摘 要：【目的】研究不同的掏槽方式對(duì)探洞爆破掘進(jìn)的影響。【方法】在輔助孔和周邊孔采用相同的布孔前提下，統(tǒng)計(jì)地質(zhì)探洞實(shí)際爆破掘進(jìn)中兩種不同掏槽方案的爆破效果，分別從鉆鑿工作量、爆破進(jìn)尺、爆破塊度等三方面進(jìn)行對(duì)比?！窘Y(jié)果】統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在堅(jiān)硬巖層中，14孔掏槽方案比10孔掏槽方案多鉆鑿4個(gè)炮孔，用時(shí)占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的4.4%，平均進(jìn)尺超后者14.9%，且前者更具穩(wěn)定性，破碎塊更加均勻?！窘Y(jié)論】通過(guò)對(duì)比兩種不同掏槽方式的爆破效果，可為堅(jiān)硬圍巖條件下，小斷面爆破掘進(jìn)掏槽孔布置提供參考。

關(guān)鍵詞：探洞掘進(jìn)；小斷面開(kāi)挖；掏槽方式；開(kāi)挖進(jìn)尺

中圖分類號(hào)：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）17-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.010

Field Test of Blasting Cutting Mode of Small Section Geological Carving

LI Xinhan

（Jiangmen Anheng Blasting Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529000， China）

Abstract： [Purposes] In order to research on the influence of different cutting methods on the blasting excavation. [Methods] The blasting effects of two different cutting schemes in the actual blasting excavation of geological caving are statistically analyzed under the premise of same layout of the auxiliary hole and the peripheral hole. The drilling workload， blasting penetration and blasting block degree are respectively compared. [Findings] The statistical results show that in the hard rock stratum， the 14-hole cutting scheme drilled 4 holes more than the 10-hole cutting scheme， accounting for 4.4% of the whole working cycle time， and the average penetration was 14.9% higher than the latter， but the former was more stable and more uniform. [Conclusions] Comparing the blasting effect of two different cutting methods， this paper can provide reference for the cutting arrangement of small section blasting under the condition of hard surrounding rock.

Keywords： caving and excavation; small section excavation; cutting mode; excavation footage

0 引言

鉆爆法作為傳統(tǒng)巖石巷道掘進(jìn)施工方法，由于其成本相對(duì)較低、適用條件廣泛，在目前地下巷道掘進(jìn)施工中，仍占據(jù)主體地位［1］。與露天爆破相比，小斷面探洞掘進(jìn)爆破具有自由面少、夾制作用大、作業(yè)空間有限等特點(diǎn)，使其更具不確定性。巷道掘進(jìn)爆破按炮孔的位置和功能不同，分為掏槽孔、輔助孔、周邊孔。根據(jù)炮孔的鉆鑿角度，掏槽形式可分為斜孔掏槽和直孔掏槽。小斷面探洞爆破施工，由于其作業(yè)空間限制，難以使用大型機(jī)械鉆鑿作業(yè)，通常采用直孔掏槽形式。掏槽孔作為巷道掘進(jìn)爆破的“排頭兵”，為后爆炮孔提供補(bǔ)償空間和自由面，對(duì)爆破效果的好壞有著決定性影響。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)不同的掏槽方式展開(kāi)了相關(guān)研究。

汪平［2］總結(jié)了直孔掏槽的爆破原理和影響因素，并通過(guò)試驗(yàn)得到3種不同掏槽方案下的爆破進(jìn)尺情況；陳元利等［3］在小構(gòu)造斷層巖體中分別對(duì)“1+6”“1+8”“2+8”三種掏槽方案進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，“2+8”掏槽方案在有小構(gòu)造斷層的巖體中能取得較好的爆破效果；楊玉銀等［4］針對(duì)硬巖隧洞開(kāi)挖，提出了兩種典型的開(kāi)挖布孔方式，并提出采用V形掌子面可有效提高炮孔利用率；曹湖等［5］在小斷面巖石巷道爆破掘進(jìn)中，通過(guò)控制單一變量的方法，制定了4組試驗(yàn)方案，并通過(guò)對(duì)比各組試驗(yàn)結(jié)果，逐步優(yōu)選出相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，作為下一組試驗(yàn)的基礎(chǔ)，最終得出最優(yōu)掏槽參數(shù)。

