大直径空孔直眼掏槽在小断面巷道掘进中的应用*

李 鹏，刘 鹏

（云南锡业股份有限公司大屯锡矿，云南 个旧 661021）

巷道掘进效率是矿山生产最重要的环节之一，巷道掘进效率的提高对矿山生产的成本控制有着非常重要的意义，而掏槽爆破又是巷道掘进最关键的步骤[1]，但云南大屯锡矿小断面巷道掘进中普遍存在掏槽爆破效果较差，造成单次巷道掘进进尺小、炮孔利用率低等问题，严重影响矿山巷道掘进效率；因此积极改善掏槽爆破的方案和合理的孔网参数，以增加巷道掘进进尺，提高炮孔利用率，保证巷道成型。

许多学者通过深入研究掏槽爆破理论[2～6]，并取得了许多结果。其中张召冉等[3]系统的介绍了含空孔掏槽的理论依据，并根据理论提出了一整套含空孔参数的计算公式，同时结合现场验证了其研究的可靠性；胡刚等[5]根据静力学理论，分析了大直径空孔空腔形成的物理力学过程，并且使用数值模拟的手段，分析了槽腔有效应力的传播机理，根据研究结果进行现场验证，结果表明炮孔利用率提高至89.0%，证明研究的可靠性；宗琦等[2]使用理论分析和数值模拟，分析深孔大直径空孔掏槽作用机理，研究结果表明：空孔的应力集中效应有助于爆生裂纹的扩展；郭东明等[7]以益新煤矿为背景，研究中心大直径空孔的掏槽方式和孔网参数，得出采用大直径空孔掏槽方式其单循环进尺可提高至82.4%；范军平等[8]通过研究对比大直径空孔掏槽方式和普通掏槽方式得出，空孔直径对掏槽爆破效果和爆破振动都有着重要影响，大直径空孔掏槽炸药能量大部分都用于岩石破坏，因此爆破振动小于普通掏槽方式。欧明鑫等[9]使用数值模拟分析研究了小空孔九孔直孔掏槽、大空孔单螺旋掏槽、三对孔水平楔形掏槽这三种常见的掏槽方式，研究结果表明：在短进尺条件下，采用三对孔水平楔形掏槽，形成的槽腔面积大，诱发的爆破振动小；黄宝龙[10]归纳总结了常用的掏槽形式，并介绍了准直眼掏槽技术及研究进展。

1 项目背景

该公司基于所使用的采矿方法，在采准和切割中需掘进大量的（1.8×1.8）m（S=3.11 m2）的小断面巷道。随着炸药产品的不断更新升级，大屯锡矿于2014年将岩石粉状乳化炸药（颗粒状）更换为1#岩石乳化炸药（膏状），旨在提高爆破效率、降低炸药单耗。两种炸药的性能详见表1，从表1中可以看出1#岩石乳化炸药（膏状） 的各方面性能都优于岩石粉状乳化炸药（颗粒状），但大屯锡矿在使用1#岩石乳化炸药之后，爆破效率在保持原有水平的情况下炸药单耗不降反升，当爆破对象为普通坚硬大理岩（F=6左右）时，平均炸药单耗由3.85 kg/m3上升至4.45 kg/m3；当爆破对象为坚硬大理岩（f=8左右）时，平均炸药单耗由4.48 kg/m3上升至5.19 kg/m3。面对此种情况，该锡矿与昆明理工大学爆破课题组合作开展了“爆破参数优化研究”科研项目。

表1 岩石粉状乳化炸药（颗粒状）与1#岩石乳化炸药（膏状）爆破参数对比表Tab.1 Blasting parameter comparison of rock powdery emulsion explosive(granular)and 1#rock emulsion explosive(paste)

2 大屯锡矿小断面巷道爆破现状

大屯锡矿小断面巷道所使用的凿岩设备为YT-29A气腿式凿岩机配备1.8 m的钎子，其有效钻孔深度为1.6 m。掏槽孔、辅助孔与周边孔深度均为1.6 m，炮孔直径35 mm，掏槽方案采用桶形掏槽，掏槽空孔炮孔直径35 mm，装药孔与掏槽空孔的孔距为50 mm；炸药采用1#岩石乳化炸药（膏状），雷管采用塑料导爆管雷管，起爆方式采用秒延期微差起爆。根据岩石坚固系数的不同，小断面巷道的爆破现状可分两种情况，详见表2。

表2 小断面巷道爆破现状统计表Tab.2 Statistical table for current situation of small cross-section roadway blasting

3 问题分析

经科研人员实地调研、分析发现，导致大屯锡矿爆破率较低，炸药单耗高的原因有如下4点：①炸药由岩石粉状乳化炸药（颗粒状）更换为1#岩石乳化炸药（膏状）后，小断面巷道的爆破参数并没有发生任何改变，仍采用岩石粉状乳化炸药（颗粒状）的爆破参数。从表1中可以看出，1#岩石乳化炸药（膏状） 的密度大于岩石粉状乳化炸药（颗粒状）的密度，故而导致延米装药量的增加，导致了炸药单耗偏高，增加了矿山生产成本；②在桶形掏槽的掏槽眼中，装药眼与空眼的孔距离仅为50 mm，钻眼时装药眼与空眼极易打穿或者打偏，这不仅严重影响爆破空腔的形成，而且对施工队组的钻孔水平提出了较高的要求，也就是说爆破效果受钻孔质量的影响较大；③掏槽眼、辅助眼与周边眼炮眼深度均为1.6 m，掏槽眼没有超深，忽视了炮眼超深深度和炮眼利用率之间的关系，造成钻孔功效与炸药等爆破器材的浪费；④炮孔填塞不够严格、到位，造成炸药爆破有效能占比明显降低，影响了爆炸气体在孔内的作用时间，进而影响到岩石的破碎与抛掷，从而影响了爆破效果。

