基于大量工程實踐的難爆類巖巷光面爆破成型技術(shù)研究*

尹麗冰,李再易,張芫濤,龔永超,徐敏,周禮

(1.新疆瑞倫礦業(yè)有限責(zé)任公司,新疆 哈密市 839000;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012;4.安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司,安徽 六安市 237400)

0 引言

光面爆破是目前隧道施工、井下巷道掘進(jìn)常用的控制爆破技術(shù)[1-2]。采用光面爆破技術(shù)具有可以大幅提高巷道平整度、降低施工安全風(fēng)險、加快施工進(jìn)度等顯著優(yōu)勢[3]。早期,王勝,ZOU Baoping等[4-5]就光面爆破參數(shù)中的裝藥不耦合系數(shù)、裝藥密度、炮眼間距、炮眼密集度系數(shù)推導(dǎo)出一系列理論公式;陳利泰等[6]在陳臺溝鐵礦基于經(jīng)驗公式提出大斷面光面爆破方案,并在井下展開試驗,取得較好效果;曾曉昌等[7]基于巖體力學(xué)特性,提出破碎礦巖條件下光爆方案并開展試驗,試驗效果相比原爆破方案,巷道成型較好。

由于影響巷道掘進(jìn)光面爆破效果的因素諸多,諸如炸藥、巖性以及施工規(guī)范性等都會影響爆破效果[8-9]。新疆瑞倫礦業(yè)黃山南銅鎳礦前期雖然采用光面爆破進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工,但由于巖體為難爆型巖體,且部分區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育,光爆效果較差,為此在黃山南銅鎳礦巖體455 m 中段10#采場脈外巷道開展光面爆破方案研究與現(xiàn)場實踐。

1 巷道礦巖可爆性評價

巖石可爆性能夠反映巖體爆破的難易程度。依照不同的評價標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)劃分礦巖的可爆性,科學(xué)地指導(dǎo)爆破方案設(shè)計。國內(nèi)外大量學(xué)者提出了多種不同的判據(jù)并建立相應(yīng)的評價分級體系。不同體系擁有各自的特點與優(yōu)勢,但尚無完善且全面的可爆性評價方法[10]。

1.1 普氏系數(shù)分級

普化系數(shù)分級法是根據(jù)巖石的堅固性系數(shù)即普氏系數(shù),對巖石的可爆性進(jìn)行分級。黃山南銅鎳礦巖石單軸抗壓強(qiáng)度平均值為80～110 MPa,即普氏系數(shù)f值為8～11。對照普氏巖石分級表可得到礦體的普氏強(qiáng)度等級為Ⅲ級,為堅固巖石,屬于難爆類型。

1.2 布路德邦特巖石爆破性分級法

布路德幫特巖石爆破性分級見表1,此方法按照巖石的彈性縱波速度以及爆破炸藥單耗對礦巖可爆性進(jìn)行評價[11]。黃山南銅鎳礦井下西部礦巖彈性縱波速度為3300～3400 m/s,礦山目前生產(chǎn)過程中,中深孔實際炸藥單耗約為0.50～0.60 kg/m3,深孔實際炸藥單耗約為0.50～0.55 kg/m3。由表1可知,黃山南銅鎳礦西部礦巖爆破性大于Ⅱ級巖石,屬于難爆類型。

表1 布路德邦特巖石爆破性分級

1.3 巖石爆破性指數(shù)分級

巖石爆破性指數(shù)N根據(jù)式(1)求得,式中部分參數(shù)通過礦山前期在巷道中進(jìn)行的現(xiàn)場爆破漏斗試驗及分析結(jié)果得到[12],以此計算得到N為79.65,見表2。對照巖石爆破性指數(shù)分級表查詢可知屬于Ⅳ2級難爆礦巖。

表2 橄欖巖及輝石巖爆破性指數(shù)

式中,N為巖石爆破性指數(shù);V為爆破漏斗體積,m3;K大為大塊率(大于300 mm),%;K平為平均合格率(小于50 mm),%;K小為小塊率,%;ρc p為巖石波阻抗,取105g/(cm·s);ρ為巖石密度,t/m3;c p為巖石彈性縱波速度,m/s;e為自然對數(shù)的底。

