空孔在硬岩光面爆破作用中的试验与应用_张伟.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 007空孔在硬岩光面爆破作用中的试验与应用*张伟1，2，褚夫蛟1，王银刚2，张兴强2(1 山东理工大学 资源与环境工程学院，淄博 255000;2 山东金创股份有限公司，烟台 265600)摘要:光面爆破对巷道稳定性和安全性意义重大。普通光面爆破法应用在小断面硬岩巷道全断面一次爆破上存在一些弊端，由于周边孔装药量、孔间距及不耦合系数的关系，爆破后出现超欠挖现象，成形不规则，增加了支护工作量，降低了掘进效率，片帮与顶板垮塌等问题。为了达到全断面光面爆破一次成巷，尽量减小爆破对围岩的破坏，改善巷道成形，保证巷道安全高效掘进。利用空孔的应力集中效应，在周边孔设计6 个大直径空孔，空孔直径 =70 mm，周边孔间距由原来的 544 600 mm 减少到 400 mm，并且均匀布置在巷道轮廓上;周边孔选择空气间隔装药结构，间距 0 4 m。选取在黑岚沟金矿 500 m 中段掘进巷道进行光面爆破试验，试验结果表明:在小断面硬岩巷道全断面一次爆破中，与普通光面爆破法相比，优化后的光面爆破在技术经济安全方面更加显著。巷道掘进平均循环进尺增加 0 03 m，平均半孔率提高 34%，炸药单耗降低了 0 42 kg/m3，爆破作业成本降低了 7 82 元/m3。巷道壁完整光滑，顶板稳定性更好，能够有效降低对围岩的扰动程度，为深部硬岩全断面掘进的矿山提供经验。关键词:空孔;硬岩巷道;光面爆破;全断面掘进中图分类号:TD263文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0048 05收稿日期:2023 01 31作者简介:张伟(1989 )，男，助理工程师、在职硕士，从事采矿技术与地下工程爆破研究，(E-mail)780041664 qq com。通讯作者:褚夫蛟(1988 )，男，讲师、博士，从事控制爆破研究，(E-mail)zzchufj sina com。基金项目:国家自然科学基金(51904177)Experiment and Application of Empty Holein Smooth Blasting of Hard ockZHANG Wei1，2，CHU Fu-jiao1，WANG Yin-gang2，ZHANG Xing-qiang2(1 Shandong University of Technology School of esources and Environmental Engineering，Zibo 255000，China;2 Shandong Jinchuang Co，Ltd，Yantai 265600，China)Abstract:Smooth blasting is of great significance to roadway stability and safety The conventional smooth blas-ting method has some disadvantages when applied to the full-section blasting of a small section roadway in hard rockDue to the selection of unreasonable charge quantity of the contour hole，hole spacing and decoupling coefficient，thephenomenon of backbreak or underbreak occurs after blasting This approach can also lead to increased supportwork，decreased efficiency，and problems such as sidewall collapse and roof caving To achieve a one-time full-sectionsmooth blasting of the tunnel and reduce damage to the surrounding rock，an optimized smooth blasting method wasdeveloped Six large-diameter empty holes with a diameter of 70 mm were designed at the periphery of the tunnel u-sing the stress concentration