楊仁樹(shù) 王 渝 宮國(guó)慧 趙 勇 左進(jìn)京 駱浩浩 鄭昌達(dá)

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；5.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧鞍山114046）

礦山巷道掘進(jìn)是影響礦山生產(chǎn)效率的主要環(huán)節(jié)之一，其掘進(jìn)進(jìn)尺、掘進(jìn)效率等對(duì)后續(xù)施工工程效益具有重要影響。我國(guó)礦山巷道掘進(jìn)中鉆爆法依然是巖石井巷掘進(jìn)的主要工法之一，占比達(dá)到95%以上［1］。對(duì)于采取鉆爆法施工的掘進(jìn)巷道，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)是能否實(shí)現(xiàn)安全、高效爆破的關(guān)鍵影響因素。

爆破掘進(jìn)進(jìn)尺的關(guān)鍵在于掏槽，如何提高炮孔利用率一直是諸多學(xué)者研究的重點(diǎn)。王忠康等［2］針對(duì)超大斷面硬巖巷道，提出了三級(jí)復(fù)式楔形掏槽方式，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了較高的炮孔利用率。張召冉等［3］提出了“二階二段”掏槽技術(shù)，通過(guò)理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)在巖巷深孔掏槽爆破中具有良好的適用性。龔敏等［4］通過(guò)改變單孔裝藥量和設(shè)置中心眼來(lái)探究爆破參數(shù)對(duì)爆破效果的影響，優(yōu)化后的爆破方案在堅(jiān)硬巖石巷道施工中取得了良好的效果。楊國(guó)梁等［5］提出了復(fù)式楔形深孔掏槽爆破方法，研究了該掏槽方式下應(yīng)力波的傳播規(guī)律，并將復(fù)式楔形掏槽爆破應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的爆破效果。單仁亮等［6-7］提出了準(zhǔn)直眼掏槽方式，通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了新掏槽方式的良好應(yīng)用效果。郭東明等［8］將中心大空孔掏槽爆破技術(shù)應(yīng)用于益新煤礦巖巷掘進(jìn)中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該技術(shù)應(yīng)用后顯著提高了巷道掘進(jìn)速度。楊國(guó)梁等［9］根據(jù)切縫藥包對(duì)爆炸能量的導(dǎo)向性，提出了采用切縫藥包進(jìn)行掏槽爆破，在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了96.7%的炮眼利用率，驗(yàn)證了“先切后掏”思路的可靠性。

基于上述成果分析可知，學(xué)術(shù)界對(duì)于掏槽優(yōu)化的研究主要集中在掏槽布孔方式改變上，對(duì)于掏槽孔超深長(zhǎng)度的改變?cè)斐膳诳桌寐首兓@一問(wèn)題的研究鮮有涉及。為了探尋掏槽孔超深長(zhǎng)度與炮孔利用率的內(nèi)在關(guān)系，本研究基于弓長(zhǎng)嶺鐵礦巷道掘進(jìn)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以掏槽孔垂直深度作為單一變量，旨在尋求不同進(jìn)尺方案所對(duì)應(yīng)的合理掏槽孔垂直深度。

1 金屬礦山掏槽參數(shù)存在的問(wèn)題

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，統(tǒng)計(jì)了部分金屬礦山與非金屬礦山爆破掘進(jìn)巷道的巖性特征強(qiáng)度、掏槽孔垂直深度、其他炮孔深度、掏槽方式、炮孔利用率等信息，結(jié)果如表1所示。

行業(yè)內(nèi)通常采用巖石堅(jiān)固性系數(shù)f（即普氏系數(shù)）來(lái)描述巖石的力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到表征巖石普氏系數(shù)與掏槽孔超深、炮孔利用率的關(guān)系示意圖（圖1）。由圖1可知：①金屬礦山巷道掘進(jìn)中巖石普氏系數(shù)f普遍為10～17，平均炮孔利用率基本維持在90%左右；對(duì)于煤礦而言，f值普遍小于10，平均炮孔利用率為92%左右；硬巖巷道相對(duì)于軟巖巷道爆破效率較低。②無(wú)論是金屬礦山還是非金屬礦山，巖性雖然不同，但是掏槽孔超深長(zhǎng)度并沒(méi)有明顯改變。