以上用3種方法對黃山南銅鎳礦西部硬巖可爆性進(jìn)行評價,由評價結(jié)果可知,可崩性較差。礦巖綜合評價黃山南銅鎳礦西部硬巖屬于難爆類礦巖。

2 爆破現(xiàn)狀與光面爆破優(yōu)化設(shè)計

2.1 礦山巷道爆破現(xiàn)狀

原有的井下掘進(jìn)爆破的炮眼總體布局不合理,壓頂眼與掘進(jìn)眼間距過大,巷道上部炮眼較少,下部炮眼密集。炮眼分布不均造成巷道上、下巖層藥量分配不當(dāng),上部崩落的巖層呈大塊狀,下部崩落巖層較為粉碎。

2.2 開挖方式

目前黃山南銅鎳礦的巷道斷面尺寸主要為2.8 m×2.8 m、2.5 m×2.7 m 等,巷道凈高可達(dá)2.7～2.8 m。礦山原有的井下掘進(jìn)爆破法是采用分步開挖的方式,即第一步開挖巷道直墻以下巖層,由掘進(jìn)眼爆破崩落,第二步除開挖巷道全斷面巖層,還需崩落第一次遺留的巷道拱部巖層,稱為壓頂。拱部巖層的壓頂工作由壓頂眼(包括頂眼和壓頂輔助眼)負(fù)責(zé)爆破崩落。

相較于二次壓頂,一次成形具有掘進(jìn)工藝簡單、巷道成型較快的特點。因此,結(jié)合黃山南銅鎳礦巷道巖性條件,為改善拱部巖層和邊幫成型效果,提高爆破效率,減少安全隱患,光面爆破宜采用全斷面掘進(jìn)方式,推薦采用一次成型[13]。

2.3 炮眼深度

一般情況下,孔深可取斷面寬度的0.5～0.75倍。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),礦山原有的炮眼深度在2.2 m 左右,且基本一致。由于掏槽爆破受巖石夾制作用最為顯著,底眼起爆時間偏后,需在上覆巖層下創(chuàng)造巷道底部平臺,其自由面也受到約束,因此,掏槽眼和底眼需比一般炮眼超深5%～10%。考慮到掏槽眼與底眼的特殊作用與現(xiàn)場調(diào)研的實際情況,對原有爆破方案的炮眼深度進(jìn)行優(yōu)化,即設(shè)置周邊眼、輔助眼、底眼深度均為2.3 m,掏槽眼和掏槽輔助眼超深一般炮眼0.2 m,設(shè)置為2.5 m。炮眼直徑均為40 mm。掏槽眼、輔助眼、底眼垂直于巷道作業(yè)面,頂眼和幫眼與巷道內(nèi)壁形成3°～5°的微角度。

2.4 周邊眼參數(shù)

周邊眼參數(shù)的設(shè)置一般有兩種方法,即經(jīng)驗公式法和理論計算法。采用單純的理論計算法所獲得的參數(shù)往往與實際情況相差較大,因此,采用經(jīng)驗公式法優(yōu)化周邊眼參數(shù)。

2.4.1 周邊眼間距E

周邊眼的間距與炮眼直徑成一定的比例關(guān)系[14],一般周邊眼間距為(10～20)d,其中,d為炮眼直徑,取d=40 mm,因此,周邊眼間距E范圍為0.4～0.8 m。

2.4.2 周邊眼最小抵抗線W

2.4.3 周邊眼密集度系數(shù)m

一般情況下,巷道賦存巖石為硬巖,周邊眼密集度系數(shù)m可在0.8～1.0之間取值。

2.4.4 周邊眼裝藥集中度q l

周邊眼裝藥集中度為單個周邊眼內(nèi)裝藥質(zhì)量與炮眼深度的比值,其與炸藥特性及巷道巖性相關(guān)聯(lián)。根據(jù)礦山實踐經(jīng)驗,2號巖石乳化炸藥在硬巖條件下,周邊眼的裝藥集中度q l可在0.33～0.46 kg/m 之間取值。

2.5 總藥量估算

2.5.1 炸藥單耗

選取炸藥單耗的方法有多種,目前主要有參考巷道掘進(jìn)炸藥單耗定額表法和經(jīng)驗公式法,本文將兩種方法結(jié)合起來運(yùn)用,以獲得合理的炸藥單耗值。