effect of empty holes The distance between the contour holes was reduced from 544 600 mm to 400 mm and evenly distributed around the tunnel contour The contour holes were charged with the airdecking structure and spaced at intervals of 0 4 m The optimized smooth blasting method was applied in a test of ahard rock tunnel in the middle roadway of Heilangou Gold Mine at a depth of 500 m esults show that comparedwith the traditional smooth blasting method，the optimized smooth blasting is more remarkable in technical，economicand safety aspects The average footage increased by 0 03 m，the average half-hole rate increased by 34%，the explo-sive consumption decreased by 0 42 kg/m3，and the blasting operation cost decreased by 7 82 yuan/m3 The tunnelwalls were smooth，and the roof stability was better，effectively reducing the disturbance to the surrounding rock，pro-viding valuable experience for deep hard rock miningKey words:empty hole;hard rock roadway;smooth blasting;full section excavation20 世纪 50 年代，瑞典率先提出了光面爆破技术，随后美国、加拿大也加入了研究，我国自 20 世纪70 年代开始在矿山、隧道、水利工程等方面开始应用光面爆破技术。很多国内外学者长期致力于光面爆破技术的改进，随着人们对安全生产的重视程度与技术需求，光面爆破技术在深部开采、地应力等不同地质环境条件下得到了很多优化1-8。Nguyen Ngoc MINH 等结合 Delphi 程序语言与AutoCAD 提出了一种隧道爆破模型9，表明炸药单耗随着岩石硬度系数、裂隙间距和炮孔直径的增加而增加，随着断面增大而减小;潘城等采用 iedel-Hiermaier-Thoma(HT)模型研究了装药结构对岩体爆破损伤的影响10，模拟结果表明，偏心爆破具有明显的压力偏心效应，通过进一步优化爆破参数，有效地控制了超欠挖现象。李卓等通过理论计算及LS-DYNA 数值模拟方法11，发现双空孔可为掏槽孔间产生连贯空腔提供良好条件，光爆孔间距为40 cm 时可达到最佳效果，随着间距增加，两孔间的损伤区由贯通转为不贯通;付佳佳等从理论和数值模拟上解释了空孔具有改善光面爆破效果的作用12;满轲等解释了空孔效应破岩机理13，14，分析并计算得到周边装药孔与空孔的间距，通过合理的间距对坚硬岩光面爆破中至关重要。鉴于此，针对深部硬岩小断面巷道，从大直径空孔与周边孔装药孔相结合进行研究15，16。分析了普通光面爆破法在深部小断面硬岩掘进中存在的不足之处，并将周边孔布置优化，即在周边孔设计若干大直径空孔，同时减小周边孔间距及单孔装药量，选择在山东金创股份有限公司黑岚沟矿区 500 m 中段(距地表 684 m)岩巷展开试验。1工程概况1 1矿区概况山东金创股份有限公司黑岚沟金矿位于蓬莱区东南 45 km 处，建矿 30 余年，现生产能力为 20 万吨/年。区内地层出露较简单，构造运动较频繁，构造主要为接触带构造与断裂构造。岩浆活动强烈，岩浆岩十分发育，分布面积较广，约占 70%以上，主要有中生代燕山早期郭家岭超单元、新元古代震旦期玲珑超单元、古元古代吕梁期双顶超单元、新太古代五台 阜平期栖霞超单元、马连庄超单元以及由上述侵入岩派生的各类脉岩，围岩主要为二长花岗岩，其次为煌斑岩。经测定，二长花岗岩的主要性质如表 1。