聚能切割光面爆破技術(shù)在谷家臺(tái)鐵礦的應(yīng)用

朱禮淵

（萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司）

谷家臺(tái)鐵礦水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，是華東地區(qū)有名的大水礦山，通過采用近礦體頂板灰?guī)r帷幕注漿堵水技術(shù)，成功解決了地下水患。為保護(hù)隔水帷幕，礦山采用下向分層膠結(jié)充填采礦法，采準(zhǔn)工程一直布置在礦體下盤，由于下盤巖石巷道掘進(jìn)、支護(hù)施工困難，安全難以保障，在下部采礦設(shè)計(jì)時(shí)，把采準(zhǔn)工程布置到上盤灰?guī)r內(nèi)。上盤灰?guī)r掘進(jìn)需要對(duì)隔水帷幕進(jìn)行保護(hù)，一直采用傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)，在保護(hù)圍巖、提高巷道成型等方面，取得一定成效，但仍存在周邊孔，布孔多而鑿巖時(shí)間長(zhǎng)、光面爆破效果不穩(wěn)定、超欠挖時(shí)有發(fā)生等缺點(diǎn)。為了提高光面爆破效果，在上盤灰?guī)r采準(zhǔn)巷道進(jìn)行了聚能切割光面爆破技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比分析，為類似地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)的應(yīng)用推廣提供借鑒。

1 工程概況

應(yīng)用試驗(yàn)地點(diǎn)位于礦體上盤石灰?guī)r內(nèi)，灰?guī)r硬度系數(shù)f=8～10，屬堅(jiān)硬巖石，整體完整性較好，局部節(jié)理發(fā)育較破碎。掘進(jìn)巷道斷面采用直墻三心拱形，斷面規(guī)格：4.2 m×3.7 m（凈寬×凈高），拱高/凈寬=1/4。巷道一般采用添加合成纖維的濕式噴漿支護(hù)形式，局部破碎段采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。采用華泰HT82型鑿巖臺(tái)車鑿巖，該型臺(tái)車技術(shù)參數(shù)：釬桿長(zhǎng)度為3.07 m，最大鉆進(jìn)孔深為2.76 m，鉆頭直徑為43 mm，施工炮孔直徑為45 mm，采用2#巖石乳化炸藥，塑料導(dǎo)爆管起爆。

2 聚能光面爆破技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

聚能切割光面爆破技術(shù)就是綜合運(yùn)用聚能爆破和光面爆破形成的一種新的光面爆破技術(shù)。傳統(tǒng)光面爆破和聚能切割光面爆破都是通過減少光爆孔的線裝藥密度，降低光爆孔炸藥爆炸的初始沖量，從而減少對(duì)炮孔孔壁巖體的破壞，不同的是傳統(tǒng)光面爆破通過縮小光爆孔的間距來(lái)控制最小抵抗線方向，最終控制爆破裂縫沿光爆眼連線方向發(fā)展。而聚能切割光面爆破還利用了聚能爆破的原理，用聚能管在炸藥上定型形成聚能槽，然后利用聚能槽對(duì)爆炸能進(jìn)行聚集和定向，使傳統(tǒng)光面爆破時(shí)爆炸能向四周作徑向傳播轉(zhuǎn)變?yōu)闉檠鼐勰懿鄯较騻鞑?，生成壓力超過7 000 MPa的高能射流，加上疊加應(yīng)力波的作用，在光爆孔連線方向切割巖石生成約為1.5 cm的裂縫。爆炸生成的高壓氣體膨脹形成“氣刃”效應(yīng)，加快了裂縫的發(fā)展和貫通，從而提高了光面爆破效果［1-3］。

2.2 聚能爆破裝置

2.2.1聚能管

聚能管材質(zhì)為抗靜電阻燃PVC塑料，聚能管兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)有“V”形槽，即聚能槽。聚能管管壁厚為2 mm，聚能管截面為圓形帶缺口，管內(nèi)直徑為27 mm，聚能槽頂角為70°，聚能管長(zhǎng)度可根據(jù)需要定制，本次試驗(yàn)根據(jù)炮孔深度和裝藥長(zhǎng)度確定選用1.2 m。

2.2.2聚能管裝藥工藝

聚能管采用配套直徑為27 mm的乳化炸藥，每卷長(zhǎng)為200 mm，把6只藥卷首尾相連從聚能管缺口部位壓入。把2塊定制的定位塊固定在聚能管兩端往內(nèi)約20 cm處，并用電工黑膠布纏緊一圈，防止聚能槽對(duì)準(zhǔn)輪廓面時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)讓藥卷中心線處于炮孔中心，增加了不耦合效果。將導(dǎo)爆管雷管反向插入聚能管底部起爆藥卷內(nèi)，在上盤硬巖內(nèi)需要在孔底墊一只φ32 mm乳化炸藥卷，作為孔底加強(qiáng)藥，再裝入聚能管，夾層節(jié)理發(fā)育段則直接裝入聚能管。施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是調(diào)整聚能槽方向必須要沿著輪廓線方向，可以采用帶槽的PVC管卡住聚能管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1炮孔孔徑和不耦合裝藥系數(shù)

華泰HT82型鑿巖臺(tái)車鉆鑿炮眼直徑為45 mm，經(jīng)過試驗(yàn)選取的聚能管直徑為φ27 mm，定制的配套藥卷直徑為27 mm，裝藥不耦系數(shù)達(dá)1.67。