(1) 巷道掘進(jìn)炸藥單耗定額參考見表3。

表3 巷道掘進(jìn)炸藥單耗定額m3/kg

(2) 根據(jù)經(jīng)驗公式確定炸藥單耗[15],可按式(2)進(jìn)行計算。

式中,q為炸藥單耗,kg/m3;K為常數(shù),取0.35;f為普氏硬度系數(shù),取8～10;S x為斷面系數(shù),可按公式S x=S/5 計算,其中S為巷道凈斷面積,取7.286 m2;d x為藥包徑向系數(shù),可按公式d x=S/5計算,其中d為裝藥直徑,取32 mm;e為與炸藥相關(guān)系數(shù),可按e=320/e0計算,其中e0為炸藥作功能力,取308 mL。

2017年10月2日， 比利時向歐盟委員會通告全面禁止塑料微珠用于消費(fèi)品中的草案，通告中指出將自愿淘汰所有消費(fèi)品中的微塑料，其“部門禁令”最初將適用于化妝品和牙膏，以及后來的清潔和保養(yǎng)產(chǎn)品、粘合劑和膠粘劑[14]。目標(biāo)是到2019年實行在所有一次性化妝品和牙膏中使用塑料微珠的“全面禁令”。該計劃草案得到了聯(lián)邦能源，環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展部等的贊同。

對照表3,可得炸藥單耗為1.69 kg/m3左右,而根據(jù)經(jīng)驗公式計算得的炸藥單耗在1.53～1.80 kg/m3之間,因此,本次設(shè)計炸藥單耗值q可取1.80 kg/m3。

2.5.2 單次循壞爆破炸藥總量估算

單次循壞爆破炸藥總量為巷道掘進(jìn)單個進(jìn)尺所消耗炸藥總量[16],一般可按式(3)計算。

式中,Q總為單次循環(huán)的炸藥總量,kg;q為炸藥單耗,取1.80 kg/m3;S為巷道凈斷面積,取7.286 m2;L為炮眼深度,取2.5 m;η為炮眼利用率,取0.96。計算得出單次循環(huán)爆破炸藥總量為31.48 kg。

2.6 炮眼數(shù)目

2.6.1 周邊眼數(shù)目

周邊眼數(shù)目與巷道斷面尺寸密切相關(guān)[17],可按經(jīng)驗式(4)計算。

式中,B為巷道凈寬,取2.8 m;E0為周邊眼的平均間距,取0.50 m;BL為巷道斷面周長,可按式計算,其中c為巷道現(xiàn)狀系數(shù),對于三心拱形巷道,c可取3.4。經(jīng)過計算得到周邊眼數(shù)目N1=12.58個,實際取整數(shù)N1=13個。

2.6.2 其它裝藥眼總數(shù)

其它裝藥眼包括掏槽眼(不含空眼)、輔助眼(包含一般輔助眼和掏槽輔助眼)和底眼,總數(shù)N2可按式(5)計算[18]。

式中,Q總為單次循環(huán)爆破的炸藥總量,kg;q1為裝藥集中度,在0.33～0.46 kg/m 之間,這里取0.33 kg/m;L1為周邊眼的平均深度,取2.3 m;Q0為輔助眼和掏槽眼的單眼平均裝藥量,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況,可按裝藥4支到5支計算,取1.35 kg。

經(jīng)計算,掏槽眼(裝藥)、輔助眼和底眼的數(shù)目N2=17.06個,實際取N2=18個。

2.7 炮眼布置

基于上述計算結(jié)果,參考類似礦山光面爆破的經(jīng)驗,黃山南銅鎳礦炮孔布置如圖1所示,總計布置炮眼數(shù)為45個,其中周邊眼17個,輔助眼18個,掏槽眼10個;采用直眼掏槽方式。

圖1 炮眼布置示意(單位:m)

2.8 裝藥和起爆

為控制爆破振動效應(yīng),削弱巷道掘進(jìn)爆破對圍巖的損害,頂眼和幫眼采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)[19-20],掏槽孔、輔助孔、底孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),具體的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用2號巖石乳化炸藥爆破,用黃泥堵塞炮孔。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

