基于实验室测试的楔形掏槽爆破因素分析

陈寿安

(国投新集能源股份有限公司新集二矿，安徽 淮南 232180)

某矿轨道大巷是服务于采区的主要运输、通风巷道，海拔标高为+400 m，掘进长度4290 m。巷道设计断面为半圆拱形，断面净宽5000 mm、净高4600 mm、掘宽5240 mm、掘高4940 mm。巷道掘进采用钻爆法施工，周边孔采用光面爆破，巷道断面采用台阶法施工。目前，该轨道大巷平均月进尺仅为60 m，相对缓慢的掘进速度严重制约了矿井的高产高效开采，延长了矿井的接替周期，成为矿井扩大生产、提高经济效益的“瓶颈”。掏槽的深度决定了掘进的循环进尺，掏槽效果受到地质条件、掏槽深度及形式等多因素的影响。因此，基于实验室测试掏槽爆破因素分析，确定该矿轨道大巷掏槽形式和掏槽爆破参数，对于提高爆破工程质量及巷道掘进速度具有重要意义。

1 试验方案

在理论分析的基础上，结合该矿轨道大巷岩石的物理力学性能参数测试结果及爆破掘进方案，确定试验方案。巷道围岩强度可分为3个等级，即38.5 MPa、50 MPa和25 MPa。岩石强度38.5 MPa试块5块，调整掏槽孔倾角进行试验;岩石强度50 MPa试块2块。岩石强度25 MPa试块2块;试块尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的水泥沙浆，见图1。根据相似准则确定3种强度试块材料配比分别为1∶2.3∶7.2、1∶2.5∶8.0 和 1∶1.9∶8.4(水∶水泥∶沙子)。水泥选用强度等级为32.5(R)的普通硅酸盐水泥，养护28天进行试验。

图1 试块模型示意图

根据岩石强度等级试验分3组进行，在每种强度试块试验中分别调整掏槽孔倾角依次进行试验，根据试验方案共制作试块9块，主要研究楔形掏槽炮孔倾角对掏槽效果的影响、楔形掏槽爆破机理、炮孔堵塞作用，最终确定适合该岩巷的掏槽爆破方式和参数。具体试验方案见表1。

2 试验方法

试验在爆破实验室内进行，为了保证掏槽孔倾角的准确性，掏槽孔采用电锤人工钻孔，见图2(a)。量角器和钢尺控制倾角和孔深;装药为单质黑索金炸药，单孔药量为0.1 g，引火药头起爆;采用黑胶皮覆盖防护;爆破后掏槽深度采用钢尺确定，确定深度时量取相互垂直的两个方向的深度，最后取2个垂直深度的平均值作为槽腔深度，见图2(b)。槽腔体积确定时先将塑料袋放入槽腔，向塑料袋内灌水，当水充满整个槽腔后，把塑料袋内水放入量筒确定槽腔体积，见图2(c)。

表1 试验方案表

图2 试验方法示意图

3 试验结果及分析

3.1 槽腔深度及体积

试验过程中，记录了试块爆破后槽腔深度、槽腔体积、炮孔利用率和槽腔爆破块度等参数，通过对比试验记录参数，分析对比掏槽孔倾角变化对掏槽效果的影响，并简单分析楔形掏槽爆破槽腔形成过程。试验结果见表2。

表2 试验结果表

根据表2绘制38.5 MPa试块槽腔深度及体积变化图，见图3。

在掏槽爆破中，掏槽孔倾角变化将影响槽腔的深度，倾角不对称时槽腔深度减小;掏槽孔倾角变化时槽腔体积也会随之变化，掏槽孔不对称时槽腔体积减小。

图3 38.5 MPa试块槽腔深度及体积变化图

图4 试块槽腔深度对比图

根据试块爆破后槽腔深度、槽腔体积的变化规律可以看出，炮孔倾角在80°左右槽腔深度及槽腔体积均达到峰值。因此，在试块强度为38.5 MPa时，为了提高槽腔深度和扩大槽腔体积应控制炮孔倾角在80°左右。绘制不同岩石强度条件下槽腔深度变化图，见图4。岩石强度在25～50 MPa范围内，槽腔深度变化范围为55～68 mm，岩石强度为 38.5 MPa，炮孔倾角为70°、80°条件下，槽腔深度分别达到 62 mm，68 mm。根据对比分析结果，确定炮孔倾角为80°能够充分利用爆炸能量，提高钻孔利用率。

相同掏槽倾角时不同强度试块槽腔深度不同，且倾角变化时槽腔深度也随之发生变化;随着掏槽孔倾角的增大，槽腔深度均相应增大。从炸药能量分配来看，炸药的爆炸能量消耗在岩石弹性变形，岩石的破碎，岩石的抛移、飞散以及形成空气冲击波4个方面。岩石强度较小，且掏槽孔深度不大时炸药能量分配在岩石弹性变形、岩石破碎上的比例减少，较多的能量分配在抛移和形成空气冲击波上，造成槽腔深度和槽腔体积减小。

3.2 爆破效果

试块爆破效果见图5。

图5 试块爆破效果图

对比不同岩石强度条件下试块爆破效果可见，岩石强度越低，爆破周围裂隙越发育，爆破影响范围越大。因此，在岩石强度不同的条件下，可以通过控制单孔装药量实现爆破效果的一致性，实现进尺的统一。

3.3 炮孔堵塞效果

测试炮孔堵塞条件下爆破效果图，见图6。

图6 炮孔堵塞效果对比图

炮孔堵塞后可以提高炸药能量利用率，保证爆破效果，而不堵塞时炸药能量从炮孔口大量逸出，爆炸能量主要消耗在形成空气冲击波上。在炮孔堵塞条件下，钻孔破坏效果较未堵塞条件下明显增强，对于提高爆破效果起到积极的作用。

4 结论

1)掏槽爆破时掏槽孔倾角影响槽腔深度和槽腔体积，不同强度的岩石掏槽爆破时需要确定合适的炮孔倾角，才能达到良好的掏槽效果。

2)掏槽孔倾角不对称时会降低槽腔深度和槽腔体积。

3)岩石强度较低时(f=2～5)，随着岩石强度的增加，掏槽孔倾角应适当增大。

4)炸药爆破时需要对炮孔进行合理堵塞，以提高炸药能量利用率，保证爆破效果。

5)掏槽爆破槽腔的形成是爆炸应力波和爆生气体共同作用的结果，为了适应不同的岩石条件，应根据理论计算，确定爆炸应力波和爆生气体两种能量的合适比例，以求达到良好的爆破效果。

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