為更加直觀地觀察掏槽孔超深分布范圍，對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：金屬礦掏槽超深長(zhǎng)度基本保持在0.2 m及以下，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的95.2%，極少超過(guò)0.2 m，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的4.8%。

炮孔深度（本研究指非掏槽孔深度）對(duì)于巷道掘進(jìn)的影響至關(guān)重要。通過(guò)圖3可以看出，隨著年代的變化，炮孔深度由20世紀(jì)90年代的1.3～1.6 m穩(wěn)步提升。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著礦產(chǎn)資源需求的不斷提高，中深孔技術(shù)的探索以及井下生產(chǎn)過(guò)程中鑿巖設(shè)備的推廣應(yīng)用，炮孔深度逐漸提高，2010年以來(lái)，炮孔平均深度達(dá)到2.5 m以上，最高甚至達(dá)到3.8 m，說(shuō)明中深孔爆破是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是掏槽孔超深長(zhǎng)度始終維持在0.2 m及以下，其合理性有待商榷，因此探討掏槽孔深度與炮孔利用率的關(guān)系是必要的。

2 掏槽孔超深優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為探討金屬礦山巖石巷道掏槽孔合理超深范圍對(duì)炮眼利用率的影響，本研究在弓長(zhǎng)嶺鐵礦+140 m水平某采礦巷道進(jìn)行了兩種進(jìn)尺的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。

2.1 工程概況

弓長(zhǎng)嶺鐵礦+140 m水平某采礦巷道巖性以鐵礦石、綠泥巖為主，不同巖石有明顯的分界面。巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道寬3.4 m、高3 m（墻高2 m、拱高1.4 m），凈斷面面積為9.6 m2。鑿巖設(shè)備采用7655氣腿式鑿巖機(jī)，炮眼直徑為40 mm，雷管采用礦用半秒導(dǎo)爆管雷管，炸藥采用二級(jí)巖石乳化炸藥。爆破方案采用楔直復(fù)合掏槽全斷面一次起爆。

2.2 鐵礦石巖石物理力學(xué)特性

回采巷道巖性以鐵礦石為主，鐵礦石普氏系數(shù)f為22～26，屬于特別堅(jiān)硬的礦石。巖性對(duì)爆破效果的影響較大，鐵礦石的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 輔助孔和周邊孔深1.8 m試驗(yàn)方案（方案1）

根據(jù)鐵礦石力學(xué)性能參數(shù)、回采巷道斷面大小、鑿巖機(jī)類型、雷管及炸藥性質(zhì)等因素采用楔直復(fù)合掏槽，布置4對(duì)楔形掏槽孔和3個(gè)中心孔（圖4）。輔助眼及周邊眼深1.8 m，掏槽孔垂直超深分別為0、100、200、300、400 mm，共設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)方案。掏槽眼及輔助眼裝藥系數(shù)為1，周邊孔采用空氣間隔裝藥。楔形眼采用一段雷管，中心眼采用二段雷管。

2.3.2 輔助孔和周邊孔深2.0 m試驗(yàn)方案（方案2）

在相鄰巷道（巖性、斷面大小基本一致）設(shè)計(jì)了周邊孔和輔助孔深為2 m的掘進(jìn)方案，通過(guò)改變掏槽眼超深（0、100、200、300、400、500 mm），共進(jìn)行了6組試驗(yàn)。具體爆破方案參數(shù)取值如表3所示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 方案1