1 爆破掏槽作用機(jī)理

由于作業(yè)空間有限，小斷面巷道掘進(jìn)一般采用直眼掏槽，但直眼掏槽成槽效果較斜眼掏槽要差。為改善掏槽效果，通常布置數(shù)個(gè)空孔不裝填炸藥?？湛自谔筒郾浦杏兄陵P(guān)重要的作用，具體有以下幾方面。①為裝藥孔提供自由面?？湛自谔筒郾七^(guò)程中為裝藥孔提供反射自由面，裝藥孔炸藥起爆后，產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波使裝藥孔周邊巖石受到切向拉應(yīng)力，當(dāng)沖擊波傳播至空孔自由面處時(shí)，應(yīng)力波發(fā)生反射，壓應(yīng)力隨即變?yōu)槔瓚?yīng)力，圍巖在拉應(yīng)力的作用下，發(fā)生“片落”，形成環(huán)狀裂隙。②應(yīng)力集中作用。掏槽孔裝藥起爆后，沖擊波傳至空孔處時(shí)，由于空孔的存在，在空孔周邊形成應(yīng)力集中區(qū)域，其應(yīng)力值相較于無(wú)空孔時(shí)要大，此即為空孔帶來(lái)的應(yīng)力集中效應(yīng)。③提供補(bǔ)償空間。與原巖相比，爆破后松散巖渣在體積上會(huì)有所增加，增加部分的體積需要新的空間容納，空孔的存在，為破碎后松散巖渣提供了膨脹空間。不設(shè)置空孔或空孔數(shù)量不足，會(huì)使破碎后的巖石缺少運(yùn)動(dòng)空間，造成“壓死”現(xiàn)象，導(dǎo)致掏槽失敗。

2 工程概況

某地質(zhì)探洞長(zhǎng)1 050 m，開(kāi)挖斷面為2.5 m×3.0 m（寬×高），截面面積約7.16 m2，城門為洞形斷面，其中墻高2.5 m，拱高0.5 m。探洞圍巖Ⅲ～Ⅴ類均有分布，其中TD+200～+600 m段圍巖性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，為Ⅲ級(jí)圍巖，單軸抗壓強(qiáng)度為110 ～130 MPa，巖石爆破破碎性分級(jí)屬堅(jiān)硬巖石［6］。為減少地質(zhì)條件對(duì)爆破效果的影響，爆破試驗(yàn)在該工程段進(jìn)行。

該試驗(yàn)旨在探究不同掏槽方式對(duì)爆破效果的影響，因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使除掏槽外的其他變量相同。探洞掘進(jìn)炮孔布置如圖1所示。在爆破試驗(yàn)中，輔助孔和周邊孔采用相同的布孔形式，分別布設(shè)輔助孔8個(gè)，周邊孔20個(gè)。

3 試驗(yàn)方案爆破（掏槽）參數(shù)

探洞掘進(jìn)爆破參數(shù)主要包括炮孔直徑、炮孔間距、鉆孔數(shù)量、鉆孔深度、裝藥量等。

3.1 炮孔直徑

炮孔直徑的大小主要取決于鉆孔設(shè)備的選擇，探洞爆破由于作業(yè)空間有限，難以使用大型鉆孔設(shè)備，常用鉆孔設(shè)備為YT-28氣腿式鑿巖機(jī)，所鉆鑿炮孔直徑為40 mm。

3.2 炮孔間距

裝藥孔與空孔的間距應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。間距過(guò)大，則爆破反射拉伸波強(qiáng)度過(guò)小，無(wú)法對(duì)空孔周邊巖體形成有效的拉伸破壞［7］；間距過(guò)小，則易導(dǎo)致爆破產(chǎn)生氣體過(guò)早外泄，影響拋擲效果［2］，且間距過(guò)小在同等鉆孔數(shù)量情況下，掏槽區(qū)域面積減少，直接影響爆破整體效果。為保證空孔孔壁在拉應(yīng)力的作用下順利破碎，裝藥孔和空孔之間的距離應(yīng)滿足式（1）。

