小斷面巷道掘進爆破參數優化研究*

張素平，鄭 位，陳 劍，劉 鵬，李 鵬

（云南錫業股份有限公司大屯錫礦，云南 個舊 661021）

隨著我國經濟的高速發展對礦產資源的需求也不斷增加，對巷道掘進的速度要求也越來越高，掏槽作為優先起爆，可以形成一個槽腔，為后續的起爆提供自由面和膨脹空間[1]。掏槽方式一般分為直眼掏槽和斜眼掏槽、準直眼掏槽三種，直眼掏槽主要有螺旋掏槽、菱形掏槽、角柱掏槽等。直眼掏槽具有操作簡單、適用于各類巖層等優點；斜眼掏槽主要有楔形掏槽、扇形掏槽、錐形掏槽等，斜眼掏槽具有掏槽效率高、使用炮孔少、節省藥量等優點[2]；準直眼掏槽其掏槽眼與工作面一般為75°～85°，利用掌子面提供的自由面，使得爆破效果增強，與直眼掏槽相比減小了炮孔的數量，與斜眼掏槽相比對于工作面的寬度要求較小[3]。

為了提高巷道掘進的炮孔利用率，我國學者對掏槽方式進行了諸多研究。劉優平[4]等通過理論分析與試驗得到掏槽爆破中空孔具有應力集中效應，適當的增加空孔孔徑有利于提高爆破循環進尺。單仁亮，黃寶龍[5]等提出準直眼掏槽，并在巷道掘進試驗中取得良好的爆破效果。梁瑞[6]等對準直眼掏槽爆破進行了數值模擬分析，得出其適用在巖石硬度較大、炮孔深度較深的掏槽爆破。歐明鑫[7]等對小空孔九孔直孔掏槽、三對孔水平楔形掏槽、大空孔單螺旋掏槽等三種常見的掏槽形式進行數值模擬分析，得出大空孔單螺旋掏槽與三對孔水平楔形掏槽相較于小空孔九孔直孔掏槽，其巖石破碎和成腔效果較好。穆兵兵[8]通過理論分析、數值模擬和模型試驗三者相結合的方法，研究得出菱形掏槽的掏槽效果優于方形掏槽，且通過模擬當裝藥孔與空孔距離為24 cm時，爆破效果最好，并通過模型試驗進行驗證。

1 小斷面巷道掘進爆破現狀以及存在問題

1.1 爆破現狀

云南省某錫礦小斷面是指巷道斷面為（1 800×1 800）mm的巷道，巷道掘進鑿巖采用YT-29A氣腿式鑿巖機，釬長1 800 mm，鉆孔深度在（1.5～1.6） m之間，炮孔直徑d1=35 mm，掏槽方案采用桶形掏槽，掏槽空孔炮孔直徑d2=35 mm，裝藥孔與掏槽空孔的孔距為50 mm；炸藥采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑φ=32 mm，長度L=320 mm，質量m=0.3 kg/卷，雷管采用塑料導爆管雷管。當爆破對象為普通堅硬大理巖（f=6左右），掏槽采用1個裝藥孔、4個空孔，單循環使用炸藥18 kg，平均進尺為1.3 m，炮孔利用率80%左右，平均炸藥單耗為4.27 kg/m3；當爆破對象為堅硬大理巖（f=8左右），掏槽采用1個裝藥孔、5個空孔，單循環使用炸藥21 kg，平均進尺為1.3 m，炮孔利用率80%左右，平均炸藥單耗為5.0 kg/m3。

1.2 存在問題

掏槽方式采用桶形掏槽，中間裝藥孔與周邊空孔的孔距離為50 mm，鉆孔時裝藥孔與空孔極易打穿或者打偏，這將嚴重影響槽腔的形成，50 mm的炮孔間距對施工隊伍的鉆孔水平提出了較高的要求，也就意味著爆破效果更容易受到鉆孔質量的影響；掏槽孔、輔助孔與周邊孔炮孔深度均為1.6 m，掏槽孔沒有超深，忽視了炮孔超深深度和炮孔利用率之間的關系，造成鉆孔功效與炸藥等爆破器材的浪費；炮孔填塞不夠嚴格、到位，影響了爆炸氣體在孔內的作用時間，進而影響到巖石的破碎與拋擲；炮孔利用率較低，炸藥單耗高。

2 現場掏槽試驗

針對云南省某錫礦小斷面巷道掘進暴露出的問題，基于礦山現有鑿巖設備、巷道斷面尺寸以及礦巖特性，對準直眼掏槽、三角柱直眼掏槽、四角柱直眼掏槽、大直徑空孔直眼掏槽進行現場爆破試驗，并對掏槽效果進行對比分析。

2.1 準直眼掏槽試驗

在借鑒前人研究成果的基礎上，設計了7種準直眼掏槽方案，由于篇幅所限，本文以一種方案為例，炮孔布置方案見圖1、圖2，現場布孔效果以及爆破效果見圖3、圖4，爆破參數見表1。

圖1 準直眼掏槽正視圖Fig.1 Front view of quasi-parallel cutting mm

圖2 準直眼掏槽俯視圖Fig.2 Bird's eye view of quasi-parallel cutting mm

圖3 炮孔現場布置圖Fig.3 Site layout plan of blast holes

圖4 現場爆破效果圖Fig.4 On site blasting effect drawing

表1 準直眼掏槽爆破參數表Tab.1 Blasting parameters of quasi-parallel cutting

掏槽試驗結果分析：掏槽試驗共計使用2#巖石乳化炸藥7.2 kg；起爆孔使用秒延期導爆管雷管8發；炮孔深度為1.6 m，4、5、6號孔留有0.4 m的殘孔，7、8號孔留有0.5 m的殘孔，掏槽試驗失敗。其余6次準直眼掏槽試驗也全部遭到了失敗。

