掘進(jìn)巷道節(jié)理組分析及爆破參數(shù)優(yōu)化分析①

郭學(xué)庭，李 騰，，王乃偉，唐文平，張 超

（1．北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2．甘肅省隴南市西和縣中寶礦業(yè)有限公司，甘肅 隴南746511）

山東某金礦位于低中山區(qū)，礦區(qū)所在海拔高度1 800～2 100 m，相對高差200～300 m，地勢較陡。礦區(qū)斷裂較為發(fā)育，巖石質(zhì)量較好，巖體較完整，質(zhì)量等級Ⅲ級，不易產(chǎn)生冒頂、坍塌等工程地質(zhì)問題，選用光面爆破進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作。決定巷道爆破效果的主要因素有巷道斷面面積、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、掏槽方式和裝藥結(jié)構(gòu)等［1－5］。為了提升礦山井下掘進(jìn)開拓效率和改善巷道掘進(jìn)的爆破效果，提高其他相關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)的整體作業(yè)效率，本文針對整個礦區(qū)的掘進(jìn)巷道進(jìn)行優(yōu)勢節(jié)理組分析及光面爆破方案優(yōu)化設(shè)計。

1 工程概述

礦山井下巷道掘進(jìn)開采施工中，相比于普通鉆爆法，采用光面爆破技術(shù)施工，打孔數(shù)目較多、作業(yè)時間較長，但施工巷道成形更規(guī)整，能減少掘進(jìn)施工過程中的超挖、欠挖作業(yè)量，尺寸基本符合設(shè)計要求。山東某金礦掘進(jìn)巷道巖性為灰?guī)r及板巖，大巷橫截面積為2．5 m×2．5 m三心拱，巖石堅固系數(shù)6～8，使用YT－28鑿巖機(jī)進(jìn)行作業(yè)，孔徑40 mm，孔深2．5 m，單次循環(huán)進(jìn)尺2．4 m。

目前礦山主要掘進(jìn)的巷道中，超挖、欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，這些現(xiàn)象會嚴(yán)重阻礙井下巷道掘進(jìn)效率、影響光面爆破的效果。究其原因，是原先光面爆破的炮孔布置存在缺陷，即過多布置輔助孔而導(dǎo)致爆破能量分布不均勻，尤其是該礦斷裂帶為地質(zhì)條件復(fù)雜、具有明顯早期張裂晚期壓扭性質(zhì)的節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，超欠挖現(xiàn)象更為顯著。

圖1為原爆破施工炮孔布置圖。該方案爆破效果不理想，巷道成形效果較差，炮孔利用率僅為85%，且由于輔助孔較多，炸藥消耗量較大。為實現(xiàn)良好的光面效果，對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加周邊孔布置，減少輔助孔，并采用10段起爆。

圖1 優(yōu)化前炮孔布置（單位：mm）

2 礦區(qū)節(jié)理分析及穩(wěn)定性分級

2．1 優(yōu)勢節(jié)理組選取

為有效預(yù)防光面爆破超欠挖現(xiàn)象，特針對該金礦節(jié)理進(jìn)行穩(wěn)定性分析，利用修正后的Hoek-Brown準(zhǔn)則對礦山圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減［6］，折減后的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

采用非接觸掃描系統(tǒng)ShapeMetrix 3D進(jìn)行圍巖節(jié)理裂隙掃描，獲取礦區(qū)整體的節(jié)理參數(shù)及發(fā)育程度。通過對整個礦山進(jìn)行節(jié)理掃描分析，該金礦巖體結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀主要有3組，分布規(guī)律見表2。

表2 優(yōu)勢節(jié)理組參數(shù)

2．2 優(yōu)勢節(jié)理組分析

采用Unwedge軟件，結(jié)合塊體理論，將礦體圍巖力學(xué)參數(shù)與優(yōu)勢節(jié)理組測量結(jié)果進(jìn)行分析。對光面爆破巷道分析形成的結(jié)構(gòu)面1、2、3組合形成的結(jié)構(gòu)面塊體分布如圖2所示。