[L≤rA1+3λP[σθ]1α+rB] （1）

式中：rA、rB分別為裝藥孔半徑、空孔半徑，m，二者均為0.02 m；λ、α分別為側(cè)應(yīng)力系數(shù)和應(yīng)力衰減系數(shù)，與巖石泊松比μ有關(guān)，其中λ=μ/（1-μ），α=（2-μ）/（1-μ）［8］，其中取泊松比μ=0.2；P為孔壁處透射壓力，MPa，按P=ρeD2（rc/rA）6/8計(jì)算，其中ρe為裝藥密度，取ρe=1.10 g/cm3；D為爆速，乳化炸藥取D=3 500 m/s；rC為裝藥半徑，計(jì)算得P=441.5 MPa；[σθ]為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa，一般巖石的抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10，取[σθ]=10 MPa。將上述參數(shù)代入式（1），計(jì)算得L≤158 mm。

3.3 鉆孔數(shù)量

鉆孔數(shù)量（包括裝藥孔和空孔）的多少直接影響爆破效果。裝藥孔為巖石破碎的能量來(lái)源，空孔則為裝藥孔爆破提供了必要的自由面和補(bǔ)償空間，兩者均不可或缺。

3.4 炮孔深度

炮孔深度是決定掘進(jìn)進(jìn)度的重要因素，直接影響爆破效果和掘進(jìn)速度。炮孔深度過(guò)大，炮孔底部圍巖夾制作用大，則炮孔利用率降低；炮孔深度過(guò)小，則單循環(huán)進(jìn)尺減少，相同工程量下，爆破循環(huán)次數(shù)增多。對(duì)于小斷面探洞爆破掘進(jìn)工程，電子雷管在爆破器材使用成本中占比較高，因此選擇合理的炮孔深度，對(duì)降低探洞掘進(jìn)成本有重要意義。綜合考慮以往類似工程經(jīng)驗(yàn)和爆破器材成本，確定爆破試驗(yàn)掏槽孔深度為3 m，輔助孔和周邊孔深度比掏槽孔少0.2 m，為2.8 m。

3.5 裝藥量

裝藥量的確定可按裝藥系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)炮孔裝藥量按式（2）計(jì)算。

Q=η·L·ql （2）

式中：L為炮孔深度；ql為線裝藥密度，使用φ32乳化炸藥，取ql=1.0 kg/m；η為裝藥系數(shù)，根據(jù)巖石堅(jiān)固性系數(shù)選取，可參考表1［9］，考慮到工程所處地質(zhì)巖石強(qiáng)度大，掏槽孔、輔助孔、周邊孔裝藥系數(shù)分別取0.80、0.70、0.75，孔口采用錨固劑進(jìn)行封堵。

為確定最適合該地質(zhì)條件的爆破參數(shù)，以及穩(wěn)定、理想進(jìn)尺的爆破開(kāi)挖方案，本研究在掏槽孔布置方面分別嘗試了兩種不同的掏槽方式。掏槽孔鉆進(jìn)深度均為3 m，輔助孔和周邊孔鉆孔深度為2.8 m。

4 試驗(yàn)方案

4.1 10孔掏槽方案

10孔掏槽方案布置形式為2個(gè)裝藥孔加8個(gè)空孔，裝藥孔布置在掏槽中心位置，空孔在裝藥孔四周呈環(huán)繞布置，空孔與裝藥孔間距為100 mm，如圖2所示。掏槽孔鉆孔深度為3 m，中間兩孔為裝藥孔，周邊8個(gè)孔為空孔，其可為裝藥孔爆破提供反射自由面和補(bǔ)償空間。在外圍距空孔150 mm處布置4個(gè)擴(kuò)槽孔輔助破碎，擴(kuò)槽孔深度與輔助孔相同，為2.8 m?？紤]到所處地段圍巖硬度大，裝藥系數(shù)為0.8，即每孔裝藥2.4 kg，擴(kuò)槽孔裝藥系數(shù)取0.7，即每孔裝藥2.0 kg，均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，孔口部分用錨固劑加以封堵，以保證炸藥能量得到充分利用。

