巷道爆破掘进中掏槽孔优化设计与应用

熊 亮 郑文强

(宏大爆破有限公司巴基斯坦塔尔煤田项目部)

矿山岩巷掘进工程中广泛应用爆破技术，岩巷爆破受掘进断面只存在一个自由面的制约，破碎岩石非常困难[1]。掏槽孔的作用是采用抛掷爆破为后续全断面爆破提供自由面及岩石碎胀补偿空间[2-3]，掏槽爆破关系到巷道全断面爆破效果，科学合理的掏槽形式能保证形成理想的槽腔，从而为后续爆破提供自由面和补偿空间，以确保炮孔有较高的利用率以及爆破成功[4-5]。

某矿区巷道掘进中采用单装药孔菱形直眼掏槽，炮孔利用率低，循环进尺小，掘进速度慢。通过增加自由面和补偿空间的方式对原掏槽方法进行优化，提出了双孔装药矩形直眼掏槽技术，以期改善爆破效果。

1 工程概况

某矿区掘进平巷位于-550 m水平，巷道围岩多为钾化花岗岩，致密坚固，整体性好，韧性高，无层理，岩石密度为3 200 kg/m3，泊松比为0.22，动态抗拉强度为5.23 MPa，动态抗压强度为163.1 MPa。该中段巷道独头掘进，钻孔速度慢，爆破作业面距离罐笼马头门530 m，通风条件较差。巷道断面设计为直墙三心拱，设计断面尺寸为2.6 m×2.4 m。

矿山现用的掏槽方式为单孔装药菱形直眼掏槽，掏槽孔布置见图1。根据中心线方向，确定好装药掏槽眼的位置，然后在四周垂直布置4个扩槽眼(空眼)，为装药孔的爆破提供自由面和补偿空间。爆破后，效果不理想，一是爆破时岩石只发生塑性变形而没有破碎，出现“冲炮”现象；二是掏槽爆破后形成槽腔体积不足以满足后续炮眼起爆所需要的岩石碎胀补偿空间。

图1 单孔装药菱形直眼掏槽

2 掏槽孔优化设计

2.1 装药孔与空孔的间距

此光面掏槽爆破技术中，主要是确定装药孔与空孔的间距。空孔的主要作用是为装药孔爆破提供自由面及补偿空间，装药孔与空孔的距离通过炸药爆炸后在空孔孔壁处形成的反射拉伸波强度大于岩石的抗拉强度来确定。根据文献[3]，空孔附近的应力最大值可表示为

(1)

满足σθmax≥[σθ]是保证在拉应力作用下，空孔孔壁处岩石破坏的基本条件，由此可得到

(2)

式中,[σθ]为岩石的抗拉强度，MPa；其他符号意义同上。

在本工程中，掏槽孔的炮孔直径为42 mm，药卷直径为32 mm，炸药密度为1 210 kg/m3，炸药爆速为3 800 m/s，计算得到D≤308 mm。

2.2 双孔装药矩形直眼掏槽的炮孔布置

在原掏槽方法的基础上，为防止掏槽眼起爆后，岩石只产生塑性变形而出现“冲炮”现象，采用双孔装药矩形直眼掏槽，装药孔由原来1个增加为2个；为防止没有足够的自由面导致掏槽爆破不理想而影响后续全断面的爆破，并考虑实际设计巷道为直墙三心拱，将掏槽孔布置为矩形。

根据理论计算，装药孔与空孔的最大间距为308 mm。炮孔在纵向布置3列，列间距150 mm，左右两列分别布置3个空眼，孔距为250 mm，在中间列布置4个炮孔，孔距为170 mm，共布置10个掏槽眼，其中8个空孔增加了8个初始爆破自由面。炮孔堵塞长度为0.8 m，为保证掏槽炮孔爆破到孔底，确定掏槽孔超深为0.2 m，掏槽孔增大了掏槽的破碎自由面和碎胀空间，为后续炮孔继续爆破提供了更多的自由面以及补偿空间，从而形成更深的槽腔，为辅助眼创造最大限度自由面。掏槽炮孔布置见图2。

图2 双孔装药矩形直眼掏槽

3 双孔装药矩形直眼掏槽技术的应用

工作面采用YT-28型气腿式凿岩机钻孔，配备3 m长钎钢和φ42 mm柱齿钎头。一次爆破循环进尺2.8 m，掏槽孔深度为3 m，辅助眼、周边眼及顶帮光面爆破眼深度为2.8 m。凿岩时，掏槽眼、辅助眼必须垂直爆破工作面，周边眼和顶帮光面爆破眼向外偏5°。采用矩形递增式规格逐步扩大，炮眼布置平面见图3。

采用2#岩石乳化炸药，规格为φ32 mm×200 mm，200 g，采用1～11段毫秒非电导爆管雷管一次孔底起爆。炮孔起爆顺序为掏槽眼→辅助眼1→辅助眼2→周边眼→顶板光爆眼。掏槽孔和辅助孔采用不耦合连续装药，掏槽孔每个炮孔22卷炸药，辅助孔每个炮孔20卷炸药；周边孔采用空气不耦合间隔装药，每个炮孔18卷炸药，顶帮光面爆破眼每个炮孔装12卷炸药；填塞长度为0.8 m。爆破参数见表1。

图3 巷道掘进炮眼布置

4 爆破效果

爆破后，巷道轮廓成型规整，无超欠挖现象，在巷道壁上可以看见清晰的半孔眼痕，基本无大块，岩石块度均匀，炮孔利用率高达82.6%。采用双孔装药矩形直眼掏槽爆破进行4个爆破循环进尺，期间平均炮孔利用率为92.1%，个别炮孔利用率为93.4%，有效提高爆破炮孔利用效率，明显改善爆破效果。

表1 爆破参数

5 结 语

双孔装药矩形直眼掏槽技术在某矿区巷道开挖工程中成功应用，完全适合于花岗岩等硬岩巷道爆破掘进，具有推广应用价值。通过理论计算空孔与装药孔的间距，根据设计的巷道断面尺寸，掏槽孔布置为矩形，垂直于自由面，操作方便，容易施工，实用性较强。爆破后巷道断面平整，基本无超欠挖，减少了巷道的维护工作量。该技术为岩巷爆破掘进提供了新的途径。

[1] 王文龙.钻眼爆破[M].北京：煤炭工业出版社,1984.

[2] 刘优平,黎剑华,林大能,等.掏槽爆破中空孔效应的理论与试验研究[J].矿业研究与开发,2007,27(5):75-77.

[3] 刘优平,周正义,黎剑华.井巷掏槽爆破中空孔效应的理论与试验分析[J].金属矿山,2007(2):12-14.

[4] 李夕兵.凿岩爆破工程[M].长沙：中南大学出版社,2011.

[5] 黄宝龙.准直孔掏槽爆破技术在正兴矿的应用[J].中国矿业，2016，25(1)：101-102.

[6] GEGLIO M.Spherical vessel subjected to explosive detonation loading[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1997,74(2):83-85.