分段掏槽法在井下巷道快速掘進(jìn)中的應(yīng)用

邵文峰 SHAO Wen-feng；李海榮 LI Hai-rong；黃海雅 HUANG Hai-ya；楊新 YANG Xin

（①廣西佛子礦業(yè)有限公司，梧州 543100；②廣西大學(xué)，南寧 530004）

關(guān)健詞：佛子礦；分段掏槽；巷道快速掘進(jìn)

0 引言

巷道掘進(jìn)作為地下礦山開采的重要環(huán)節(jié)，巷道掘進(jìn)爆破效果的好壞直接影響著整個(gè)礦山的開采效率。為了提高小斷面硬巖的爆破掘進(jìn)效率，國內(nèi)多位學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究并由此提出了很多的優(yōu)化意見：程書斌在《分段掏槽》文中提出，在礦巖堅(jiān)固性系數(shù)為12～14 的瑯球山銅礦中采用分段掏槽爆破，循環(huán)進(jìn)尺可以提高20%左右。徐穎、劉積銘在淮南新集媒礦副井井筒采用深孔直眼分段掏槽技術(shù)，使平均炮眼利用率達(dá)95.4%，平循環(huán)進(jìn)尺3.86m。由此可見，分段掏槽爆破技術(shù)在巷道快速掘進(jìn)有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

1 工程概況

廣西佛子沖鉛鋅礦自1984 年建設(shè)投產(chǎn)以來，已經(jīng)過三十多年的發(fā)展，礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)已全部形成，各生產(chǎn)工藝已比較成熟。廣西佛子沖鉛鋅礦為中—低溫矽卡巖型鉛、鋅、銅多種金屬硫化礦床，礦床產(chǎn)于佛子沖背斜近軸部的奧陶系中統(tǒng)上組上段（O2b-2）地層內(nèi)，礦體成群、成帶產(chǎn)出，以似層狀礦體為主，部份呈透鏡狀及不規(guī)則狀，礦體產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀基本一致，長約30～150m，厚1.5～6m，傾角多為60～80°，少部分為20～30°。礦體沿走向及傾向礦體有膨脹、收縮、分枝現(xiàn)象，礦巖硬度系數(shù)f=8～12。

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 當(dāng)前爆破參數(shù)

廣西佛子沖鉛鋅礦古益礦井下巷道掘進(jìn)斷面大小為2.4m×2.5m，巖石硬度系數(shù)8～12，巖石較硬，礦山目前主要采用直眼掏槽法，當(dāng)前主要采用的爆破參數(shù)如下：

炮孔布置：掘進(jìn)斷面上一共設(shè)置13 個(gè)掏槽孔（5 個(gè)裝藥孔、8 個(gè)空眼），掏槽孔分為兩圈，內(nèi)圈掏槽孔共1 個(gè)，設(shè)置在8 個(gè)空眼中心，外圈掏槽孔共4 個(gè)，呈四邊形均勻分布在空眼外邊。詳細(xì)炮孔布置圖如圖1。

圖1 炮孔布置圖

裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量：使用2 號(hào)巖石乳化炸藥（32mm直徑藥卷）裝孔，除空眼不裝藥外，其余各孔裝藥長度均為1.8m，單孔裝藥量2kg，總裝藥量50kg。裝藥結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

起爆網(wǎng)路圖：起爆順序?yàn)椋禾筒劭住o助孔→周邊孔，具體起爆順序?yàn)閮?nèi)圈掏槽孔最先起爆，外圈掏槽孔同段起爆，再依次起爆輔助孔和周邊孔，每循環(huán)共使用雷管25發(fā)，起爆網(wǎng)路圖如圖3。

圖3 起爆網(wǎng)路圖

當(dāng)前礦山巷道掘進(jìn)爆破中，炮孔利用率約為89%，但爆堆塊度較大。為了提高井下巷道掘進(jìn)的效率，需加大每次爆破的炮孔深度，當(dāng)爆破的孔深加大至3～4m 以上時(shí)，直眼掏槽法的爆破效果變差，出現(xiàn)炮孔利用率不高、大塊增多等不良現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化原理