2.2 三角柱直眼掏槽試驗

根據現場實際情況，設計了三角柱直眼掏槽方案，炮孔布置方案見圖5、圖6，現場布孔效果以及爆破效果見圖圖7、圖8，爆破參數見表2。

表2 三角柱直眼掏槽爆破參數表Tab.2 Blasting parameters of triangular prism parallel cutting

圖5 三角柱直眼掏槽正視圖Fig.5 Front view of triangular prism parallel cutting mm

圖6 三角柱直眼掏槽俯視圖Fig.6 Bird's eye view of triangular prism parallel cutting mm

圖7 炮孔現場布置圖Fig.7 Site layout plan of blast holes

圖8 現場爆破效果圖Fig.8 On site blasting effect drawing

掏槽試驗結果分析：試驗共計使用2#巖石乳化炸藥8.25 kg；起爆孔使用秒延期導爆管雷管7發；掏槽孔深度為1.8 m，掏槽進尺1.5 m左右，炮孔利用率83.3%。

2.3 四角柱直眼掏槽試驗

根據現場實際情況，設計了四角柱直眼掏槽方案，炮孔布置方案見圖9、圖10，現場布孔效果以及爆破效果見圖11、圖12，爆破參數見表3。

表3 四角柱直眼掏槽爆破參數表Tab.3 Blasting parameters of four-corner columns parallel cutting

圖9 四角柱直眼掏槽正視圖Fig.9 Front view of four-corner columns parallel cutting mm

圖10 四角柱直眼掏槽俯視圖Fig.10 Bird's eye view of four-corner columns parallel cutting mm

圖11 炮孔現場布置圖Fig.11 Site layout plan of blast holes

圖12 現場爆破效果圖Fig.12 On-site blasting effect drawing

掏槽試驗結果分析：此次掏槽試驗共計使用2#巖石乳化炸藥9.6 kg；起爆孔使用秒延期導爆管雷管8發；炮孔深度為1.8 m，爆后7號孔出現盲炮，其余炮孔均有0.6 m殘孔，掏槽失敗。

2.4 大直徑空孔直眼掏槽

根據現場實際情況，設計了大直徑空孔直眼掏槽試驗方案，大直徑空孔直徑d=70 mm，裝藥孔與空孔的距離為100 mm，炮孔布置方案見圖13、圖14，現場擴孔以及擴孔效果見圖15、圖16，具體爆破參數見表4。

表4 大直徑空孔直眼掏槽爆破參數表Tab.4 Blasting parameters of large diameter empty holes parallel cutting

圖13 大直徑空孔直眼掏槽正視圖Fig.13 Front view of large diameter empty holes parallel cutting mm

圖14 大直徑空孔直眼掏槽俯視圖Fig.14 Bird's eye view of large diameter empty holes parallel cutting mm

圖15 現場擴孔圖Fig.15 On-site reaming chart

圖16 擴孔效果圖Fig.16 Reaming effect chart

掏槽試驗結果分析：此次巷道掘進試驗共計使用2#巖石乳化炸藥9.6 kg；起爆孔使用秒延期導爆管雷管9發；掏槽孔深度為1.6 m，掏槽進尺1.5 m左右，炮孔利用率93.7%。

通過綜合對比準直眼掏槽、三菱柱直眼掏槽、四角柱直眼掏槽以及大直徑空孔直眼掏槽的爆破效果發現，大直徑空孔直眼掏槽的炮孔利用最高，掏槽效果最好。因此，選用大直徑空孔直眼掏槽作為小斷面巷道掘進的標準掏槽方式。

3 全斷面巷道掘進試驗

將大直徑空孔直眼掏槽用于全斷面巷道掘進試驗，炮孔布置方案見圖17，普通大理巖單循環用藥16.8 kg，堅硬大理巖單循環用藥18.0 kg，現場布孔效果以及爆破效果見圖18、圖19，爆破參數見表5。

表5 全斷面爆破參數表（普通大理巖f=6～8）Tab.5 Blasting parameters of full section (general marble f=6～8)

圖17 炮孔布置方案Fig.17 Blast hole arrangement scheme

圖18 現場炮孔布置圖Fig.18 On-site blast holes arrangement diagram

圖19 現場爆破效果圖（無殘孔）Fig.19 On-site blasting effect drawing (no residual hole)

爆破效果總結：利用大直徑空孔直眼掏槽進行全斷面巷道掘進爆破試驗10次，普通大理巖平均進尺由原來的1.3 m提高到1.45 m，炮孔利用率由原來的81%提高到96%，炸藥單耗由原來的4.27 kg/m3減少到3.57 kg/m3，同比降低16.4%；堅硬大理巖平均進尺由原來的1.3 m提高到1.4 m，炮孔利用率由原來的81%提高到93%，炸藥單耗由原來的5.0 kg/m3減少到3.83 kg/m3，同比降低23%。

4 結語

1）通過將準直眼掏槽、三角柱直眼掏槽、四角柱直眼掏槽、大直徑空孔直眼掏槽的爆破效果進行對比，發現大直徑空孔直眼掏槽適用于云南省某錫礦小斷面巷道掘進爆破，掏槽關鍵參數如下：炮孔直徑d1=35 mm，掏槽空孔直徑d2=70 mm，大直徑空孔布置2個，空眼眼壁至裝藥眼眼壁的最小距離a<105 mm，空眼中心至裝藥眼中心的間距=（100～150） mm；

2）在保證鉆眼精度的情況下，與原巷道掘進爆破方案相比，炮孔利用率可由原來的80%提高到95%左右，平均炸藥單耗同比可降低16.4%左右。