4 爆破参数优化

针对大屯锡矿小断面（1.8×1.8） m巷道爆破过程中所暴露出来的问题，科研人员基于矿山现使用的凿岩设备、巷道规格尺寸以及矿岩特性，对爆破参数进行了重新设计。众所周知，巷道掘进爆破效果的好坏关键在于掏槽的成败，为提高工业试验效率和降低劳动强度，昆明理工大学项目组设计了准直眼掏槽（7种形式）、三角柱直眼掏槽、三角柱中空直眼掏槽、四角柱直眼掏槽、四角柱中空直眼掏槽、大直径空孔直眼掏槽等12种掏槽方案，通过工业试验，除大直径空孔直眼掏槽外，其他掏槽方案或掏槽失败或掏槽效果不佳。

4.1 大直径空孔直眼掏槽工业试验

掏槽爆破方案：为了使掏槽爆破有足够的补偿空间，并尽量避免因炮孔打穿或者打偏对掏槽效果造成的影响，采用扩孔钻头对掏槽空孔进行扩孔，并对掏槽方案进行了重新设计，空孔直径70 mm，装药孔与空孔的距离为100 mm，掏槽孔深度为1.6 m，辅助孔深度为1.5 m，掏槽孔超深10 cm，钻孔直径35 mm；起爆网路采用秒延期微差起爆技术。具体爆破参数见表3，掏槽方案示意图见图1和图2，扩孔钻头见图3，现场炮孔布置图见图4。

图1 大直径空孔直眼掏槽正视图Fig.1 Front view of large diameter parallel hole cut blasting

图2 大直径空孔直眼掏槽俯视图Fig.2 Bird's eye view of large diameter parallel hole cut blasting

图3 扩孔钻头（d=70 mm)Fig.3 Reaming drill（d=70 mm)

图4 现场炮孔布置图Fig.4 Arrangement diagram of on-site blast holes

表3 掏槽爆破参数表Tab.3 Parameters of underholing blasting

掏槽效果：此次巷道掘进试验共计使用1#岩石乳化炸药9.6 kg；起爆孔使用秒延期导爆管雷管发9，其中1段管1发，2段管2发，3段管2发，4段管4发，5段管2发；掏槽孔深度为1.6 m，槽腔深1.5 m左右，炮孔利用率93.7%，掏槽成功。因此，选用大直径空孔直眼掏槽作为小断面巷道掘进标准掏槽方式。

4.2 大直径空孔直眼掏槽全断面工业试验

将大直径空孔直眼掏槽用于全断面巷道掘进试验，炮孔布置方案见图5，掏槽孔深度为1.6 m，辅助孔和周边孔深度为1.5 m，掏槽孔超深10 cm。普通大理岩单循环装药16.8 kg，坚硬大理岩单循环装药18.0 kg，起爆网路采用秒延期微差起爆，现场布孔效果以及爆破效果见图6和图7，爆破参数见表4。

图5 炮孔布置方案Fig.5 Arrangement scheme of blast holes

图6 现场炮孔布置图Fig.6 Arrangement diagram of on-site blast holes

图7 现场爆破效果图（无残孔）Fig.7 Diagram of on-site blasting effect(no residual hole)

表4 全断面爆破参数表Tab.4 Parameters of full section blasting

爆破效果总结：进行全断面工业爆破试验10次，普通大理岩（f=6） 平均进尺由之前1.3 m提高至1.45 m，工班工效由之前0.43 m/工·班提高至0.48 m/工·班，炮孔利用率由之前81%提高至96%，炸药单耗由之前4.45 kg/m3减少至3.73 kg/m3，同比降低19.3%；坚硬大理岩（f=8） 平均进尺由之前1.3 m提高至1.4 m，工班工效由之前0.43 m/工·班提高至0.46 m/工·班，炮孔利用率由之前81%提高至93%，炸药单耗由之前5.19 kg/m3减少至4.13 kg/m3，同比降低25.7%。

5 经济效益分析

该矿近三年小断面巷道平均年进尺约为60 000 m，小断面巷道面积为3.11 m2，1#岩石乳化炸药（膏状）的采购价为7 500元/t，雷管采购单价为2.5元/发。采用大直径空孔直眼掏槽，小断面（1.8×1.8） m巷道掘进的爆破器材成本节约（144.26～185.55） 万元。详见表5。

表5 爆破器材成本节约Tab.5 Cost saving of blasting equipment

小断面巷道采用大直径空孔直眼掏槽后，单循环炮孔数目减少（4～5）个，节约了常规钻头的采购成本和消耗成本，该部分成本与扩孔钻头（直径70 mm） 的采购成本和消耗成本相互抵消，故不参与计算。

6 结语

1）大直径空孔直眼掏槽适用于大屯锡矿小断面巷道掘进，可有效减少钻孔数目并提高工班工效，具体掏槽关键参数为：空孔直径70 mm，装药孔与空孔的距离为100 mm，掏槽孔深度为1.6 m，辅助孔深度为1.5 m，掏槽孔超深10 cm，钻孔直径35 mm；

2） 普通大理岩（f=6） 平均进尺由之前1.3 m提高至1.45 m，炮孔利用率由之前81%提高至96%；炸药单耗由之前4.45 kg/m3降低至3.73 kg/m3，同比降低19.3%；

3） 坚硬大理岩（f=8） 平均进尺由之前1.3 m提高至1.4 m，炮孔利用率由之前81%提高至93%。单耗由之前5.19 kg/m3降低至4.13 kg/m3，同比降低25.7%。