分段掏槽爆破過程中，前端分段炸藥爆后創(chuàng)造的新自由面，導(dǎo)致了巖石抗爆力沿孔深方向上的重新分布，減少了后端分段巖石抗爆作用。前端分段炸藥爆炸后，在應(yīng)力波和爆袈氣體的綜合作用下，槽腔內(nèi)上部巖右被破碎并向自由面方向移動(dòng)，脫離原巖體，為下段創(chuàng)造了一個(gè)新自由面；同時(shí)據(jù)微差爆破原理，前端分段炸藥爆后還將對(duì)后端分段施加預(yù)應(yīng)力。這些都有利于提高后端分段巖石的破碎效果。分段裝藥微差起爆，改善了炸藥爆破能量與巖石的匹配關(guān)系，使更多的爆炸能用于巖石破碎和更少的能量用于碎塊的拋擲。

2.3 掏槽優(yōu)化方式

為了滿足單次循壞進(jìn)尺能達(dá)到3m 以上，改善爆破效果，在參考了礦山現(xiàn)用的爆破參數(shù)基礎(chǔ)上，采用直眼分段掏槽法。直眼分段掏槽法利用了孔內(nèi)分段爆破的技術(shù)，對(duì)掏槽孔進(jìn)行分段爆破，每個(gè)掏槽孔裝兩發(fā)不同段數(shù)雷管，中間用炮泥或水袋隔開，爆破時(shí)先起爆炮孔前端藥包再起爆炮孔底部藥包，提高了掏槽成功率。

2.4 炮孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

炮孔直徑：炮孔直徑對(duì)鑿巖生產(chǎn)率、孔數(shù)、單位炸藥消耗量和巷道周壁平整度等都有影響。炮孔直徑以及相應(yīng)炸藥直徑的增大，使炸藥能量相對(duì)集中，這樣，爆速和爆炸穩(wěn)定性都相應(yīng)地提高。但是，炮孔直徑過大將導(dǎo)致鑿巖速度降低，并影響巖石破碎質(zhì)量、巷道周壁平整度和圍巖穩(wěn)固性。因此，佛子礦井下巷道掘進(jìn)使用YT-28 型氣腿式鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，釬頭采用一字型鉆頭（直徑為40mm）。

炮孔深度：炮孔深度是指炮孔底到工作面的垂直距離，為了實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，所有炮孔深度從2.5m 加深至3m～3.8m。

炮孔數(shù)目：炮孔數(shù)目主要同巷道斷面、巖石性質(zhì)和炸藥性能等因素有關(guān)，炮孔數(shù)過少將造成大塊巖渣過多，不利于高效率裝巖；反之，炮孔數(shù)過多則會(huì)使鑿巖工作量增大，根據(jù)公式計(jì)算炮孔數(shù)量：

式中，N 為炮孔數(shù)量；f 為普氏系數(shù)，取12；S 為巷道截面面積，取5.76m2；

計(jì)算得知N＞24.1，所以炮孔數(shù)目最少25 個(gè)。

空眼數(shù)目：在直眼掏槽法中，空眼作為首起爆裝藥眼的輔助自由面和破碎下巖石的膨脹空間，因此合理確定空眼的大小和位置是尤為重要的一步。

通過補(bǔ)償空間公式計(jì)算可得：

式中，v增為巖石粉碎圈范圍內(nèi)巖石破碎后增加的體積，m3；v補(bǔ)為提供補(bǔ)償空間大小，m3；R 為粉碎圈半徑，取5cm；h 為炮孔深度，取3m；n 為空孔個(gè)數(shù)；r2x為鉆孔半徑，取2cm；λ 為巖石膨脹系數(shù)，取1.5；

要使掏槽不被擠死應(yīng)有v補(bǔ)>v增，則有n≥6.25，由此可知，40mm 空眼至少為7 個(gè)。因礦山原采用的為8 空眼直眼掏槽，空眼的大小和數(shù)量可保持不變，故一共布置了8 個(gè)空眼，空眼間距0.05m，并在空孔中心布置一個(gè)裝藥孔。

孔間距：掘進(jìn)鉆孔直徑為40mm，根據(jù)公式：W=（15～30）d

式中，W 為最小抵抗線，m；d 為鉆孔直徑，m；

計(jì)算可知輔助孔和周邊孔的孔距在0.8～1.2m，孔深根據(jù)實(shí)際施工需要，可取3～4m。

現(xiàn)用的井下掘進(jìn)爆破炮孔數(shù)量及炮孔布置基本符合炮孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，因此各炮孔布置方式未做改變，詳見圖1。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

