雙階同深分段掏槽爆破技術在豎井掘進中的應用

李龍福 江東平 方建國 章結傳

(馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司,安徽 馬鞍山 243000)

在基建礦山的各項建設工程中,豎井掘進工程是礦山的重點建設工程。豎井掘進工程量一般在整個礦山基建工程量中相對較少,約占5%左右,然而豎井的井筒工程及其附屬工程的施工工期在整個基建工期中的比例卻高達40%以上[1-2],因此,豎井掘進速度的快慢直接影響到礦井建設工期的長短。

提高豎井施工速度可以有效縮短基建工期。近年來,隨著豎井施工裝備、技術的改進和創新,比如大型傘鉆、中心回轉抓巖機、大段高液壓金屬模板以及中深孔爆破技術在豎井掘進中的成功應用,都是提高豎井施工速度和增加經濟效益的重要手段[3-7]。大段高液壓金屬模板配合中深孔爆破技術,可使循環進尺達到3.5 m 以上,可有效解決小段高掘進施工循環次數多、輔助作業時間長等效率低下的難題。

在豎井施工中采用中深孔爆破技術,掏槽質量是關鍵,掏槽質量直接影響循環進尺。在井筒爆破掏槽形式中最常用的有直眼筒形掏槽和斜眼錐形掏槽2種,其中斜眼錐形掏槽因各掏槽孔孔底相距很近,炸藥比較集中,掏槽眼圈內巖石獲得的爆破作用能量比較大,導致碎石拋擲很高,經常砸壞吊盤附近的機械設備,加上受空間條件的限制使得打斜眼的精度不容易控制,使得斜眼錐形掏槽在工程中應用較少[8-10];對比直眼筒形掏槽卻沒有以上缺點,在實際工程中應用較多,掏槽效果也較好。本項目在直眼筒形掏槽爆破技術的基礎上,研究雙階同深分段掏槽爆破技術,結合現場爆破試驗,尋求適合特定施工對象的掏槽爆破方式。

1 雙階同深分段掏槽技術破巖機理分析

所謂雙階同深分段掏槽技術,即是采用2 圈掏槽孔(內圈設為一階,外圈設為二階,統稱雙階),內外2圈掏槽孔孔深相同,在裝藥結構設計中,內圈掏槽孔采用分段裝藥,外圈掏槽孔采用連續裝藥?，F以豎井掘進雙階同深分段掏槽為例進行說明(示意圖見圖1與圖2)。一階掏槽孔(編號1 ～6)采取分段裝藥,上部分段裝毫秒1 段雷管,下部分段裝毫秒3 段雷管;二階掏槽孔(編號7～18)采用連續裝藥,孔內裝毫秒5 段雷管;中間空孔起增加自由面和提供補償空間的作用。

圖1 雙階掏槽平面布置Fig.1 Plane layout of two-stage cutting

圖2 雙階掏槽剖面布置Fig.2 Section layout of two-stage cutting

此種掏槽技術的關鍵在于一階掏槽孔采用分段裝藥結構,將炮孔內炸藥能量分2 次釋放,由于上分段類似于淺孔爆破,巖石的夾制作用相對較小,炮孔利用率高,掏槽效果好,爆破后形成的槽腔能為下分段巖石爆破提供更大的補償空間,保證了一階掏槽的整體效果;同時由于炮孔內采用分段裝藥,爆破能量分布更加均勻,降低了槽腔內巖石爆破后的大塊率[11-12]。中間空孔的存在為一階掏槽爆破提供了初始的自由面和補償空間,引導爆破裂紋向自由面方向擴展,使得一階掏槽范圍內巖石更加容易破碎,確保一階掏槽質量。

一階掏槽孔爆破后為二階掏槽增加了新的自由面和新的補償空間,有利于增強二階掏槽爆破應力波的反射拉伸作用,有效降低了槽腔內巖石的夾制作用,破碎巖石更加容易,進一步提高了二階掏槽孔(主掏槽作用)的掏槽效果,為后續炮孔的爆破破巖提供了更加有利的條件。

2 工程實例

某基建礦山設計采用主副井開拓方案,副井承擔全礦人員、材料、設備等的提升和下放任務,并兼作新鮮風流的入口。副井設計采用圓形斷面,井筒凈直徑?7 m,掘進荒徑?8 m。根據地質鉆探資料、巖石力學試驗結果及物探測井有關資料,副井井身段原巖成分以石英、斜長石、角閃石為主,斑狀結構,塊狀構造,裂隙較發育,巖芯呈柱狀、短柱狀,局部蝕變為高嶺土化、綠泥石化,巖體的堅固性系數f=3 ～12,f值平均在8～10 之間,工程地質條件屬復雜型。

3 爆破技術方案設計

副井爆破采用二級巖石乳化炸藥,炸藥直徑40 mm,藥卷重量500 g,藥卷長度320 mm。雷管采用毫秒延期導爆管雷管。炮孔直徑50 mm。井筒中心布置一個空孔,孔徑50 mm。

3.1 掏槽孔爆破參數

根據前述雙階同深分段掏槽爆破技術破巖機理分析,為提高循環進尺,副井爆破掏槽設計采用直眼筒形雙階掏槽技術。一階掏槽孔與二階掏槽孔深度相同,孔深均為4.3 m,同時在井筒中心布置一個空孔,孔深與掏槽孔相同。其中一階掏槽孔設計圈徑1.6 m,炮孔數量6 個,孔間距800 mm;二階掏槽孔設計圈徑2.5 m,炮孔數量12 個,孔間距647 mm;一階掏槽孔與二階掏槽孔排間距450 mm。一階掏槽孔(編號1～6)采取分段裝藥結構,上下分段間采用炮泥間隔,上部分段炸藥用毫秒1 段雷管起爆,下部分段炸藥用毫秒3 段雷管起爆;二階掏槽孔(編號7 ～18)采用連續裝藥結構,孔內裝毫秒5 段雷管。掏槽孔布置如圖3所示,爆破參數見表1。

