某地下金屬礦直眼掏槽爆破試驗(yàn)及控制措施

汪 平

（中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)，北京100070）

鉆孔爆破法是地下金屬礦山掘進(jìn)作業(yè)的普遍適用方法，具有施工成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但是，如果爆破設(shè)計(jì)、施工不合理，容易產(chǎn)生超欠挖等現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道輪廓成型差，且巷道壁掛電線、電纜和風(fēng)水管后，巷道寬度變窄，施工設(shè)備作業(yè)受限，影響施工效率。掏槽眼爆破是掘進(jìn)爆破中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)于整個(gè)掘進(jìn)爆破的效率和質(zhì)量發(fā)揮重要作用［1-2］。因此，需要優(yōu)選合理的掏槽方式及爆破參數(shù)，以取得理想的爆破效果。

針對(duì)掏槽爆破技術(shù)難題，諸多專家學(xué)者從數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等角度開展了大量研究工作。左進(jìn)京等［3］通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究了中心空孔直徑對(duì)掏槽腔體的影響，隨著空孔直徑的增加，爆破掏槽深度加大，槽腔體體積減小。汪海波等［4］采用數(shù)值模擬方法研究了空孔附近的應(yīng)力分布，指出空孔具有導(dǎo)向作用。龔敏等［5］研究了中心眼爆破對(duì)槽腔底部的形成發(fā)揮的作用，掏槽角度增加后，可以明顯地降低掘進(jìn)爆破進(jìn)尺。張召冉等［6］研發(fā)了多階段掏槽技術(shù)，與普通楔形掏槽爆破相比，二階二段掏槽的爆破進(jìn)尺和炮孔利用率更高。單仁亮等［7］提出了準(zhǔn)直眼掏槽爆破技術(shù)，主掏槽孔的傾斜角度變化后，會(huì)引起掏槽爆破效果發(fā)生明顯改變。

掏槽爆破質(zhì)量是決定巷道掘進(jìn)破巖效果和循環(huán)進(jìn)尺大小的關(guān)鍵因素［8-9］。由于不同礦山的巖性條件等差異，掏槽方式不具有普遍適用性，為此本研究在直眼掏槽爆破原理和影響因素分析的基礎(chǔ)上，以某地下礦山為例開展不同直眼掏槽方案的對(duì)比分析，優(yōu)選適宜的掏槽方式，為礦山高效率掘進(jìn)爆破提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 直眼掏槽爆破原理及影響因素

1.1 直眼掏槽爆破原理

直眼掏槽也稱為平行空孔直線掏槽，是所有炮眼互相平行、孔間距小且垂直于工作面，并留有1個(gè)或多個(gè)不裝炸藥的空孔［10］；對(duì)于只有1個(gè)自由面的掘進(jìn)爆破而言，位于掘進(jìn)斷面中下部的掏槽孔首先起爆，崩落的巖石碎塊拋擲出來(lái)形成1個(gè)槽腔，減小崩落孔爆破的巖石夾制作用，為后續(xù)崩落孔爆破創(chuàng)造自由面和補(bǔ)償空間，為巷道快速掘進(jìn)創(chuàng)造有利條件。

從爆破過(guò)程來(lái)看：首先，在爆炸沖擊波作用下破碎的巖石向空孔創(chuàng)造的自由面運(yùn)動(dòng)；然后在爆生氣體的作用下，破碎巖石沿槽腔向工作面方向發(fā)生拋擲運(yùn)動(dòng)。由于爆破后的碎石在炮孔口附近的拋擲速度最大、孔底部位拋擲速度最小，使得孔底碎石拋擲難度大，易于留存爆破后的碎石。同時(shí)，由于孔底夾制作用最大，若爆破參數(shù)不合理則易于留有殘孔、產(chǎn)生根底，降低炮孔利用率。

1.2 主要影響因素

（1）巖石性質(zhì)。巖石性質(zhì)是掏槽爆破效果最重要的影響因素。不同巖石的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造差異明顯，若采取同樣的掏槽爆破參數(shù)勢(shì)必產(chǎn)生大相徑庭的掏槽質(zhì)量。一般塑性巖石掏槽難度大于脆性巖石；若巖石為脆性且完整性好，同等條件下的掏槽質(zhì)量就好，掏槽爆破效率和循環(huán)進(jìn)尺就高。因此，必須高度重視巖石性質(zhì)在合理選擇爆破參數(shù)時(shí)的重要性。

