深孔爆破技術在巖巷硬巖弱化中的應用及效果

方 義

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011）

我國地下礦山開采最早采用爆破的方式進行開，施工中常見亂打眼、少打眼、多裝藥、亂放炮等現象，造成炮眼利用率低，巖石拋擲遠，爆堆不集中，周邊超挖量大，圍巖松動破壞嚴重等問題，不僅影響了巷道掘進的速度，增加了出矸量和支護材料消耗，也降低了巷道穩(wěn)定性和安全性。

目前常用綜合機械化掘進，主要是以掘進機械代替炮采進行開挖。但煤層在漫長的地質演變后，含有很多巖石斷層。當巖石強度較低時，掘進機械可以直接破碎，但是對于堅硬巖石，掘進機械效率低，甚至對切割端磨損嚴重。

因此在掘進中采用掘進機械掘進與深孔爆破相結合，可以大大減小對圍巖的破壞、增加安全性，并且提高掘進速度、降低成本?？梢哉f是一種高效、安全、成本低、作業(yè)環(huán)境好、勞動強度低的巖巷掘進方法。該方法適用于各種巖巷掘進，尤其適用于具有較高硬度的巖石巷道的掘進。經實踐表明，當巖石硬度大于8時，掘進機掘進速度慢，且磨損嚴重。當采用深孔松動爆破后，巖石弱化程度良好，機械掘進速度加快。本文結合某次爆破施工，采用深孔松動爆破，通過合理設置爆破參數，使爆破對象成為裂隙發(fā)育體，達到巷道工作面巖體弱化松動的目的。該方法通過裝藥結構、裝藥量的設計使得爆破能量比較合理的分布在整個孔深范圍內，減少爆破對圍巖的破壞作用，確保支護設備不受爆破拋擲巖石的擊打而損壞。通過窺視孔窺視以及現場觀察，弱化效果良好，大大提高了掘進機械的施工速度，達到預期爆破的效果，為同類施工提供參考。

1 深孔爆破弱化硬巖機理

爆破理論認為，埋入無限巖石的炸藥爆炸后，在巖石中形成以裝藥為中心的由近及遠的不同破壞區(qū)域，依次稱為壓裂區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動區(qū)[1]。炸藥在炮孔中爆炸時，產生的沖擊波作用于周圍介質上，其產生的壓應力強度遠遠高于周圍介質的極限抗壓強度，造成周圍介質過度粉碎，形成壓裂區(qū)。沖擊波在介質內部以應力波形式傳播，產生徑向壓塑和切向拉伸，形成裂隙區(qū)。當應力波繼續(xù)向前傳播，衰減到不足以使介質產生破壞，只能產生震動，則形成彈性振動區(qū)。

圖1 炮孔周圍裂隙擴展圖

深孔爆破的目的是增加巖體中的裂隙長度和范圍，以降低巖體的強度。因此，不僅要求在相鄰的孔間連線方向上形成貫通裂縫，而且要求在其他方向盡可能多的產生裂隙，使巖體形成以炮孔為中心相互連通的裂隙網。

深孔爆破在巖巷硬巖中產生的壓裂區(qū)和裂紋貫穿的裂隙區(qū)，有效降低巖體強度，保證掘進機械能夠高效的作業(yè)。

2 工程實踐

2.1 爆破方案的設計與工藝

2.1.1 爆破參數

在某水平軌道大巷中，巖石為細砂巖，硬度f=8～9，斷面底寬5500mm，高4150mm，上部為半圓形。

由理論分析可知，爆破孔徑越大，裝藥量越多，爆破能量越大，越有利于裂隙的形成和發(fā)展。但根據類似礦井的經驗，隨著爆破孔徑的增大，裂隙的增長幅度隨著爆破孔孔徑的增大而減小，說明單純增大爆破孔徑來增加弱化效果是有限的，故本次采用直徑90的孔，采用全斷面爆破，布置5個孔，鉆孔深度25m，直徑90mm，封孔9m，裝藥16m。5個鉆孔均作為爆破孔，平行巷道軸線方向鉆進。

當巖體條件一定時，孔間距的大小應與孔徑相匹配，在一個合適的范圍內，有利于裂隙的形成和發(fā)展，根據經驗，設計孔距為1.3m，上部兩個孔，下部三個孔，編號分別為1#至5#[2]。