井下巷道掘進(jìn)爆破使用2 號(hào)巖石乳化炸藥（32mm 直徑藥卷）裝孔，根據(jù)優(yōu)化原理周邊孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，掏槽孔采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，間隔介質(zhì)使用炮泥或者水袋。以3m 炮孔深度為例，間隔后掏槽孔前端炮孔長度約為2.1m，裝藥長度1.5m，填塞長度0.6m，掏槽孔底部總長約為0.9m，裝藥長度0.6m，炮泥間隔長度0.3m。裝藥結(jié)構(gòu)剖面（A-A）如圖4 所示。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)剖面（A-A）

2.6 起爆網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

礦山使用的雷管為半秒延期導(dǎo)爆管雷管，因?yàn)樗幇鼣?shù)量不多，選用簇并聯(lián)起爆網(wǎng)路。起爆順序?yàn)椋禾筒劭住o助孔→周邊孔，每類炮孔再分組按順序起爆。其中掏槽孔分段起爆，起爆順序?yàn)榍岸怂幇绕鸨倨鸨撞克幇虼颂筒劭组g隔前端藥包裝低段數(shù)雷管（1、2 段），底部藥包裝較高段數(shù)雷管（3、4 段雷管），再依次起爆輔助孔和周邊孔，周邊孔采用同段雷管同時(shí)爆破，可以提高邊界平整度。雷管連線時(shí)將所有導(dǎo)爆管集成一束，并與一發(fā)引爆雷管捆扎在一起，形成整個(gè)起爆網(wǎng)路。起爆網(wǎng)路如圖5 所示。

圖5 起爆網(wǎng)路優(yōu)化圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證直眼分段掏槽法的實(shí)際爆破效果，礦山在井下多個(gè)中段進(jìn)行了多次試驗(yàn)。試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果后，在不改變掏槽方式的情況下，逐步加大炮孔深度，由最初3m孔深增加至3.5m 和4m。表1 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

3.2 優(yōu)化效果

通過了解礦山現(xiàn)在的掘進(jìn)爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與井下多組試驗(yàn)結(jié)果的指標(biāo)對(duì)比，得出兩種掏槽法在主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的異同如表2。

表2 兩種掏槽方式主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

當(dāng)根據(jù)表2 結(jié)果，直眼分段掏槽法比普通直眼掏槽法每循壞平均進(jìn)尺可增加0.9m 左右，單位炸藥消耗量可降低13%，既提高了掘進(jìn)效率又降低了爆破成本。

綜上可以得出：直眼分段掏槽法適用于佛子礦井下小斷面掘進(jìn)爆破，在炮孔深度為3m 和3.5m 的時(shí)候爆破效果最佳，炮孔利用率在91%以上；在炮孔深度為3.8m 的時(shí)候爆破效果次之，炮孔利用率在86%左右。現(xiàn)場爆破效果如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場爆破效果

4 結(jié)論

①孔內(nèi)分段掏槽的實(shí)質(zhì)就是沿孔深方向?qū)⒀b藥分段，段與段之間以水袋、炮泥等介質(zhì)相隔，然后自外向里按一定的微差間隔時(shí)間順序起爆，這種裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方式改變了炮孔內(nèi)裝藥能量的分配，使炮孔中部以外巖層能承受裝藥的爆炸能，同時(shí)，從時(shí)間上講，底部分段裝藥能充分利用外端分段裝藥爆炸的剩余應(yīng)力，增強(qiáng)破碎作用。從空間上講，外端分段裝藥爆破后為底部分段創(chuàng)造了新的自由面和更多的或大或小的裂隙輔助自由面。更為重要的是導(dǎo)致裝藥破巖等效抵抗發(fā)生變化以及巖石抗爆阻力沿孔深方向重新分布，使得深孔能夠達(dá)到深爆，提高炮孔利用率，改善破碎塊度及減小拋擲距離，最后掏出理想的槽腔。

②井下爆破試驗(yàn)取得了良好的效果，體現(xiàn)了分段掏槽法在井下巷道掘進(jìn)爆破的優(yōu)勢，為提高巷道掘進(jìn)生產(chǎn)效率提供了技術(shù)參考。