輔助孔和周邊孔孔深為1.8 m時(shí)，對(duì)0～400 mm范圍內(nèi)掏槽超深變化的5組爆破試驗(yàn)結(jié)果分析（圖5、表4）可知：相比于掏槽超深200 mm，小于此超深時(shí)，炮眼利用率明顯減小，實(shí)際單循環(huán)進(jìn)尺最低減少到1.52 m；大于此超深時(shí)，炮眼利用率顯著提高，但是存在一個(gè)臨界值，炮眼利用率不再明顯提高，即炮眼利用率最高為97%，實(shí)際單循環(huán)進(jìn)尺最高達(dá)到1.75 m。

2.4.2 方案2

對(duì)單循環(huán)進(jìn)尺為2 m的6組爆破試驗(yàn)結(jié)果（圖6、表5）進(jìn)行分析可知：隨著超深從0 mm提高到500 mm，炮眼利用率從80%提高到95%，實(shí)際單循環(huán)進(jìn)尺從1.6 m提高到1.9 m，增加了0.3 m；超深400 mm時(shí)，曲線出現(xiàn)類似拐點(diǎn)，即合理超深范圍為400～500 mm。

2.4.3 討論

根據(jù)上述試驗(yàn)分析可知，單循環(huán)進(jìn)尺1.8 m、2.0 m分別對(duì)應(yīng)合理超深為300 mm、400 mm，即合理的爆破方案中掏槽孔垂深分別為x1+300 mm，x2+400 mm（x1、x2分別為單循環(huán)進(jìn)尺1.8 m和2.0 m）。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以推斷采用鉆爆法掘進(jìn)巷道時(shí)，當(dāng)輔助孔和周邊孔孔深為x時(shí)，掏槽孔對(duì)應(yīng)孔深為y，存在最優(yōu)掏槽孔超深系數(shù)η，使得炮眼利用率最高。此時(shí)掏槽孔與其它炮孔孔深的函數(shù)關(guān)系可表示為

y=(1+η)x.

本研究試驗(yàn)表明：η取值范圍為0.17～0.2。針對(duì)同一巖性、進(jìn)尺，當(dāng)超深系數(shù)變化時(shí)，掏槽角度以及槽腔體積也會(huì)隨之改變，3個(gè)變量相互之間存在一定關(guān)系，因此超深系數(shù)η同樣是影響炮眼利用率一項(xiàng)本質(zhì)的變量。

3 結(jié)論

本研究結(jié)合20世紀(jì)90年代以來(lái)金屬礦山巷道掘進(jìn)爆破的相關(guān)研究成果，重點(diǎn)探討了隨著年代變化爆破設(shè)計(jì)中掏槽超深與進(jìn)尺、巖石堅(jiān)硬系數(shù)的關(guān)系，并結(jié)合弓長(zhǎng)嶺鐵礦巖石巷道爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）隨著巷道掘進(jìn)工程量不斷擴(kuò)大，無(wú)論是金屬礦山還是非金屬礦山巷道掘進(jìn)，雖然炮孔深度逐漸增大，但是掏槽孔超深并沒(méi)有改變，基本保持在200 mm及以下。

（2）針對(duì)同一巖性、進(jìn)尺，當(dāng)炮孔深度保持一定時(shí)，對(duì)應(yīng)一個(gè)合理的掏槽孔超深范圍。本研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)炮孔深度分別為1.8 m和2.0 m，對(duì)應(yīng)的合理超深分別為300 mm和400 mm，并非爆破行業(yè)傳統(tǒng)理念中的掏槽孔超深200 mm，炮孔利用率分別較掏槽孔超深200 mm時(shí)提高了5.4%和10%。

（3）針對(duì)掏槽孔超深與炮孔利用率這一問(wèn)題，引入了超深系數(shù)η概念，存在最優(yōu)掏槽孔超深系數(shù)η，使得炮眼利用率最高。當(dāng)掏槽孔超深系數(shù)大于對(duì)應(yīng)的最優(yōu)系數(shù)時(shí)，炮孔利用率基本不會(huì)改變；當(dāng)掏槽孔超深系數(shù)小于對(duì)應(yīng)的最優(yōu)系數(shù)時(shí)，炮孔利用率無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)取值。