表 1围岩主要物理性质Table 1Main physical properties of surrounding rock岩性密度/(gcm3)单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa抗拉强度/MPa泊松比二长花岗岩2 72146 344 18 690 281 2普通光面爆破技术以巷道断面为 2 2 m 2 2 m(断面积为4 49 m2)为例，岩石的坚固性系数 f=10 14，凿岩设备利用企业现有 YT-28 风动式凿岩机，钎杆长2 5 m，钻头 =40 mm，采用2#岩石乳化炸药和1 10 段毫秒延期导爆管雷管，药卷规格:=32 mm，H=220 mm，G=0 2 kg。掏槽孔:采用桶型掏槽，孔数 7 个，其中 6 个不装药，孔深 2 5 m，装药量 2 0 kg(10 卷);辅助孔:孔数9 个，孔深2 4 m，单孔装药量1 6 kg(8 卷)，装药长度 1 76 m，连续不耦合装药;周边孔:孔数9 个，孔深 2 4 m，帮孔与顶孔单孔装药量 1 0 kg(5 卷)，装药长度 1 10 m;底孔:孔数4 个，孔深2 4 m，单孔装药量 1 4 kg(7 卷)，装药长度 1 54 m，连续不耦合装药或者间隔不耦合装药，炮泥填塞 300 400 mm，簇 连 方 式 起 爆。每 循 环 炸 药 消 耗 量30 2 kg，导爆管消耗 24 发。普通光面爆破炮孔布置图，如图 1 所示。1 3普通光面爆破效果结果表明:平均每循环进尺 2 27 m，平均半孔率32%，炸药单耗296 kg/m3，导爆管单耗 245 发/m3，爆破成本 85 75 元/m3。存在的问题:由于药卷直径和孔径的关系，不耦合系数较大，周边孔无论采用连续不耦合装药或者94第 40 卷第 2 期张伟，褚夫蛟，王银刚，等空孔在硬岩光面爆破作用中的试验与应用间隔不耦合结构，炸药单耗都较高，局部超挖严重，对孔底围岩的破坏性较大，部分孔口有“挂帘子”现象，半孔率较低，巷道轮廓不光滑，光面爆破效果不理想。对于断面更大的巷道，其爆破要分两次成形，这样会大大降低掘进效率。爆破后如图 2 所示。图 1普通光面爆破炮孔布置图(单位:mm)Fig 1Arrangement of conventionalsmooth blasting holes(unit:mm)图 2普通光面爆破现场拍摄Fig 2General smooth blasting scene shot2周边孔参数优化2 1光爆层厚度光爆层厚度，即炮孔中心到自由面的最小距离，岩石爆破效果与光爆层厚度有关。根据经验公式，光爆层厚度可表示为 W=(0 6 0 8)m，本试验W 取 0 63 m。2 2周边孔孔距大量研究表明，空孔具有导向作用，并且空孔附近的应力会明显增大。在周边孔均匀布置 6 个大直径空孔，直径 70 mm，结合经验方法，炮孔间距一般为炮孔直径的 10 15 倍，选择间距 0 35 m、0 4 m、045 m 和 0 5 m 四组数据进行试验，进而选出最合适的炮孔间距。2 3炮孔装药量周边孔单孔装药量 QQ=LGH(1)式中:为平均装药系数，取 0 3;L 为炮孔平均深度，2 4 m;G 为每卷炸药重量，0 2 kg;H 为每卷炸药长度，0 22 m。经计算得出，周边孔单孔装 药量 Q=0 65 kg。实际施工取 0 6 kg。2 4炮孔数目周边孔炮孔数目 N117 N1=BL B+1(2)式中:B 为巷道掘进宽度，取 2 2 m;为周边孔的平均间距，取 0 4 m;BL为巷道开挖断面周长，取8 05 m。计算得 N1=15 6，结合施工经验，实际 N1取 13。3爆破试验巷道规格 2 2 m 2 2 m(断面积为 4 49 m2)，一次全断面光面爆破施工，根据围岩工程地质与环境地质条件，炸药、雷管、凿岩设备以及炮孔深度、孔径与上述相同。3 1孔网参数根据以往爆破施工经验，掏槽孔、辅助孔和底孔的孔网参数与普通光面爆破参数保持一致。掏槽孔:对于坚硬岩巷道爆破选择七孔桶型掏槽，孔数 7 个，其中 6 个为空孔，孔间距 90 mm，孔深2 5 m，孔径 =42 mm，装药量2 0 kg(10 卷)，装药长度 2 2 m，连续不耦合装药，孔口封泥 300 mm，采用 1 段导爆管，起爆顺序为，炮孔编号为 1#。辅助孔:孔数 9 个，孔深 2 4 m，孔径 =42 mm，每 孔 装 药 量 1 6 kg(8 卷)，装 药 长 度1 76 m，连续不耦合装药，孔口封泥 400 mm，采用2 段 5 段导爆管，起爆顺序为 ，编号为 2#5#。底孔:孔数 4 个，孔深 2 4 m，孔径 =42 mm，每孔装药量 1 4 kg(7 卷)，装药长度 1 54 m，连续不耦合装药，孔口封泥 400 mm，采用 6 段导爆管，起爆顺序为，编号为 6#。周边装药孔:编号为 7#8#，孔数 7 个，孔深2 4 m，孔径 =42 mm。