小断面地质探洞爆破掏槽方式现场试验

摘 要：【目的】研究不同的掏槽方式对探洞爆破掘进的影响。【方法】在辅助孔和周边孔采用相同的布孔前提下，统计地质探洞实际爆破掘进中两种不同掏槽方案的爆破效果，分别从钻凿工作量、爆破进尺、爆破块度等三方面进行对比。【结果】统计结果表明，在坚硬岩层中，14孔掏槽方案比10孔掏槽方案多钻凿4个炮孔，用时占整个作业循环时长的4.4%，平均进尺超后者14.9%，且前者更具稳定性，破碎块更加均匀。【结论】通过对比两种不同掏槽方式的爆破效果，可为坚硬围岩条件下，小断面爆破掘进掏槽孔布置提供参考。

关键词：探洞掘进；小断面开挖；掏槽方式；开挖进尺

中图分类号：TD235 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.010

Field Test of Blasting Cutting Mode of Small Section Geological Carving

LI Xinhan

（Jiangmen Anheng Blasting Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529000， China）

Abstract： [Purposes] In order to research on the influence of different cutting methods on the blasting excavation. [Methods] The blasting effects of two different cutting schemes in the actual blasting excavation of geological caving are statistically analyzed under the premise of same layout of the auxiliary hole and the peripheral hole. The drilling workload， blasting penetration and blasting block degree are respectively compared. [Findings] The statistical results show that in the hard rock stratum， the 14-hole cutting scheme drilled 4 holes more than the 10-hole cutting scheme， accounting for 4.4% of the whole working cycle time， and the average penetration was 14.9% higher than the latter， but the former was more stable and more uniform. [Conclusions] Comparing the blasting effect of two different cutting methods， this paper can provide reference for the cutting arrangement of small section blasting under the condition of hard surrounding rock.

Keywords： caving and excavation; small section excavation; cutting mode; excavation footage

0 引言

钻爆法作为传统岩石巷道掘进施工方法，由于其成本相对较低、适用条件广泛，在目前地下巷道掘进施工中，仍占据主体地位［1］。与露天爆破相比，小断面探洞掘进爆破具有自由面少、夹制作用大、作业空间有限等特点，使其更具不确定性。巷道掘进爆破按炮孔的位置和功能不同，分为掏槽孔、辅助孔、周边孔。根据炮孔的钻凿角度，掏槽形式可分为斜孔掏槽和直孔掏槽。小断面探洞爆破施工，由于其作业空间限制，难以使用大型机械钻凿作业，通常采用直孔掏槽形式。掏槽孔作为巷道掘进爆破的“排头兵”，为后爆炮孔提供补偿空间和自由面，对爆破效果的好坏有着决定性影响。因此，国内外众多学者对不同的掏槽方式展开了相关研究。

汪平［2］总结了直孔掏槽的爆破原理和影响因素，并通过试验得到3种不同掏槽方案下的爆破进尺情况；陈元利等［3］在小构造断层岩体中分别对“1+6”“1+8”“2+8”三种掏槽方案进行试验。结果表明，“2+8”掏槽方案在有小构造断层的岩体中能取得较好的爆破效果；杨玉银等［4］针对硬岩隧洞开挖，提出了两种典型的开挖布孔方式，并提出采用V形掌子面可有效提高炮孔利用率；曹湖等［5］在小断面岩石巷道爆破掘进中，通过控制单一变量的方法，制定了4组试验方案，并通过对比各组试验结果，逐步优选出相应的试验参数，作为下一组试验的基础，最终得出最优掏槽参数。

1 爆破掏槽作用机理

由于作业空间有限，小断面巷道掘进一般采用直眼掏槽，但直眼掏槽成槽效果较斜眼掏槽要差。为改善掏槽效果，通常布置数个空孔不装填炸药。空孔在掏槽爆破中有着至关重要的作用，具体有以下几方面。①为装药孔提供自由面。空孔在掏槽爆破过程中为装药孔提供反射自由面，装药孔炸药起爆后，产生的压缩应力波使装药孔周边岩石受到切向拉应力，当冲击波传播至空孔自由面处时，应力波发生反射，压应力随即变为拉应力，围岩在拉应力的作用下，发生“片落”，形成环状裂隙。②应力集中作用。掏槽孔装药起爆后，冲击波传至空孔处时，由于空孔的存在，在空孔周边形成应力集中区域，其应力值相较于无空孔时要大，此即为空孔带来的应力集中效应。③提供补偿空间。与原岩相比，爆破后松散岩渣在体积上会有所增加，增加部分的体积需要新的空间容纳，空孔的存在，为破碎后松散岩渣提供了膨胀空间。不设置空孔或空孔数量不足，会使破碎后的岩石缺少运动空间，造成“压死”现象，导致掏槽失败。