（2）炸藥性能。不同類型的炸藥品種，炸藥的密度、爆速、爆熱、峰值壓力等參數(shù)各不相同。根據(jù)波阻抗匹配理論，當(dāng)炸藥阻抗和巖石阻抗相匹配時(shí)，炸藥能量利用率相對(duì)更高，可以取得更好的破巖效率。

（3）掏槽方式。合理的掏槽方式對(duì)于提高掘進(jìn)效率、增強(qiáng)爆破效果具有不可或缺的作用。掏槽方式的選擇時(shí)需要考慮因素眾多，主要有巖石性質(zhì)、掘進(jìn)斷面尺寸、工人操作難度、爆破循環(huán)進(jìn)尺等。常見的直孔掏槽方式有平行龜裂掏槽、角柱掏槽、螺旋掏槽。

（4）炮孔深度。當(dāng)巖石性質(zhì)和炸藥類型不變時(shí)，掏槽孔的深度越大，與自由面的距離越大，則炮孔底部巖石的夾制作用越強(qiáng)，越不利于掏槽爆破成腔，進(jìn)而導(dǎo)致炮孔利用率勢(shì)必降低。因此，為提高掘進(jìn)爆破效果，炮孔深度不宜太淺但也不能太深，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果綜合考慮。

（5）空孔。地下掘進(jìn)爆破時(shí)自由面有限，在工作面方向僅有一個(gè)；空孔可以增加爆破自由面，并為巖石破碎和膨脹提供補(bǔ)償空間。研究表明［11-12］，空孔具有明顯的應(yīng)力集中和導(dǎo)向作用，可以延長(zhǎng)爆炸應(yīng)力波的作用時(shí)間，改善巖石破碎效果。地下爆破的空孔直徑一般為75～120 mm，數(shù)量1～4個(gè)。

（6）空孔與裝藥孔的距離。空孔與掏槽裝藥孔的距離要適宜。若二者的距離過(guò)大，則空孔壁面上的應(yīng)力波反射拉伸強(qiáng)度不足以破壞巖石；反之，若距離過(guò)小，槽腔內(nèi)碎石空隙體積大，易于導(dǎo)致爆炸氣體外泄，拋擲效果不佳。文獻(xiàn)［4］根據(jù)彈性理論得到空孔與裝藥孔的距離計(jì)算公式如下：

式中，σθ為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；rA為裝藥孔半徑，m；rB為空孔半徑；p為孔壁處透射壓力，MPa；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)；λ為側(cè)壓力系數(shù)。

（7）炮孔偏斜率。直眼掏槽的炮孔需要保證相互平行。由于受到鉆孔人員水平、鉆孔設(shè)備性能、巖體特性、鉆孔深度等因素的影響，鉆孔難免產(chǎn)生一定的偏斜，因此應(yīng)將炮孔偏斜率控制在最低水平，以保證取得最佳掏槽爆破效果。

（8）裝藥結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥在炮孔中的分布不同，炸藥起爆后作用在孔壁上的荷載也不相同。采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，炸藥與孔壁直接接觸，爆炸應(yīng)力波未經(jīng)衰減可直接作用在孔壁上，炸藥爆破破巖更為充分；采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，爆炸沖擊波和爆生氣體存在一定的衰減，爆炸能量利用率減小，不利于掏槽爆破破巖，所以應(yīng)盡量減小不耦合系數(shù)。

（9）堵塞長(zhǎng)度。適宜的掏槽炮孔堵塞長(zhǎng)度和優(yōu)良的堵塞質(zhì)量對(duì)于提高掏槽爆破效果具有積極作用［13-16］。通過(guò)采取適宜的堵塞長(zhǎng)度，提高炮孔堵塞密實(shí)度，可以避免爆炸能量的過(guò)早外泄，進(jìn)而延長(zhǎng)炮孔內(nèi)爆炸應(yīng)力和爆生氣體的作用時(shí)間，改善巖石爆破破碎質(zhì)量。一般而言，淺孔堵塞長(zhǎng)度為10～20 cm，深孔堵塞長(zhǎng)度20～40 cm。