7#8#孔装药量 0 6 kg(3 卷)，装药长度0 66 m，光爆层厚度630 mm，周边孔孔距400 mm。间隔不耦合装药，空气间隔0 5 m，孔口封泥 400 mm，簇连方式连接，采用 7 段 8 段导爆管，起爆顺序为 。装药结构如图 3 所示。05爆破2023 年 6 月图 3周边空孔装药结构图Fig 3The Structure Diagram of the perimeter hole charge周边空孔:编号为13，孔数6 个，孔深2 4 m，孔径 =70 mm。在 7#、8#装药孔连线中心处分别布置 1、2和 3空孔。炮孔布置图如图 4 所示。图 4周边空孔光面爆破炮孔布置图(单位:mm)Fig 4Layout of hole in smooth blasting(unit:mm)3 2试验结果分析相比普通光面爆破，优化后的光面爆破平均循环进尺增加 1 3%，平均半孔率提高 34%，炸药消耗量减少132%，尽管导爆管单耗增加11 发，但是平均爆破作业成本降低 9 2%(炸药单价 26 25 元/kg，导爆管325 元/发)。主要技术经济指标对比见表2。采用优化后的爆破参数，周边空孔光面爆破有效提高了半孔率、掘进进尺，降低了炸药、爆破成本，改善了巷道成形，降低了爆破对围岩的扰动，试验达到预期目的。现场爆破如图 5。图 5周边空孔光面爆破后现场拍摄Fig 5Field shot after smooth blasting of perimeter hole表 2主要技术经济指标对比Table 2Comparison of main technical and economic indicators序号指标单位普通光面爆破空孔光面爆破优化值1炮孔总数个29 0033 004 002装药孔数个23 0021 002 003炸药kg30 2026 204 004导爆管个25 0036 0011 005平均循环进尺m2 272 300 036平均半孔率%32 0066 0034 007平均炸药单耗kg/m32 962 540 428平均导爆管单耗个/m32 453 491 049平均爆破成本元/m385 7577 937 824结论(1)应用普通光面爆破技术发现，由于周边孔装药量与孔间距的关系，周边孔装药过多或者减小炮孔间距，爆破后巷道超挖严重，成形不理想;周边孔装药量过少或者增大炮孔间距，爆破后造成工程欠挖，局部“挂帘子”，爆下岩石块度大。对于地应力较大的工程，超挖会占到40%以上，爆破24 h 后，15第 40 卷第 2 期张伟，褚夫蛟，王银刚，等空孔在硬岩光面爆破作用中的试验与应用两帮及顶板的岩石呈现片状脱落;对于岩石节理裂隙较发育的工程，局部欠挖，甚至需要二次补炮，降低掘进效率。(2)优化后的光面爆破法在技术经济方面更具有优势。在空孔提供自由面的前提下，裂缝沿着相邻炮孔中心连线处拉伸破坏，由于岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，这样更有利于岩石被切下来，形成更光滑的断面。在安全与经济方面，不但可以降低炸药单耗、爆破成本，而且巷道稳定性更好，尽可能降低炸药对围岩的破坏，为深部硬岩巷道全断面爆破提供经验。(3)通过试验得知，对脆性较小或韧性较大的岩石，如煌斑岩，其周边孔间距可适当减小或者增大周边空孔孔径，其爆破效果更好。同时为获得较高的炮孔利用率和给光爆层爆破创造良好的自由面，掌握好掏槽孔和辅助孔的位置，掏槽孔要布置在岩石软弱部位。起爆药装入孔底，聚能穴朝向孔口，可以有效提高爆破效果。参考文献(eferences)1 LI Xiao-han，ZHU Zhe-ming，WANG Meng，et al Numeri-cal study on the behavior of blasting in deep rock masses J Tunnelling and Underground Space Technology，2021，113:103968 2 马元磊，贺鹏 光面爆破技术在过断层巷道掘进的研究与应用 J 爆破，2020，37(4):59-62，165 2MA Yuan-lei，HE Peng，esearch and application ofsmooth blasting technology in driving through fault tunnel J Blasting，2020，37(4):59-62，165(in Chinese)3 王怀勇，裴斌，王顺，等 光面爆破在节理裂隙发育巷道 掘 进 中 的 试 验 研 究J 中 国 矿 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