圖2 優(yōu)勢節(jié)理組組合立體圖

優(yōu)勢節(jié)理組主要塊體的安全系數(shù)如表3和圖3所列。由表3可知，塊體1，2，6，7，8均為穩(wěn)定塊體，底板和排水溝一側(cè)幫上的3個塊體最為穩(wěn)固，頂板和左幫塊體穩(wěn)定性最差。

表3 優(yōu)勢節(jié)理組安全系數(shù)

圖3 優(yōu)勢節(jié)理組周邊穩(wěn)定性分布

由此可以判斷，井下進(jìn)行光面爆破作業(yè)時，巖體存在優(yōu)勢節(jié)理組而導(dǎo)致爆破效果與設(shè)計存在偏差，超欠挖現(xiàn)象時有發(fā)生。通過對該金礦節(jié)理穩(wěn)定性分析可知，設(shè)計優(yōu)化方案應(yīng)著重考慮到塊體2、6所在右?guī)臀恢门c塊體7、8所在頂板與左幫位置對光面爆破的影響。

2．3 巖體穩(wěn)定性分級

用分形理論法將節(jié)理掃描圖結(jié)構(gòu)面分成若干矩形，通過改變觀測尺度的方法計算二維巖體結(jié)構(gòu)面的分形維數(shù)。參考文獻(xiàn)［7－9］，并結(jié)合分形維數(shù)相關(guān)理論將巖體穩(wěn)定性分為5級，具體見表4。

表4 分形理論巖體穩(wěn)定性分級

對1 780 m水平上盤圍巖進(jìn)行分形計算，通過對節(jié)理掃描分析可知，礦區(qū)大部分巖體的分形維數(shù)在1．417～1．587之間，均為Ⅲ級圍巖，巖體質(zhì)量一般。后續(xù)進(jìn)行掘進(jìn)巷道光面爆破設(shè)計優(yōu)化時，圍巖均假定為Ⅲ級圍巖，將圍巖節(jié)理裂隙特性在優(yōu)勢節(jié)理組范圍內(nèi)進(jìn)行研究。

3 光面爆破優(yōu)化設(shè)計

3．1 設(shè)計優(yōu)化方案

設(shè)計方案主要包括選取爆破器材、選擇起爆網(wǎng)絡(luò)、布置裝藥結(jié)構(gòu)以及具體施工方法。根據(jù)每一循環(huán)的進(jìn)尺要求，采用螺旋掏槽方式，其主要優(yōu)點是炮孔利用率高、布孔方式簡單；根據(jù)礦山實際條件，選擇巖石改性銨油炸藥、毫秒延期導(dǎo)爆管雷管；選擇串并聯(lián)起爆網(wǎng)路，采用10段起爆；采用反向間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，人工裝藥法；采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔施工、機(jī)械挖裝出碴。

3．2 爆破參數(shù)選取

依據(jù)前文得到的圍巖等級，考慮巖體節(jié)理分布，設(shè)計采用螺旋掏槽布置方式，共設(shè)計36個炮孔，其中包括空孔8個、掏槽孔6個、輔助孔5個、周邊孔12個、底孔5個。設(shè)計炮孔布置如圖4所示，其中，掏槽孔間距150 mm，輔助孔間距600 mm，周邊孔間距500～550 mm，周邊孔孔口距離巷道周邊100 mm，孔底距150 mm。

