個工作面或多個工作面，分步開挖。其優點是靈活多變、適用性強，有足夠的作業空間和較快的施工速度，能較早地使支護閉合，有利于開挖面的穩定性和控制其結構變形及由此引起的地面沉降。缺點是上下部作業互相干擾，應注意下部作業時對上部穩定性的影響，臺階法施工會增加對圍巖的擾動次數等。臺階法施工分正臺階法和反臺階法。

正臺階法：在穩定性較差的巖層中施工時，將整個巷道斷面分為幾層，由上向下分部進行開挖，每層開挖面的前后距離較小而形成幾個正臺階。

反臺階法：用于穩定性較好的巖層中施工，也將整個巷道斷面分為幾層，在巷道底層先開挖寬大的下導硐，再由下向上分部擴大開挖。進行上層的鉆眼時，須設立工作平臺或采用漏斗棚架，后者可供裝碴之用。

3.1 正臺階法施工

11采區第一中部車場采用正臺階法施工，將巷道斷面分成上下兩個臺階，上下兩個臺階相距15 m，上臺階斷面高度2800 mm，每循環掘進1.6 m，每天兩個循環；下臺階高度1000 mm，上部臺階每推進3個循環下臺階起底1次，起底長度為3個循環長度。臺階法施工見圖4。

圖4 臺階法施工示意圖

每天兩個正規循環，每班分兩個作業小組，一部分上臺階迎頭打眼掘進，一部分后巷下臺階打眼起底，兩個作業小組平行作業，上下臺階分次裝藥分次爆破，上下臺階出渣采用電動挖機，挖機將上臺階矸石扒至后巷利用后巷刮板輸送機轉運排矸，臺階法工藝流程見圖5。

圖5 臺階法施工工藝流程圖

3.2 全斷面爆破施工

3.2.1 全斷面施工工序

根據車場斷面尺寸及裝備情況，11采區第二中部車場施工中鑿巖工序采用滾班制作業，掘進—出渣循環7 h，每天3個循環，節約3 h/d左右，兩天可循環7次，一個月在設備無影響的情況下可循環105次，每循環掘進1.6 m，月進尺可達168 m。掘進流程如下：交接班—安全檢查—吊掛中腰線—點眼劃線定眼位—打眼—瓦斯檢查—裝藥—瓦斯檢查—連線放炮—瓦斯檢查—敲幫問頂—臨時支護—檢查巷道尺寸—出渣—第一次永久支護(巷道頂部錨網)—出渣—敲幫問頂—檢查巷道尺寸—第二次永久支護(巷道墻幫錨網及錨索支護)—噴漿—清理浮渣。兩次鉆眼分別為支護后拱部蹬渣鉆眼和出渣后工作面下部鉆眼。每班設4個鉆眼小組，每個鉆眼班組配備2人，4臺YT-28型氣腿式鑿巖機。工作面鑿巖定機、定位、定眼和炮眼布置如圖6和圖7所示。

圖6 鑿巖斷面定機、定位、定眼示意圖

圖7 炮眼布置三視圖

工作面共布設101個炮眼，其中下部炮眼46個，上部炮眼55個，采用楔形掏槽。鑿巖小組的編號分別為A、B、C、D 4組，分別負責A上和A下、B上和B下、C上和C下、D上和D下部分的炮眼鑿巖。每臺鑿巖機平均打眼數25個，眼深1.6 m。不同類型炮眼裝藥結構如圖8所示。

①—雷管腳線；②—黏土炮泥；③—水炮泥；④—雷管；⑤—藥卷；⑥—聚能穴圖8 裝藥結構圖

3.2.2 炮眼布置及裝藥量理論驗證

利用下式計算單次爆破所需的炸藥量：

Q=qSln

(1)

式中：q——單位炸藥消耗量，取2.0 kg/m3；

S——巷道斷面積，取23.1 m2；

l——炮眼深度,取1.6 m；

n——炮眼利用率，取0.85。

根據下式計算每循環所需炮眼數目：

(2)

式中：N——炮眼數目，個；

m——每個藥卷長度，取0.15 m；

x——炮眼裝藥系數，取0.4；

p——每個藥卷重量，取0.15 kg。

根據式(1)和式(2)計算得出每循環需要的炸藥量為62.8 kg，所需要的炮眼數目為98個。現場實際施工炮眼數目101個，消耗炸藥56.4 kg。理論計算跟現場實際施工相比，炮眼數目理論小于實際，炸藥數量理論大于實際，說明在炸藥量一定的條件下，適當增加炮眼數目可有效提高爆破效果。

爆破參數和巷道光面爆破參數見表2和表3。

表2 爆破參數表

表3 巷道光面爆破參數

3.3 巖石破壞分區及爆破機理

錢七虎院士等認為爆炸致裂可分為4個階段：形成空腔-沖擊壓碎-空腔的動力無波擴張—彈性波傳播階段。第4個階段中的彈性波僅產生振動，如圖9所示。爆破機理如圖10所示。

最大空腔半徑為：

(3)

式中：am——最大空腔半徑，m；

Q——爆炸當量，kt；

ρ——巖石密度，kg/m3；

σ——巖石介質的壓碎應力極限，MPa；

E0——巖石楊氏模量，GPa。

壓碎區半徑為：

(4)

式中：b——壓碎區半徑，m。

徑向破裂區的半徑為：

(5)

式中：b0——徑向破裂區的半徑，m；

a0——初始體積空腔半徑，m；

σ0——巖石介質的拉裂應力極限，MPa。

1—彈性變形區；2—徑向破裂區；3—破碎區；4—空腔圖9 巖石破壞區劃分示意圖

圖10 爆破機理示意圖

3.4 爆破經濟技術指標對比

在金家渠煤礦11采區第一、二中部車場斷面、巖性類似條件下分別采用臺階施工工藝和全斷面一次爆破施工工藝，從單進水平、巷道成型、功效及材料消耗上比較，一次全斷面爆破效果顯著，具體比較參數見表4。

金家渠煤礦11采區第一、二中部車場巖石整體飽和平均抗壓強度大于10 MPa，屬于Ⅱ～Ⅲ類巖石，具備全斷面開挖的條件，局部地段存在軟弱夾層，對巷道圍巖的整體性有一定的影響，但從循環進度、月進度、材料消耗及功效等方面分析，選用全斷面爆破施工工藝的優越性比較明顯，全斷面爆破工藝效果如圖11所示。

表4 經濟技術指標對比

圖11 全斷面爆破工藝效果圖

4 結論

(1)采用全斷面光面爆破技術(掏槽方式楔形掏槽法)進行施工，在精細組織和嚴格要求下，有效提高施工效率，平均循環進尺1.6 m，月進度達到168 m，工效顯著提高。

(2)通過現場爆破效果可知，選用合理的掏槽方式及多級輔助眼，巷道光面爆破成型效果較好，提高工作效率的同時也滿足巷道質量要求。

(3)在全斷面爆破過程中通過對爆破斷面分塊，加強現場勞動組織進行定機、定位、定眼，有效提高了鉆眼效率并確保了鉆眼質量，為實施全斷面爆破、提高單進水平奠定了基礎。