分次分段掘進爆破技術(shù)在復雜破碎巖體中的應用

李龍福 方建國 汪 禹 江東平

(馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司,安徽 馬鞍山 243000)

在破碎巖體中如何安全高效地采用爆破法開掘平巷、斜坡道、斜井或豎井等石方工程是爆破工程技術(shù)人員需要面對的關(guān)鍵問題,雖然在工程掘進過程中遇到的圍巖條件千差萬別,但是對于工程巖體開掘的控制目標是一致的,即在圍巖條件比較差的情況下實現(xiàn)安全高效地掘進巖體[1-8]。為此,眾多科研技術(shù)人員進行了一系列的研究工作,如任建平等[9]通過工業(yè)試驗研究軟碎礦巖條件下礦體的倒臺階分次落礦和光面控頂技術(shù),針對礦巖參數(shù)設計爆破參數(shù),在降低炸藥單耗的同時,提高了炮孔利用率并且減少了每循環(huán)炮孔數(shù)目,爆破后界面平整;汪學清等[10]通過計算分析和工程類比法在實踐中不斷修正爆破參數(shù),得到了適合在破碎的軟巖巷道掘進中使用的光面爆破參數(shù)及相應的安全技術(shù)措施;王懷勇等[11]針對某多金屬礦床中存在的破碎巖體巷道掘進開展了光面爆破試驗研究,取得了較好的巷道掘進質(zhì)量;馬元磊等[12]在分析光面爆破參數(shù)選取方法的基礎上制定了可安全通過斷層破碎帶的光面爆破試驗方案,有效地維護了圍巖的穩(wěn)定性、解決了爆破后容易冒頂?shù)膯栴};楊闖等[13]采用導硐法結(jié)合光面爆破技術(shù)進行巷道掘進,提高了巷道壁面的平整度、循環(huán)進尺和半孔率,爆破后圍巖穩(wěn)定性良好。

以上研究主要是針對在特定的工程巖體條件下所取得的技術(shù)成果,對其他類似巖體開挖工程的適用性還有待修正,因此,本研究在借鑒前人的研究方法與成果的基礎上,開展研究適合在某金屬礦山復雜破碎巖體中如何安全高效地開掘斜坡道的爆破方法。

1 工程概況

某地下金屬礦山輔助斜坡道掘進處于強風化閃長巖及中風化閃長巖中,斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,受地表水系影響,地下水較大,屬于大水礦山,在其中開挖巖體易發(fā)生坍塌。在斜坡道掘進過程中出現(xiàn)巖體質(zhì)量時好時差,常在工作面中出現(xiàn)頂板與底板、左幫與右?guī)蛶r體質(zhì)量差異較大,斜坡道爆破成型控制難度比較大,加上開挖面滲水嚴重,進一步增加了施工的難度,有時甚至無法正常鉆孔爆破,巖體質(zhì)量呈現(xiàn)出復雜多變性特征,工程地質(zhì)條件屬復雜型。

由于斜坡道地質(zhì)條件復雜,巖體結(jié)構(gòu)性差、節(jié)理裂隙發(fā)育等原因,前期采用常規(guī)爆破方法掘進導致超欠挖現(xiàn)象較為普遍,最嚴重一次頂板垮塌高度達8 m(如圖1所示),由此增加了排險和支護工作量,影響施工進度和成本,針對這一工程情況,需要制定出一套適合本工程的爆破技術(shù)與施工技術(shù)措施。在斜坡道施工中常出現(xiàn)頂板巖體質(zhì)量較差而腰線以下巖體質(zhì)量較好的情況,故本項目主要針對這一工程情況進行爆破技術(shù)方案研究。

圖1 頂板垮塌Fig.1 Roof collapse

2 技術(shù)方案設計

參考文獻[14]中有關(guān)在破碎軟巖中的爆破掘進方法,結(jié)合本工程的特殊地質(zhì)條件,總結(jié)形成了“反向臺階法+導硐法+預留光爆層”的分次分段爆破掘進技術(shù),該技術(shù)的基本思路為將整個斜坡道斷面分3次爆破,即先爆破起拱線以下臺階部分Ⅰ→再爆破中間的導硐部分Ⅱ→最后爆破預留的光爆層部分Ⅲ,分次爆破區(qū)域如圖2所示。

圖2 分次爆破區(qū)域(單位:mm)Fig.2 Division blasting area

該爆破技術(shù)的關(guān)鍵之處是先將巖性較好的斜坡道下部巖體進行爆破,提前預留出足夠厚度的緩沖巖體來保護頂板,待爆破后視上部巖體崩落情況再進行中間導硐部分巖體的爆破,然后根據(jù)導硐部分巖體爆破后實際留下的光爆層厚度和圍巖情況調(diào)整光爆層部分巖體的爆破參數(shù),最后同時起爆光爆層炮孔。這樣做的好處就是可以使爆破出來的巷道幫壁巖面平整,斷面輪廓尺寸符合設計要求,有利于控制頂板巖石的冒落以及維護圍巖的完整性,從而有利于充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。

2.1 反向臺階爆破參數(shù)的確定

(1)掏槽方式確定。采用直孔菱形掏槽,共布置5個掏槽孔,中間1個為空孔,左右炮孔間距200 mm,上下炮孔間距300 mm,掏槽孔布置在下部臺階巖體的中心偏下處,炮孔深度2.3 m。

(2)輔助孔布置。輔助孔以掏槽孔為中心成三角形布置在下部臺階,排距368～598 mm,共布置輔助孔14個,孔深2.1 m。

(3)周邊孔布置。周邊孔布置在斜坡道斷面的輪廓線上,軸線偏斜量控制在100～150 mm之間,孔間距600 mm,抵抗線700 mm,周邊孔共8個,孔深2.1 m。線裝藥密度取0.2 kg/m。