圖4 優(yōu)化后炮孔布置圖（單位：mm）

具體包括：由鉆孔機(jī)具確定炮孔直徑40 mm；根據(jù)鉆桿長度和炮孔利用率（85%），設(shè)計炮孔深度2．5 m；共布置14個掏槽孔，其中8個孔為空孔，采用螺旋式掏槽；設(shè)計掏槽孔間距150 mm，排距150 mm，均向中部炮孔傾斜，保證孔底距不少于20 mm；共布置17個周邊孔，其中頂孔5個、底孔5個、幫孔7個；頂孔、幫孔孔口中心均距離輪廓線100 mm，炮孔向外傾斜5°，保證孔底超出輪廓線100 mm；底孔高出底板水平150 mm，炮孔向下傾斜5°，保證孔底超出底部輪廓線100 mm。

3．3 爆破施工工藝

1）施工準(zhǔn)備：機(jī)械設(shè)備與炸藥準(zhǔn)備齊全，明確人員責(zé)任分工；按照設(shè)計要求測定炮孔點位，利用紅漆標(biāo)定測得的炮孔位置并標(biāo)號。

2）布孔：指定專業(yè)爆破施工人員進(jìn)行布孔，嚴(yán)格按照設(shè)計優(yōu)化后的炮孔布置圖進(jìn)行現(xiàn)場布設(shè)，本次采用的布孔方法是先布掏槽孔和空孔1～14號，再布設(shè)周邊孔20～36號，最后布設(shè)輔助孔15～19號，共計布設(shè)36個孔。

3）鉆孔：按照設(shè)計要求進(jìn)行鉆孔，掏槽孔與周邊孔鉆孔時一定要按照設(shè)計的角度進(jìn)行施工，確保施工準(zhǔn)確性。

4）裝藥：炮孔驗收后進(jìn)行裝藥，設(shè)計采用反向間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，人工裝藥。裝藥嚴(yán)格按照設(shè)計裝藥量進(jìn)行，裝藥過程中，1號掏槽孔為防止啞火，布置2個導(dǎo)爆管與藥卷連接（9卷藥卷）；21、24、26、29號周邊孔主要提供自由面，布置藥卷時在孔內(nèi)只裝一半藥卷（一般為4卷藥卷）。具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

5）堵塞：堵塞長度不小于最小抵抗線長度，堵塞材料應(yīng)選用黃泥。

3．4 起爆網(wǎng)絡(luò)及起爆

在起爆前預(yù)先開展現(xiàn)場試爆工作。本優(yōu)化采取10段起爆的導(dǎo)爆管起爆法，網(wǎng)路用串并聯(lián)方式。起爆順序為掏槽孔→輔助孔→周邊孔→底孔，具體起爆順序見圖6。

圖6 起爆順序

3．5 施工組織與安全

嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的施工要求進(jìn)行各項作業(yè)，爆破負(fù)責(zé)人要統(tǒng)籌整個現(xiàn)場的管理工作，檢查施工質(zhì)量和進(jìn)度、安全狀況等；爆破施工人員應(yīng)當(dāng)有充足的現(xiàn)場技能安全培訓(xùn)和學(xué)習(xí)；爆破前應(yīng)發(fā)出預(yù)爆信號和爆破信號，確保所有人都撤出到安全距離以外，才能進(jìn)行爆破；爆破后應(yīng)等炮孔排除干凈后，才能前去進(jìn)行清理工作；在掘進(jìn)巷道一定距離安裝局部通風(fēng)機(jī)并在出風(fēng)口接上風(fēng)筒，以便將新鮮風(fēng)流送入工作面，保障施工人員擁有良好的工作環(huán)境。

3．6 設(shè)計裝藥參數(shù)

每一循環(huán)爆破掘進(jìn)工程量14．54 m3，耗用炸藥34．80 kg，實際單耗34．80／14．54＝2．39 kg／m3，耗用導(dǎo)爆管雷管28發(fā)。具體裝藥參數(shù)見表5。

表5 炮孔裝藥參數(shù)