（10）地應(yīng)力。不同的地應(yīng)力下掏槽爆破效果存在一定差異。隨著地應(yīng)力的增加，地應(yīng)力的夾制作用逐漸顯現(xiàn)，導(dǎo)致掏槽爆破的破壞范圍減小，即反映出地應(yīng)力對(duì)掏槽爆破的抑制作用。

2 直眼掏槽爆破試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

綜合考慮試驗(yàn)地點(diǎn)巖性的代表性，在不影響礦山正常生產(chǎn)的前提下，確定試驗(yàn)地點(diǎn)為1 310～1 322 m采準(zhǔn)斜坡道，巷道斷面尺寸為4.2 m×3.5 m。試驗(yàn)分為單空孔直眼掏槽爆破、三空孔直眼掏槽爆破和三空孔直眼掏槽爆破改進(jìn)共3個(gè)方案，其中后面2個(gè)方案只是炮孔間距參數(shù)不同（圖1～圖3）。通過(guò)不同方案的爆破效果對(duì)比，確定適宜的掏槽方案，指導(dǎo)礦山高效率掘進(jìn)爆破。

采用鑿巖臺(tái)車鉆孔，炮孔垂直掘進(jìn)工作面。試驗(yàn)炮孔深度3 m；空孔直徑?100 mm，空孔不裝藥；其他掏槽孔?40 mm，采用?32 mm的乳化炸藥，裝藥長(zhǎng)度2.85 m；采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，孔底起爆方式；每個(gè)裝藥炮孔1發(fā)毫秒導(dǎo)爆管雷管。每個(gè)掏槽方案爆破完成后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確保安全后，清理爆破碎石并測(cè)量掏槽深度和體積。單空孔掏槽和三空孔直眼掏槽爆破參數(shù)見表1和表2。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

爆破后測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，對(duì)于單空孔直眼掏槽爆破，掏槽深度為1.81 m，按照炮孔長(zhǎng)度3 m計(jì)算的炮孔利用率較低，僅為60.33%，爆破效果不理想，且炸藥單耗高達(dá)37.65 kg/m3，明顯高于常規(guī)掏槽爆破炸藥消耗量，不利于高效率掘進(jìn)爆破。分析認(rèn)為，該方案僅有1個(gè)空孔，空孔數(shù)量少，掏槽爆破補(bǔ)償空間小，不能為爆破孔提供足夠的巖石破碎膨脹空間；同時(shí)，炮孔間距參數(shù)布置不妥當(dāng)，在炮孔底部較大的巖石夾制作用下，孔底槽腔形成十分困難，導(dǎo)致炮孔利用率不高，每次爆破的循環(huán)進(jìn)尺有限，造成不可避免的鉆孔和炸藥浪費(fèi)。

相比單空孔掏槽爆破，三空孔掏槽爆破的空孔體積增大了2倍；掏槽深度由1.81 m提高到2.32 m，增幅達(dá)到28.73%；炮孔利用率可以提高到77.67%。同時(shí)，炸藥單耗由37.65 kg/m3降低至14.59kg/m3，降低幅度為61.25%。可見，該方案的掏槽爆破效果明顯改善，爆破炸藥成本大幅度降低，然而在炮孔利用率方面尚有很大的提升空間。

為此，在三空孔掏槽爆破的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，形成了三空孔掏槽爆破改進(jìn)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案的掏槽深度可以達(dá)到2.67 m，炮孔利用率提高到89.00%，達(dá)到很好的預(yù)期效果。雖然該方案的炸藥單耗比三空孔掏槽爆破方案增加43.73%，但可以明顯提升掘進(jìn)爆破循環(huán)進(jìn)尺；同時(shí)，更好的掏槽爆破效果，可以較好地降低崩落孔爆破的炸藥單耗，實(shí)現(xiàn)斷面掘進(jìn)爆破炸藥總消耗量的均衡。因此，在注重掘進(jìn)效率的前提下，該方案在提升掘進(jìn)爆破循環(huán)進(jìn)尺方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