掏槽眼、輔助眼、底眼起爆方式為非電導(dǎo)爆管雷管孔底起爆。頂眼和幫眼采用單發(fā)非電導(dǎo)爆管與乳化藥卷用膠帶纏一起并孔內(nèi)全長敷設(shè)導(dǎo)爆索(導(dǎo)爆索纏繞在藥包上)。采用延時分段爆破,起爆順序為掏槽眼、輔助眼、幫眼、底眼、頂眼,起爆順序如圖3所示。裝藥及起爆相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

圖3 起爆順序

表4 裝藥及起爆相關(guān)數(shù)據(jù)

3 一次成型光面爆破現(xiàn)場實踐

3.1 施工區(qū)域概況

確定現(xiàn)場試驗在黃山南銅鎳礦455 m 中段10#采場脈外巷道開展。巷道巖體是以基性—超基性巖為主的地質(zhì)巖組,其堅固性較好,按巖芯塊度統(tǒng)計劃分巖體質(zhì)量為一般良好,但在破碎帶及蝕變強(qiáng)烈地段,巖石力學(xué)強(qiáng)度大幅度降低。巷道的頂?shù)装鍘r石較為堅硬,但巷道某些區(qū)域巖體的節(jié)理、裂隙較發(fā)育,且部分位置處于斷層破碎帶、軟弱接觸帶地段。

3.2 一次成型光面爆破現(xiàn)場實踐

根據(jù)光面爆破優(yōu)化設(shè)計先后在試驗區(qū)域進(jìn)行7次光面爆破掘進(jìn)試驗。7次爆破進(jìn)尺均達(dá)到設(shè)計要求,但前4次光面爆破周邊孔的殘孔及半孔率較差,且存在部分超挖欠挖現(xiàn)象,經(jīng)過分析原因及時調(diào)整優(yōu)化之后,后3次掘進(jìn)爆破均取得了較好效果。

圖4為前3次光爆試驗后的效果圖,由圖4可知,前3次爆破后出現(xiàn)了殘孔率較差的情況,經(jīng)過分析總結(jié)發(fā)現(xiàn),此段巷道巖體恰好處于破碎帶與軟弱接觸帶地段,巖體節(jié)理、裂隙相對發(fā)育,而周邊孔裝藥量相對過多,從而導(dǎo)致未留下半孔形的炮孔。據(jù)此對后續(xù)設(shè)計進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)周邊孔區(qū)域巖體裂隙較發(fā)育時,適當(dāng)增加藥卷間隔距離,必要時減少裝藥量。圖5為第4次掘進(jìn)試驗時發(fā)現(xiàn)巷道左下角出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象,經(jīng)分析現(xiàn)場技術(shù)人員測孔記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因為:鉆孔向內(nèi)偏斜,且此區(qū)域鉆孔堵塞過短,為此需要加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督與施工管理。圖6為后續(xù)光面爆破效果,巷道斷面形狀規(guī)整,左右兩邊非常對稱,無明顯的超欠挖現(xiàn)象,大塊率良好,爆堆較為集中,拋擲距離適中,巷道左右兩巖壁非常平整,但側(cè)壁會出現(xiàn)巖體根脊,主要由于巷道巖體本身節(jié)理、裂隙發(fā)育,鉆孔施工質(zhì)量有些不一致。掘進(jìn)進(jìn)尺為2.1～2.2 m 時,取得了非常好的爆破效果。

圖4 前3次光爆試驗后效果

圖5 光爆試驗欠挖現(xiàn)象

圖6 優(yōu)化后光面爆破效果

3.3 二次壓頂爆破優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)場實踐

針對黃山南銅鎳礦井下工人的鑿巖方式,在一次成型光面爆破的基礎(chǔ)上,改進(jìn)原有設(shè)計光面爆破方式,現(xiàn)將一次成型光面爆破改為二次壓頂爆破,其中二次壓頂?shù)呐诳撞贾萌鐖D7所示。

圖7 二次壓頂爆破炮孔設(shè)計(單位:m)

二次壓頂爆破現(xiàn)場試驗是采用分步開挖的方式,即第一步開挖巷道直墻以下巖層,由掘進(jìn)眼爆破崩落,第二步除開挖巷道全斷面巖層,還需崩落第一次遺留的巷道拱部巖層。在試驗區(qū)域共進(jìn)行3次掘進(jìn)爆破試驗,優(yōu)化后光面爆破效果如圖8所示,由圖8可知,試驗巷道斷面形狀規(guī)整,左右兩邊未發(fā)現(xiàn)殘眼,幫眼的半孔率較好,形成了較好的半孔形狀,無明顯的超欠挖現(xiàn)象。同時,頂眼光爆效果較好,爆破炮孔較規(guī)整,半孔率較好,掘進(jìn)進(jìn)尺為2.1～2.2 m。