4 爆破優(yōu)化設(shè)計效果

4．1 爆破現(xiàn)場試驗對比

通過對掘進(jìn)巷道光面爆破優(yōu)化后，由式（1）求得實際炸藥單耗由原來的2．69 kg／m3減至2．39 kg／m3，爆破成本顯著降低。爆破參數(shù)計算遵循體積法則：在一定的炸藥、巖石和爆破參數(shù)條件下，爆下的巖石等介質(zhì)體積，同所用的裝藥量成正比［6］。

式中Q為一個循環(huán)的總裝藥量；q為單位炸藥消耗量，kg／m3；v為爆破漏斗體積，m3。

爆破漏斗體積可以等效為巷道開挖體積的工程量：

式中s為掘進(jìn)巷道斷面開挖面積，m2；L為炮孔深度，m；η為炮孔利用率，取90%。

由式（2）計算可得，原本掘進(jìn)施工的掏槽孔炸藥單耗為18．0 kg／m3，輔助孔單耗為2．52 kg／m3；優(yōu)化后掏槽孔炸藥單耗14．4 kg／m3，輔助孔炸藥單耗2．25 kg／m3。優(yōu)化后各項炸藥單耗都顯著減少。

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的光面爆破10段起爆網(wǎng)絡(luò)的炮孔利用率從原先的85%提升到90%以上，單次循環(huán)進(jìn)尺從2．4 m提升到2．5 m，每循環(huán)裝藥總量減少3 kg，光面爆破的爆破效果和巷道成形情況良好，符合設(shè)計要求和規(guī)范，提升了礦山經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。爆破優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)詳見表6。

表6 優(yōu)化前后部分經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4．2 爆破振動影響分析

該金礦1780中段83線為穿脈揭露礦體，礦體標(biāo)高延伸至1 810 m左右。礦體正上方為生活辦公區(qū)（標(biāo)高1 840 m），礦體開采對生活辦公區(qū)會產(chǎn)生較大擾動，且由于采空區(qū)“群效應(yīng)”，采空區(qū)圍巖和頂板應(yīng)力狀態(tài)更加危險，加劇了采空區(qū)的危險等級［10］。為避免井下爆破振動對地表建筑物和井下采空區(qū)的擾動破壞，以薩道夫斯基公式［11－12］計算地表爆破振動速度衰減情況：

式中V為爆破振動速度，m／s；K為場地系數(shù)；Q為裝藥量，kg；R為爆心距，m；α為衰減系數(shù)。因為該礦巖石堅固系數(shù)6～10，為比較堅固及堅固巖石，由《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）中爆區(qū)的巖性K、α值規(guī)定，K值取150，α值取1．5。

由式（3）計算可得，地表爆破振動速度1．90 cm／s。因礦山目前為淺孔爆破，頻率在40～100 Hz之間，安全允許振速3．0 cm／s以上。本設(shè)計完全符合安全規(guī)范與要求，已盡可能地降低對地表建筑物的破壞。

5 結(jié) 論

1）針對某金礦復(fù)雜地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)爆破中存在的超欠挖現(xiàn)象，進(jìn)行礦區(qū)節(jié)理分析及穩(wěn)定性分級，得出巖體主要為Ⅲ級圍巖，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了光面爆破優(yōu)化設(shè)計。

2）以掘進(jìn)巷道中光面爆破參數(shù)優(yōu)化為主要研究內(nèi)容，爆破優(yōu)化設(shè)計采用螺旋掏槽，優(yōu)化了炮孔布置與裝藥起爆網(wǎng)絡(luò)，增加周邊孔和減少輔助孔布置，選用反向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)并10段起爆。并利用爆破參數(shù)計算法則求得掘進(jìn)巷道爆破炸藥實際單耗從2．69 kg／m3減至2．39 kg／m3。

3）由薩道夫斯基公式求得爆破振動速度1．90 cm／s，符合安全規(guī)程和現(xiàn)場施工情況。

4）現(xiàn)場爆破作業(yè)驗證了該優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)越性，優(yōu)化后的炮孔利用率從85%提高到90%以上，單次循環(huán)進(jìn)尺提高了0．1 m。