使用炸藥為水膠炸藥，爆速3800m/s，裝藥密度為1100kg/m3。

5個孔一次性起爆，為減小爆破對圍巖的震動，孔間分別用1、2、3三個段別起爆。封孔長度大于9m。具體見表1。

表1 裝藥參數表

2.1.2 爆破操作的注意事項[3]

（1）打鉆：準確確定鉆孔的位置，鉆孔確保直、齊、平。孔打好后，要求孔內粉渣必須完全排出；避免出現下山孔及孔內出現臺階，致使無法裝藥。當鉆桿撥后，用探孔管探孔驗正孔深，以確定裝藥的長度。

（2）裝藥方式：每個炮孔裝藥用兩發(fā)電雷管分別用放炮母線引出孔外。裝藥采用正向裝藥方式。炮頭的加工是將雷管腳線剪掉只留15cm長接膠質線，其接頭用絕緣膠布裹緊，防止斷路和短路。

（3）裝藥注意事項：在裝藥最前端用11號鐵絲把藥管固定住，以便卡藥時能順利拉出。裝藥前要對雷管進行導通檢查，保證導通電阻符合要求，封孔后再對雷管進行導通檢查。

（4）封孔方式：一遍裝藥完畢，隨即采用專用封孔器封孔，封堵要緊，防止穿孔。采用專用炮泥和專用封孔器封孔。封孔時，先對每個炮孔進行潤濕，以提高炮泥與孔內壁之間的粘結力。炮泥用人工加適量的水以提高炮泥的粘性。用封孔管送入炮孔進行封泥，人工退封孔管要把握住退管的速度，以便封炮泥的牢固性。

（5）起爆方式：為確保每個起爆點可靠起爆，防止孔內雷管的短路或斷路，孔內的起爆藥包各用兩發(fā)同段雷管分別用膠質線引出孔外，在檢杳各起爆網路導通時，孔外全部采用串聯電起爆網路。

（6）放炮方法：按地下礦井深孔爆破有關安全規(guī)程放炮。

（7）放炮20分鐘后，進行安全檢查。

2.2 窺視孔設計與實施

為觀察本次爆破對硬巖的弱化程度及范圍，從旁邊巷道鉆6#孔穿過1#孔上方，作為觀察1#孔的窺視孔。窺視孔位置如圖2。

圖2 水平巷道深孔爆破鉆孔布置圖

圖3 窺視孔鉆孔位置圖

爆破前對6號孔通過巖層窺視儀進行了觀測。6#孔11米位置圖片如下：

圖4 爆破前6號孔窺視圖

爆破后，現場發(fā)現有炮煙從6號孔溢出，說明1號孔爆破所產生的裂隙已與6號孔相連通。通過巖層窺視儀對6號孔進行窺視，當鏡頭深入11.5m時，孔壁破碎，并有大量矸石，無法再進一步測量。

圖5 爆破后6號孔窺視圖

3 施工結果

通過現場觀察，爆破鉆孔周邊0.5m～0.7m范圍內巖石均已破碎，人工即可使巖石脫落。炮孔周邊巖石被震酥，遇水后呈泥砂混合狀。

通過對窺視孔6#孔進行窺視，孔口前段孔壁保持完整狀態(tài)。從10.5米開始，發(fā)現碎屑及裂痕，到11.5米位置，孔內塌落巖塊過多，鏡頭無法進入。通過現場6#鉆孔位置關系判斷，6#孔11.5m位置其下部正對應1號鉆孔，距1#孔約1.7m，故判斷1號孔爆破松動范圍達1.7m。

通過在大巷掘進期間對其進行現場觀測，巷道出現卡釬現象，推測1#孔爆破松動半徑在1.5m～2.5m之間。

4 結論

深孔爆破參數合理時，其單孔裝藥直徑大，單位長度的裝藥量大，爆炸產生沖擊波和爆生氣體共同作用的巖石上，巖石的裂紋迅速擴展，部分巖石松動破碎，使巖石的整體性降低，大大提高掘進機械的破巖速度。

通過該次深孔爆破，對于f=8的巖石，爆破松動半徑為1.5m～2.5m之間，在該范圍內巖石弱化效果較好。