3.2 周邊孔爆破參數

周邊孔爆破參數的合理性不僅直接影響到井筒斷面成型的優劣,而且對井壁圍巖的保護也至關重要。周邊孔爆破參數的核心要素是最小抵抗線、炮孔間距、不耦合裝藥結構參數等。爆破時應確保周邊孔同時起爆,在炮孔間形成貫穿裂縫,光爆層巖體在爆生氣體的輔助作用下能夠快速地與井壁巖體分離,同時減輕爆破應力波與爆生氣體對被保留巖體中原生節理裂隙面的有害擴展作用。

根據文獻[13-14],周邊孔間距一般取400 ～600 mm;最小抵抗線取值約為10 ～20 倍的周邊孔的孔徑。要取得較好的光面爆破效果,周邊孔的孔間距與最小抵抗線的比值應在0.8 ～1.0 之間;受現場鑿巖設備和炸藥品種類型的供應限制(炮孔直徑與藥卷直徑已經確定),所以只需確定周邊孔軸向不耦合裝藥系數。為控制爆破后井筒壁面平整度、減少超欠挖量以及便于鉆孔設備作業,周邊孔的孔口應布置在井筒斷面的輪廓線上且炮孔軸線稍向斷面輪廓線外偏斜,孔底偏出輪廓線控制在50～100 mm 之間,本次設計取80 mm。結合副井工程地質條件,周邊孔間距設計為523 mm,最小抵抗線設計為550 mm,線裝藥密度設計為0.625 kg/m。周邊孔布置如圖3所示,爆破參數見表1。

3.3 輔助孔爆破參數

輔助孔的布置應該遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,一般是相對均勻地分布在掏槽眼和周邊眼之間,在采用光面爆破時,還應使最外圈輔助孔與周邊孔的圈徑差滿足光爆層的要求[15]。因此,根據副井圍巖條件和井筒掘進斷面尺寸,輔助孔共布置2圈,設計圈徑分別為4.7 m和6.9 m;炮孔數量分別為20 個和30 個;孔間距分別為735 mm和721 mm。輔助孔布置如圖3所示,爆破參數見表1。

圖3 炮孔布置(單位:mm)Fig.3 Arrangement of blast-hole

表1 爆破參數Table 1 Blasting parameters

3.4 起爆網路

考慮到井筒工作面附近有電氣設備,因此,副井全斷面采用導爆管雷管接力式簇聯起爆網路,毫秒微差爆破方式。為保證掏槽質量,同時防止先爆炮孔擠死后響炮孔或使后響炮孔內的炸藥產生誤爆,排間雷管的間隔時間不能過長;此外,還需要有足夠的時間將槽腔內的巖石破碎并拋擲出去形成空腔創造自由面,排間雷管的間隔時間又不能太短。故本次設計選用1 段、3 段、5 段、7 段、9 段、11 段共6 個段別的毫秒雷管,孔外全部使用1 段雷管作聯接雷管和起爆雷管。起爆網路如圖4所示。

圖4 微差起爆網路Fig.4 Millisecond initiation network

3.5 爆破效果分析

爆破技術方案確定后,為評價爆破設計參數的合理性,在現場進行了11 模爆破試驗(根據地質資料與揭露的巖性可知,本試驗段內巖性差別不大,爆破效果具有可比性),試驗后平均爆破技術指標見表2。從表2 中數據可知,炮孔利用率較高,平均利用率為91.8%,平均循環進尺為3.67 m,說明此種掏槽爆破方式效果較好,能滿足大段高液壓金屬模板對單循環進尺3.5 m 以上的要求。

表2 爆破技術指標Table 2 Blasting technical indicators

周邊孔采用光面爆破措施后有效減弱了爆破有害作用對井壁圍巖的損傷,爆破后井壁圍巖比較平整,幾乎無欠挖,平均超挖量控制在20 cm 以下,圍巖控制效果較好。

4 結 論

本文在分析直眼筒形掏槽爆破技術的基礎上,結合大段高液壓金屬模板對單循環進尺的高要求,研究了雙階同深分段掏槽爆破技術,結合現場爆破試驗,得出如下結論。

(1)針對本工程設計的雙階同深分段掏槽爆破技術方案,通過調整掏槽孔的布置和炮孔內炸藥能量的釋放順序,一階掏槽孔采取分段裝藥結構,上部分層巖體爆破后為下部分層巖體爆破提供新的自由面,保證了一階掏槽的整體效果;一階掏槽取得的好效果使得二階掏槽破碎巖石更加容易,進一步提高了二階掏槽質量。良好的掏槽質量對取得平均循環進尺3.67 m 的效果起到了決定性的作用,為大段高液壓金屬模板的使用提供了前提條件。

(2)周邊孔采用光面爆破,使得井壁圍巖質量得到有效控制,減少了刷幫、支護等其他輔助作業時間,大大提高了工序間的轉換效率。

(3)爆破后巖石塊度均勻,幾乎無大塊,爆破技術指標良好,說明研究設計的掏槽爆破技術方案可行,為后續施工或其他井筒爆破掘進工程提供了范例。