根據(jù)前文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，采用三空孔掏槽爆破改進(jìn)方案開展了10次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果（圖4、圖5）表明，10次爆破的炮孔利用率為88.55%～91.53%，平均炮孔利用率達(dá)到90.12%。該方案的掏槽爆破效果十分顯著，循環(huán)進(jìn)尺提升幅度明顯，槽腔內(nèi)的碎石可以全部拋擲出來(lái)，為掘進(jìn)斷面崩落孔和周邊爆破創(chuàng)造了有利條件，適宜在礦山掘進(jìn)爆破作業(yè)中進(jìn)行推廣。

3 主要控制措施

掏槽爆破效果直接影響斷面掘進(jìn)效率，需采取有效的控制措施保證掏槽爆破質(zhì)量。

（1）選擇適宜的掏槽爆破方案。掏槽爆破方案是影響爆破效果的關(guān)鍵因素之一。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖性條件、爆破效果等，綜合考慮選擇適宜的掏槽爆破方案，提供富裕的破碎巖體膨脹的自由空腔，合理控制炮孔間距和起爆微差間隔，提高炮孔利用率和爆破循環(huán)進(jìn)尺，進(jìn)而加快地下巷道的掘進(jìn)速度。

（2）嚴(yán)格控制掏槽孔位置和偏斜率。掏槽孔的位置不合適將會(huì)導(dǎo)致炮孔間距發(fā)生變化，進(jìn)而影響掏槽爆破效果。對(duì)于直眼掏槽，保證掏槽孔與掘進(jìn)斷面的垂直度，確保炮孔相互平行，對(duì)于提高掏槽爆破效果十分關(guān)鍵。若炮孔向內(nèi)偏斜率過(guò)大，易于導(dǎo)致相鄰炮孔貫穿；若炮孔向外偏斜率過(guò)大，將會(huì)增大相鄰炮孔在孔底處的間距，增加了孔底掏槽爆破的難度，無(wú)法清除炮孔根底，影響每次掘進(jìn)爆破的進(jìn)尺。為此，需要提高現(xiàn)場(chǎng)炮孔布置的測(cè)量定位精度，最大程度減小鉆孔偏斜率。

（3）加強(qiáng)鉆孔操作人員的技能培訓(xùn)。鉆孔作業(yè)人員的水平直接影響掏槽孔成孔質(zhì)量。由于從業(yè)人員的素質(zhì)和技能水平層次不齊，勢(shì)必導(dǎo)致成孔質(zhì)量千差萬(wàn)別。因此，需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的理論知識(shí)和技術(shù)培訓(xùn)工作，優(yōu)選高效的鉆孔作業(yè)設(shè)備，提高鉆孔作業(yè)人員的操作水平和責(zé)任心，保證掏槽孔的鉆孔質(zhì)量。

（4）建立標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，提高現(xiàn)場(chǎng)管理水平。建立標(biāo)準(zhǔn)化掏槽爆破操作流程。每次爆破作業(yè)時(shí)，安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，確保嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行作業(yè)，保證每個(gè)炮孔的裝藥量，同時(shí)確保炮孔堵塞長(zhǎng)度和堵塞質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）掏槽爆破是影響掘進(jìn)爆破循環(huán)進(jìn)尺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)綜合考慮掏槽爆破的各個(gè)影響因素，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上優(yōu)選適宜的掏槽爆破方案以提高掘進(jìn)爆破效率。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，單空孔直眼掏槽方案的炮孔利用率最小，為60.33%；三空孔掏槽方案的炮孔利用率居中，為77.67%；三空孔掏槽爆破改進(jìn)方案的炮孔利用率最高，為89.00%。適當(dāng)增加空孔的數(shù)量，增大掏槽爆破的補(bǔ)償空間，有助于克服孔底夾制作用、改善爆破槽腔形成質(zhì)量，提高爆破循環(huán)進(jìn)尺。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，三空孔掏槽爆破改進(jìn)方案的炮孔利用率為88.55%～91.53%，平均炮孔利用率達(dá)到90.12%，掏槽效果較為理想，可以達(dá)到礦山高效率掘進(jìn)爆破的要求，對(duì)于類似條件礦山具有一定指導(dǎo)借鑒價(jià)值。