分次爆破在斜井凍結段施工中的應用

張壯杰

中煤華晉集團晉城能源有限公司 山西晉城 048200

1 工程概況

里必煤礦設計工業廣場內布置主斜井，設計沖積層和基巖風化帶采用凍結法施工，主斜井斜長1770.8m，坡度16°，凈寬5.4m，凈高4.0m，凈斷面18.5m2。

2 地質概況

根據《里必煤礦主斜井、副立井井筒檢查孔地質報告》，主斜井凍結段預計揭露的地層依次為第四系（Q）、二疊系上石盒子組（P2S）。

2.1 第四系（Q）

頂部為6.8m黃土和砂質粘土層；井筒揭露完畢。13.1m卵石層未膠結，充填有粗、中、細砂，井筒里程70-123m，揭露斜長28m，剩余斜長25m。

2.2 二疊系上石盒子組（P2S）

厚度約18.15m強風化泥巖與細砂巖互層，巖性較硬，井筒里程123-184m；厚度為34.35m弱風化泥巖，較軟，井筒里程184-

298m。

3 主斜井凍結段布置情況

主斜井優化后分為4個凍結區段，凍結孔均采用地面垂直孔。

3.1 第I 段斜長53.07m（里程70-123.07m）

第II段斜長68.24m（里程123.07-191.31m）；該兩段全斷面凍結；掘砌斷面內設計三個中排孔，掘砌斷面外設計兩個外排孔；凍結深度為荒底板向下5.5m[1]。

3.2 第III 段斜長55.76m（里程191.31-247.07m）

第IV段斜長53.99m（里程247.07-301.06m）；該兩段帷幕凍結；掘砌斷面不凍結，掘進斷面外設計兩個外排孔；凍結深度超過凍結區域基巖風化帶深度3m。

4 凍結壁參數設計及凍結管材

4.1 凍結壁參數設計

主斜井第I、II段頂板、兩幫及底部凍結壁設計厚度分別為6.0m、2.4m、5.0m；第III、IV段兩幫凍結壁設計厚度為2.4m。凍結壁設計平均溫度為-10℃。

4.2 凍結管材

外排凍結孔選用φ140×5mm低碳無縫鋼管，其它凍結孔選用φ127×5mm低碳無縫鋼管，真空隔熱段采用φ168×5mm低碳無縫鋼管內套φ127×5mm低碳無縫鋼管；鹽水管路供液管選用φ75×6mm聚乙烯塑料軟管，凍結孔內鹽水流動采用正循環方式。

4.3 凍結管材安全振動閾值

根據中國礦業大學控制爆破技術中心李勝林教授設計的《里必礦井主斜井井筒掘砌工程凍結段爆破專項方案》，凍結管的安全振動閾值按照8cm/s設計，需通過試驗逐步進行驗證與研究確定。（沁水縣的抗震設防烈度為7度，地面振動速度為5-9cm/s）。

5 振動測試

5.1 振動測試目的

①驗證地表凍結主干管安全振動閾值；②明確該場地下的爆破振動傳播規律；③驗證主斜井井筒爆破最大單響藥量；④優化主斜井井筒爆破方案。

5.2 監測方法

為驗證地表凍結主干管安全振動閾值及該場地下的爆破振動傳播規律，在主斜井上方地表及凍結管主干管基礎上布設振動傳感器：①掘進斷面拱頂正上方地表布置1#傳感器；②地表沿斜井走向以1#傳感器為中心前后各布置兩個傳感器，距離分別為5m、10m，傳感器編號2-5#；③距離1#傳感器最近的凍結主干管的基礎底部布置兩個傳感器，傳感器編號6-7#；④距離1#傳感器最近的凍結管主干管的基礎頂面布置兩個傳感器，傳感器編號8-9#。

5.3 分次爆破測試

測試階段，火工品使用煤礦許用乳化炸藥、毫秒延期雷管。

（1）第一階段：驗證爆破方案的可行性。為減小爆破振動對于地表凍結管主干管的影響，爆破裝藥前采用機械為主、人工為輔的方式在主斜井凍結段上部挖掘一個高1.8m、深1.6m的空腔，用于阻隔爆破地震波向上方地表的傳播。底部中間位置布置兩對掏槽孔，掏槽孔傾斜75°、深1.8m，孔底距0.3m，每孔裝藥量0.8kg，均選用1段毫秒延期電雷管；兩對掏槽孔中間布設一中空孔。

實驗數據：第一階段爆破測試嚴格按照設計施工，監測振動峰值實測最大為5.77cm/s（3#），沒有超過振動閾值設計值8cm/s，爆破后檢查凍結主干管和井下凍結管無異常。