臺階爆破炮孔布置見圖3,爆破參數(shù)見表1。

2.2 光爆層爆破參數(shù)的確定

周邊孔光面爆破的關(guān)鍵參數(shù)是確定最小抵抗線(即光爆層厚度)、周邊孔間距、周邊孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)等。爆破時應使貫穿裂縫盡快地在炮孔間形成,以使光爆層能夠快速地脫離被保留巖體,同時減輕爆生氣體對圍巖中原有裂隙產(chǎn)生的有害擴展作用。

根據(jù)文獻[15],周邊孔間距一般取400～600 mm,巖體質(zhì)量差時取小值,巖體質(zhì)量好時取大值。同時為保證爆破后巷道壁面平整不產(chǎn)生超欠挖,光爆孔的孔口應布置在掘進斷面的輪廓線上且炮孔軸線稍向斷面輪廓線外偏斜,偏斜量控制在100～150 mm之間,這樣做還可以預留出鑿巖設備工作時所需要的作業(yè)空間。

最小抵抗線(即光爆層厚度)約為10～20倍的周邊孔的孔徑,所以光爆層的厚度取值為420～840 mm。根據(jù)文獻[12]與[15],要取得較好的光面爆破效果,周邊孔的孔距與最小抵抗線的比值應在0.8～1.0之間,巖石硬度大時取大值,硬度小時取小值。

由于炮孔孔徑與藥卷直徑受現(xiàn)場條件限制已經(jīng)確定(炮孔直徑42mm、藥卷直徑32mm),因此,周邊孔不耦合裝藥只需確定軸向不耦合裝藥的參數(shù),在炮孔直徑為42 mm左右時,線裝藥密度一般取值為0.1～0.3 kg/m,巖石硬度大時取大值,硬度小時取小值。

結(jié)合本工程圍巖條件,光爆層周邊孔間距取450 mm,最小抵抗線(即光爆層厚度)取600 mm,線裝藥密度取0.1 kg/m。光爆層炮孔布置如圖3所示,爆破參數(shù)見表1。

圖3 炮孔布置(單位:mm)Fig.3 Layout of blasthole

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

2.3 導硐部分爆破參數(shù)的確定

掘進斷面中間導硐部分的炮孔布置見圖2所示,孔深2.1 m。分2次起爆,第一次起爆27號孔,第二次起爆28～35號孔,炮孔布置如圖3所示,爆破參數(shù)見表1。

2.4 起爆網(wǎng)路的確定

斜坡道全斷面采用分次分段微差爆破方式,即爆破網(wǎng)路的起爆順序為:先爆破Ⅰ區(qū)域→再爆破Ⅱ區(qū)域→最后爆破Ⅲ區(qū)域,每個區(qū)域均采用毫秒雷管微差起爆。起爆網(wǎng)路如圖4所示。

圖4 分次分段微差起爆網(wǎng)路Fig.4 Segmental millisecond detonation network

2.5 爆破效果分析

爆破技術(shù)方案確定后,在現(xiàn)場進行了多組試驗,試驗爆破技術(shù)指標見表2。

表2 爆破技術(shù)指標Table 2 Blasting technical indicators

(1)爆破后圍巖界面比較平整,超挖量控制在15 cm以下,無欠挖;尤其是在頂板位置,周邊孔孔痕率達到65%以上(如圖5所示),有效減弱了爆炸沖擊對頂板圍巖的破壞作用,同時減少了排險和支護工作量,進而降低了施工成本。

圖5 光爆層爆破效果Fig.5 Blasting effect of light blasting layer

(2)從爆破技術(shù)指標表2中可以看出,該爆破技術(shù)方案起到了增加循環(huán)進尺、提高炮孔利用率、降低炸藥單耗的作用,基本上達到了預期的爆破效果。

3 技術(shù)方案的應用擴展

此項爆破技術(shù)方案試驗成功后,可在本礦山類似的工程點進行推廣應用,特別是在地質(zhì)條件變化處,均可采用相同的設計理念,采取分次分段實施爆破的方法控制圍巖爆破成形。

在施工過程中亦可根據(jù)圍巖條件的變化進行爆破參數(shù)和爆破方式的調(diào)整,例如在施工過程中出現(xiàn)巷道左右兩幫圍巖質(zhì)量差異較大時,可采取先爆破圍巖質(zhì)量較好的那部分巖體,在巷道對側(cè)預留出光爆層,待圍巖質(zhì)量較好的那幫巖體爆破后再爆破預留的光爆層,即可有效控制巷道成形。有時遇到的圍巖更加松軟破碎,存在自行塌落的可能性時,可以采取加密布置周邊眼以減少單孔裝藥量甚至是采用不裝藥的方式配合非爆破方式開挖以達到控制巷道成形的目的,最大程度地保護預留巖體。

4 結(jié) 論

(1)針對本工程特殊的圍巖地質(zhì)條件,設計了分次分段的光面爆破技術(shù)方案,在同一斷面不同區(qū)域設計不同的爆破參數(shù)。爆破后巷道界面比較平整,超挖量控制在15 cm以下,無欠挖;在頂板位置周邊孔孔痕率能達到65%以上,有效減弱了爆炸沖擊對頂板圍巖的破壞作用,減少了排險和支護工作量,進而降低了施工成本。若對頂板圍巖及時進行噴漿支護,有利于充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力,以減少后期巷道的維護工作量。

(2)在圍巖條件變化處,本項目也進行了技術(shù)擴展應用,同樣是采取分次分段光面爆破最后修邊的方式來控制巷道成形。在具體施工過程中可結(jié)合如加密布置周邊眼以減少單孔裝藥量甚至是采用不裝藥的措施來達到控制巷道成形的目的。