2 工程概况

某地质探洞长1 050 m，开挖断面为2.5 m×3.0 m（宽×高），截面面积约7.16 m2，城门为洞形断面，其中墙高2.5 m，拱高0.5 m。探洞围岩Ⅲ～Ⅴ类均有分布，其中TD+200～+600 m段围岩性质相对稳定，为Ⅲ级围岩，单轴抗压强度为110 ～130 MPa，岩石爆破破碎性分级属坚硬岩石［6］。为减少地质条件对爆破效果的影响，爆破试验在该工程段进行。

该试验旨在探究不同掏槽方式对爆破效果的影响，因此试验时应使除掏槽外的其他变量相同。探洞掘进炮孔布置如图1所示。在爆破试验中，辅助孔和周边孔采用相同的布孔形式，分别布设辅助孔8个，周边孔20个。

3 试验方案爆破（掏槽）参数

探洞掘进爆破参数主要包括炮孔直径、炮孔间距、钻孔数量、钻孔深度、装药量等。

3.1 炮孔直径

炮孔直径的大小主要取决于钻孔设备的选择，探洞爆破由于作业空间有限，难以使用大型钻孔设备，常用钻孔设备为YT-28气腿式凿岩机，所钻凿炮孔直径为40 mm。

3.2 炮孔间距

装药孔与空孔的间距应控制在合理范围内。间距过大，则爆破反射拉伸波强度过小，无法对空孔周边岩体形成有效的拉伸破坏［7］；间距过小，则易导致爆破产生气体过早外泄，影响抛掷效果［2］，且间距过小在同等钻孔数量情况下，掏槽区域面积减少，直接影响爆破整体效果。为保证空孔孔壁在拉应力的作用下顺利破碎，装药孔和空孔之间的距离应满足式（1）。

[L≤rA1+3λP[σθ]1α+rB] （1）

式中：rA、rB分别为装药孔半径、空孔半径，m，二者均为0.02 m；λ、α分别为侧应力系数和应力衰减系数，与岩石泊松比μ有关，其中λ=μ/（1-μ），α=（2-μ）/（1-μ）［8］，其中取泊松比μ=0.2；P为孔壁处透射压力，MPa，按P=ρeD2（rc/rA）6/8计算，其中ρe为装药密度，取ρe=1.10 g/cm3；D为爆速，乳化炸药取D=3 500 m/s；rC为装药半径，计算得P=441.5 MPa；[σθ]为岩石抗拉强度，MPa，一般岩石的抗拉强度为抗压强度的1/20～1/10，取[σθ]=10 MPa。将上述参数代入式（1），计算得L≤158 mm。

3.3 钻孔数量

钻孔数量（包括装药孔和空孔）的多少直接影响爆破效果。装药孔为岩石破碎的能量来源，空孔则为装药孔爆破提供了必要的自由面和补偿空间，两者均不可或缺。

3.4 炮孔深度

炮孔深度是决定掘进进度的重要因素，直接影响爆破效果和掘进速度。炮孔深度过大，炮孔底部围岩夹制作用大，则炮孔利用率降低；炮孔深度过小，则单循环进尺减少，相同工程量下，爆破循环次数增多。对于小断面探洞爆破掘进工程，电子雷管在爆破器材使用成本中占比较高，因此选择合理的炮孔深度，对降低探洞掘进成本有重要意义。综合考虑以往类似工程经验和爆破器材成本，确定爆破试验掏槽孔深度为3 m，辅助孔和周边孔深度比掏槽孔少0.2 m，为2.8 m。

3.5 装药量

装药量的确定可按装药系数进行计算，每个炮孔装药量按式（2）计算。

Q=η·L·ql （2）

式中：L为炮孔深度；ql为线装药密度，使用φ32乳化炸药，取ql=1.0 kg/m；η为装药系数，根据岩石坚固性系数选取，可参考表1［9］，考虑到工程所处地质岩石强度大，掏槽孔、辅助孔、周边孔装药系数分别取0.80、0.70、0.75，孔口采用锚固剂进行封堵。

为确定最适合该地质条件的爆破参数，以及稳定、理想进尺的爆破开挖方案，本研究在掏槽孔布置方面分别尝试了两种不同的掏槽方式。掏槽孔钻进深度均为3 m，辅助孔和周边孔钻孔深度为2.8 m。

4 试验方案

4.1 10孔掏槽方案

10孔掏槽方案布置形式为2个装药孔加8个空孔，装药孔布置在掏槽中心位置，空孔在装药孔四周呈环绕布置，空孔与装药孔间距为100 mm，如图2所示。掏槽孔钻孔深度为3 m，中间两孔为装药孔，周边8个孔为空孔，其可为装药孔爆破提供反射自由面和补偿空间。在外围距空孔150 mm处布置4个扩槽孔辅助破碎，扩槽孔深度与辅助孔相同，为2.8 m。考虑到所处地段围岩硬度大，装药系数为0.8，即每孔装药2.4 kg，扩槽孔装药系数取0.7，即每孔装药2.0 kg，均采用连续装药结构，孔口部分用锚固剂加以封堵，以保证炸药能量得到充分利用。