圖8 優(yōu)化后的光面爆破效果

4 爆破綜合對比分析

4.1 原有爆破法與光面爆破法的經(jīng)濟(jì)比較

礦山原有的爆破現(xiàn)場試驗、光面爆破及二次壓頂爆破現(xiàn)場試驗的基本材料消耗分別見表5、表6、表7。

表5 原有爆破法基本材料消耗

表6 光面爆破法基本材料消耗

表7 二次壓頂爆破基本材料消耗

根據(jù)黃山南銅鎳礦采購部門提供的材料清單可知,井巷掘進(jìn)采用的2 號巖石乳化炸藥為12元/kg,導(dǎo)爆管雷管單價為6.0元/發(fā),導(dǎo)爆索單價為2.85元/m。

經(jīng)過計算得到,原有爆破法的單次循環(huán)爆破基本材料消耗成本為938.4元;光面爆破法基本材料消耗成本為915.3元;二次壓頂爆破基本材料消耗成本為910.6元。

原有爆破法的掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺平均為1.9～2.0 m,每米基本材料消耗成本為469.2元,而光面爆破法的循環(huán)爆破進(jìn)尺可達(dá)2.1～2.2 m,每米基本材料消耗成本為416.05元,二次壓頂爆破法的循環(huán)爆破進(jìn)尺可達(dá)2.1～2.2 m,每米基本材料消耗成本為413.9元。黃山南銅鎳礦開采工作面多,井巷工程作業(yè)量大,井巷掘進(jìn)工作量占據(jù)礦山工程份額大,采用優(yōu)化后的光面爆破法或者二次壓頂爆破法可為礦山節(jié)省大量成本。

4.2 綜合對比分析

根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗的效果,對比原有的掘進(jìn)爆破,從以下方面進(jìn)行對比分析。

(1) 綜合成本方面。原有爆破法的單次循環(huán)爆破基本材料成本為469.2元/m,光面爆破法單次循環(huán)爆破基本材料成本為416.05元/m,而二次壓頂爆破消耗成本為413.9元/m。故從綜合成本方面分析:二次壓頂爆破＜一次成型光面爆破法＜原有爆破法。

(2) 掘進(jìn)效率方面。一次成型光面爆破或二次壓頂爆破的掘進(jìn)進(jìn)尺控制在2.0～2.1 m,進(jìn)尺較好,掘進(jìn)效率高,掘進(jìn)炮孔有效利用率達(dá)到了91%以上。

(3) 爆破效果方面。一次成型光面爆破或二次壓頂爆破邊幫成型較原有爆破效果好,同時頂眼成型效果較好。

5 結(jié)論

(1) 結(jié)合黃山南銅鎳礦井下礦巖工程地質(zhì)條件,綜合多種可爆性評價方法,得出該礦的巖石可爆性指標(biāo)高,屬于穩(wěn)固類型巖體,為難爆類巖體。

(2) 基于巖體物理力學(xué)參數(shù)與炸藥性質(zhì),結(jié)合經(jīng)驗公式對黃山南銅鎳礦井下光面爆破掘進(jìn)方式及爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,得到一次成型光面爆破方案。

(3) 開展現(xiàn)場掘進(jìn)爆破試驗,根據(jù)現(xiàn)場試驗情況可知,后續(xù)掘進(jìn)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督與核查,嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,按照設(shè)計方案施工。遇到破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育等地質(zhì)現(xiàn)象時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù),并根據(jù)工人施工習(xí)慣對二次壓頂爆破進(jìn)行優(yōu)化,提出相應(yīng)方案。最終兩種方案都取得理想效果。

(4) 經(jīng)優(yōu)化后,掘進(jìn)光面爆破效率提升了10%,成本降低了13%,掘進(jìn)炮孔有效利用率達(dá)到了91%以上,巷道成型效果好,進(jìn)一步降低了支護(hù)成本,提高了巷道安全性。