2.3.2周邊孔間距和最小抵抗線

周邊孔間距計(jì)算，在保證光面爆破效果的基礎(chǔ)上，可以參照經(jīng)驗(yàn)公式，即周邊炮眼間距a為

式中，d為炮孔直徑，mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和聚能切割光面爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，上盤完整灰?guī)r周邊孔間距為700～900 mm，節(jié)理較發(fā)育地段選用600～800 mm。聚能光面爆破的最小抵抗線（即光爆層厚度）參照一般光面爆破和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，一般選用400～600 mm，本次選用500 mm。

2.3.3掏槽方式

根據(jù)鑿巖臺(tái)車參數(shù)和長(zhǎng)期井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采取含空孔桶狀直眼掏槽的方式，多個(gè)大空孔為掏槽爆破提供了主要自由面和增加了補(bǔ)償空間，使中心裝藥孔到大空孔距離成為最小抵抗線，并且由于掏槽孔互相平行且垂直于工作面，中心裝藥孔到各大空孔距離相等，利于較為均勻的破碎巖石，掏槽效果也更好［4］。圖1中實(shí)心圓圈為主掏槽孔，大空心圓圈為輔掏槽孔（大空孔），大空孔采用直徑為102 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，中心主掏槽孔和輔掏槽孔超深15 cm，其他主掏槽孔超深10 cm。

2.3.4水沙袋填塞

本次試驗(yàn)還采用水沙袋代替原來(lái)采用的黏土炮泥進(jìn)行封孔，水沙袋采用帶密封壓條的長(zhǎng)條狀塑料袋，袋內(nèi)充填1/2袋普通沙子，然后再加滿清水。水沙袋屬于非牛頓流體，根據(jù)非牛頓流體遇軟則軟、遇硬則硬的特性，在爆轟波作用下，能夠迅速膨脹將炮孔堵死，填塞效果好［5］。使用時(shí)，將一個(gè)水沙袋放在孔口約5 cm位置就行，操作比黏土炮泥相對(duì)容易。另外，由于水沙袋中含水，爆破時(shí)一定程度上可起到降低粉塵濃度的環(huán)保效益。

2.3.5爆破圖表

依據(jù)理論計(jì)算和礦山多年應(yīng)用鑿巖臺(tái)車鑿巖爆破的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證優(yōu)化調(diào)整，最終確定了該地點(diǎn)采用的爆破圖表，炮孔布置如圖2所示，爆破參數(shù)如表1所示。

3 實(shí)施情況及效果分析

3.1 實(shí)施情況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于-165 m水平上盤沿脈分段巷道，此處位于上盤灰?guī)r內(nèi)，向東、西兩側(cè)都可以施工，具有2個(gè)作業(yè)面。試驗(yàn)機(jī)臺(tái)為3號(hào)華泰HT82型鑿巖臺(tái)車，該機(jī)臺(tái)一直在此區(qū)域采用常規(guī)光面爆破工藝進(jìn)行掘進(jìn)施工。聚能切割光面爆破應(yīng)用試驗(yàn)前期，主要對(duì)職工進(jìn)行新工藝?yán)碚摵蛯?shí)踐操作培訓(xùn)，同時(shí)通過進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，調(diào)整優(yōu)化鑿巖爆破參數(shù)。期間出現(xiàn)過巷道輪廓成型質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，經(jīng)過分析，主要是因?yàn)椴糠盅h(huán)鉆鑿的周邊孔同面性差和聚能管定位存在偏差，通過對(duì)鑿巖臺(tái)車工和爆破工進(jìn)行集中學(xué)習(xí)培訓(xùn)，結(jié)合技術(shù)人員跟班指導(dǎo)，解決了職工不規(guī)范操作的問題。

通過前期試驗(yàn)，確定了適合該地點(diǎn)的光面爆破參數(shù)，同時(shí)讓職工熟練掌握了該操作工藝，在4月初開始，按照標(biāo)準(zhǔn)的聚能切割光面爆破工藝進(jìn)行掘進(jìn)施工，并由技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)跟班詳細(xì)測(cè)量記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。截至4月底，共施工28 d，完成掘進(jìn)正循環(huán)67次，總進(jìn)尺為157.5 m，平均進(jìn)尺為2.35 m，炮眼利用率達(dá)90%以上。具體爆破技術(shù)參數(shù)見表2。

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3.2 效果分析

（1）采用聚能切割光面爆破后，巷道成型質(zhì)量有了明顯提高，超欠挖大為減少，特別是周邊孔眼痕率達(dá)到了90%，眼痕長(zhǎng)度在2 m以上的能達(dá)到80%，爆破效果見圖3。

（2）聚能切割光面爆破技術(shù)減輕了對(duì)圍巖的破壞，提高了巷道自承能力，除局部節(jié)理發(fā)育段，大部分成巷不再需要進(jìn)行噴漿支護(hù)，從而節(jié)省了處理浮石和噴漿支護(hù)時(shí)間，減少了正循環(huán)作業(yè)時(shí)間，提高了綜合掘進(jìn)效率。此外，該光面爆破技術(shù)節(jié)約了火工材料和支護(hù)材料，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）聚能光面爆破技術(shù)在減少周邊孔的情況下，達(dá)到了提高巷道成型質(zhì)量和半孔率的效果，同時(shí)節(jié)約了鑿巖、處理浮石和支護(hù)時(shí)間，提高了綜合掘進(jìn)效率。

（2）采用聚能光面爆破技術(shù)時(shí)，減輕了對(duì)圍巖的破壞，減少了浮石的生成，同時(shí)也保護(hù)了隔水帷幕，創(chuàng)造了較好的安全效益。

（3）聚能切割光面爆破技術(shù)減少了周邊孔總裝藥量，節(jié)約了噴漿支護(hù)成本，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）推行聚能光面爆破技術(shù)的關(guān)鍵是周邊孔的鉆鑿質(zhì)量和聚能管安裝方向定位，必須保證周邊孔都在巷道廓線上。