4.2 14孔掏槽方案

14孔掏槽方案为10孔掏槽的改进方案，在原10孔掏槽方案的基础上，左右侧各增加两个空孔，其他参数不变。布孔采用“432”布置，即从掏槽位置中央向两侧分别在竖向布置4孔、3孔、2孔，呈梅花形，孔距、排距为100 mm，如图3所示。钻孔深度为3 m，中间两孔为装药孔，周边12个孔为空孔。掏槽孔中心装药孔装药系数为0.8，即每孔装药2.4 kg；扩槽孔装药系数为0.7，即每孔装药2.0 kg，采用连续装药结构，剩余部分用锚固剂加以封堵，以保证炸药能量得到充分利用。

5 试验方案爆破进尺情况

基于上述两种掏槽孔布置方案，在围岩性质相对稳定的开挖段，分别进行了多次爆破试验，并从炮孔钻凿工作量、开挖进尺、爆破块度等方面进行对比分析，具体情况如下。

5.1 工作量及用时对比

从钻孔数量来看，10孔掏槽方案单循环爆破作业钻凿42个炮孔，14孔掏槽方案单循环爆破作业钻凿46个炮孔，14孔掏槽方案比10孔掏槽方案工作量增加9.5%；钻凿炮孔安排3人同时作业，单个作业循环钻孔用时约3 h，平均每4 min钻凿一个炮孔，每个作业循环用时约6 h，多钻4个孔用时约占整个作业循环时长的4.4%。

5.2 进尺情况对比

针对上述两种掏槽方式，在探洞掘进爆破过程中分别进行了数次试验，其中统计10孔掏槽爆破进尺12次，14孔掏槽爆破进尺14次。从单次爆破循环进尺来看，10孔掏槽每循环进尺为1.55～2.50 m，炮孔利用率为55.4%～89.2%，平均循环进尺为2.22 m，但爆破进尺缺乏稳定性；14孔掏槽方案每循环进尺为2.35～2.7 m，炮孔利用率为83.9%～96.4%，平均进尺为2.55 m，爆破进尺分布散点如图4所示。

5.3 爆破块度对比

从爆破效果看，10孔掏槽方案缺乏稳定性，在部分爆破作业循环中，出现了严重的残孔现象，如图5所示，且由于掏槽效果欠佳，影响辅助孔爆破效果，爆破块度欠均匀，常有大块产生。14孔掏槽方案爆破进尺基本达到预期，碎块较均匀，便于扒渣机出渣。

6 结论

本研究通过统计两种不同掏槽方案在探洞掘进中的钻孔工作量、爆破进尺和爆破效果情况，并进行对比分析，得出以下结论。

①14孔掏槽比10孔掏槽多钻凿4个炮孔，每次循环作业中，3人同时作业钻凿炮孔用时约3 h，平均4 min钻凿一个孔，每个作业循环用时约6 h，多钻4个孔用时约占整个作业循环时长的4.4%。

②从两种掏槽方案爆破进尺统计情况来看，10孔掏槽平均循环进尺为2.22 m，14孔掏槽方案平均循环进尺为2.55 m，后者平均进尺超前者14.9%，且后者单循环进尺更具稳定性。

③14孔掏槽方案相较于10孔掏槽方案，破碎块更均匀，方便扒渣、装运。

④综合钻凿成本、单循环作业时间和爆破进尺情况来看，14孔掏槽方案多出的钻孔时间和工作量相对于整个爆破作业循环，几乎可忽略不计，但其爆破进尺和破碎效果较10孔方案有明显改善，在硬度较大的岩体中掘进时，14孔掏槽方案效果更佳。

参考文献：

［1］杨仁树，王雁冰，张召冉，等.井巷工程掏槽爆破新技术及应用［J］.中国科学基金，2022，36（1）：120-127.

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［3］陈元利，付玉华，郭丽艳，等.“小构造”复杂岩石条件下掏槽爆破的试验研究［J］.矿业研究与开发，2020，40（6）：23-27.

［4］杨玉银，张艳如，杨仕杰，等.隧洞开挖典型掏槽设计方法［J］.工程爆破，2021，27（3）：63-69，101.

［5］曹湖，徐海峰.小断面岩石巷道掏槽爆破参数优化实验［J］.工程爆破，2017，23（4）：39-43.

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［9］戴俊.爆破工程［M］.北京：机械工业出版社，2021：171.

收稿日期：2024-01-16

作者简介：李新翰（1989—），男，硕士，工程师，研究方向：工程爆破施工和研究。