（2）第二階段：增加掏槽孔數量、減小掏槽藥量、空腔置換為周邊空孔。第一階段驗證后，為減少后期機械和人工開挖量，主斜井上部不開挖空腔，但沿拱頂輪廓線布置周邊空孔，孔間距設計0.3m、深1.6m。為確保爆破效果，擴大掏槽空腔范圍，在第一階段的基礎上，將主斜井掘進斷面底部掏槽孔增加為四對。同時為控制爆破振動，試驗每孔裝藥量降為0.6kg，且下面兩對炮孔選取1段雷管、上面兩對選取2段雷管用以分散掏槽孔起爆藥量，四對掏槽孔中間布設三個空孔。在主斜井掘進斷面底部掏槽孔周圍增加一圈輔助孔，輔助孔每孔藥量0.6kg，采取間隔裝藥并選取3段雷管起爆。

實驗數據：第二階段爆破測試嚴格按照設計施工，監測振動峰值實測最大為1.63cm/s（7#），沒有超過振動閾值設計值8cm/s，爆破后檢查凍結主干管和井下凍結管無異常。

（3）第三階段：正常階段的松動爆破開挖[2]。為保證掏槽效果，將掏槽孔單孔藥量增加為0.8kg，同時下面兩對掏槽孔選取1段雷管、上面兩對選取2段雷管分散掏槽孔起爆藥量，四對掏槽孔中間布設三個空孔；為確保周邊孔降振吸能效果，縮短周邊眼間距至0.3m；為降低后續機械開挖量，將周邊孔抵抗線縮減為400mm，但縮小第三圈輔助孔孔距至300mm并采用間隔裝藥。采用全斷面三次起爆作業。

第三階段爆破測試時，由于火工品供應只有兩種段發雷管，經起爆順序后，監測振動峰值實測最大為4.3cm/s，沒有超過振動閾值設計值8cm/s，爆破后現場檢查凍結主干管和井下凍結管無異常，進入正常階段爆破開挖測試。

（4）根據凍結段1.2m循環松動爆破（三次起爆）統計表如下：

時間 里程 起爆次數總裝藥量單響裝藥量 進尺 監測最大值 備注10.21 102.8 3 53.4 11.7 1.2 4.3 爆源前方10m 10.22 104.0 3 53.4 12.9 1.2 8.75 爆源正上方10.23 105.2 3 51 9.6 1.2 4.9 南側干管10.25 106.4 3 52.5 11.4 1.2 4.9 南側干管11.02 108.8 3 46.6 9.0 1.2 3.3 北干管11.03 110.0 4 53.4 9.0 1.2 4.06 北基礎地表11.04 111.2 3 53.4 9.6 1.2 3.58 爆源正上方

6 松動爆破試驗數據分析

（1）爆破振動速度預測時應采用前蘇聯學者提出的薩道夫斯基公式進行，式中：

V—質點振動速度幅值（cm/s）；

Q—炸藥量（kg）毫秒爆破時取最大單段藥量，齊發爆破取總裝藥量；R—爆心距（m），即為爆源到測點的距離；

K、α—是與地形和地質條件相關的系數與衰減指數。

（2）一元線性擬合過程及計算。統計以上監測數據，利用最小二乘法求解K和α值，具體計算步驟省略：K=50-350；α=1.3-2.0。

（3）數據分析結論：①樣本統計數據的比較離散，主要受垂直布置凍結管影響較大。②振動速度與K值直線相關，與本地地質條件密切相關，同時與垂直布置的凍結管關聯較大。空腔（如后方已掘巷道形成的空腔、上方空腔和空炮眼）K值較小，多在40-80之間；密實的、凍結一體的巖層K值多在100-200之間，凍結管附近K值多在300以上，高值可達600以上。說明爆源振動速度幅度與介質密切相關。③炸藥量的影響，主要與單響炸藥量關系密切。④爆心距的影響，振動測試地點與爆源的直線距離，成反比關系。

（4）現場監測數據及現場技術操作的關聯分析。①空腔有利于減小井下爆破對地面振動的速度幅度，現場采用多排輔助、密排炮眼間距的措施有利于減震。②同量的炸藥量，采用盡可能多的分次起爆或多段雷管有利于減震；實測單響裝藥量不超過12kg可以實現安全爆破。③爆心距越大，振動速度幅度越小。④通過現場操作和監測數據分析，已有經驗表明，凍結管可以經受4.9cm/S的實測振動速度幅度。同時受地質條件影響，實測南側干管振動速度幅度高于北側干管[3]。

7 結語

（1）采用該方案進入爆破掘進，隨掘進施工不斷優化，連續施工8個循環，取得了斜井凍結段淺孔爆破的國內首次成功案例。

（2）根據施工統計，施工進度逐步從原32小時縮短至24小時左右，施工單進水平可以達到36m/月。