4.2 14孔掏槽方案

14孔掏槽方案為10孔掏槽的改進(jìn)方案，在原10孔掏槽方案的基礎(chǔ)上，左右側(cè)各增加兩個(gè)空孔，其他參數(shù)不變。布孔采用“432”布置，即從掏槽位置中央向兩側(cè)分別在豎向布置4孔、3孔、2孔，呈梅花形，孔距、排距為100 mm，如圖3所示。鉆孔深度為3 m，中間兩孔為裝藥孔，周邊12個(gè)孔為空孔。掏槽孔中心裝藥孔裝藥系數(shù)為0.8，即每孔裝藥2.4 kg；擴(kuò)槽孔裝藥系數(shù)為0.7，即每孔裝藥2.0 kg，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，剩余部分用錨固劑加以封堵，以保證炸藥能量得到充分利用。

5 試驗(yàn)方案爆破進(jìn)尺情況

基于上述兩種掏槽孔布置方案，在圍巖性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的開(kāi)挖段，分別進(jìn)行了多次爆破試驗(yàn)，并從炮孔鉆鑿工作量、開(kāi)挖進(jìn)尺、爆破塊度等方面進(jìn)行對(duì)比分析，具體情況如下。

5.1 工作量及用時(shí)對(duì)比

從鉆孔數(shù)量來(lái)看，10孔掏槽方案單循環(huán)爆破作業(yè)鉆鑿42個(gè)炮孔，14孔掏槽方案單循環(huán)爆破作業(yè)鉆鑿46個(gè)炮孔，14孔掏槽方案比10孔掏槽方案工作量增加9.5%；鉆鑿炮孔安排3人同時(shí)作業(yè)，單個(gè)作業(yè)循環(huán)鉆孔用時(shí)約3 h，平均每4 min鉆鑿一個(gè)炮孔，每個(gè)作業(yè)循環(huán)用時(shí)約6 h，多鉆4個(gè)孔用時(shí)約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的4.4%。

5.2 進(jìn)尺情況對(duì)比

針對(duì)上述兩種掏槽方式，在探洞掘進(jìn)爆破過(guò)程中分別進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)，其中統(tǒng)計(jì)10孔掏槽爆破進(jìn)尺12次，14孔掏槽爆破進(jìn)尺14次。從單次爆破循環(huán)進(jìn)尺來(lái)看，10孔掏槽每循環(huán)進(jìn)尺為1.55～2.50 m，炮孔利用率為55.4%～89.2%，平均循環(huán)進(jìn)尺為2.22 m，但爆破進(jìn)尺缺乏穩(wěn)定性；14孔掏槽方案每循環(huán)進(jìn)尺為2.35～2.7 m，炮孔利用率為83.9%～96.4%，平均進(jìn)尺為2.55 m，爆破進(jìn)尺分布散點(diǎn)如圖4所示。

5.3 爆破塊度對(duì)比

從爆破效果看，10孔掏槽方案缺乏穩(wěn)定性，在部分爆破作業(yè)循環(huán)中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的殘孔現(xiàn)象，如圖5所示，且由于掏槽效果欠佳，影響輔助孔爆破效果，爆破塊度欠均勻，常有大塊產(chǎn)生。14孔掏槽方案爆破進(jìn)尺基本達(dá)到預(yù)期，碎塊較均勻，便于扒渣機(jī)出渣。

6 結(jié)論

本研究通過(guò)統(tǒng)計(jì)兩種不同掏槽方案在探洞掘進(jìn)中的鉆孔工作量、爆破進(jìn)尺和爆破效果情況，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

①14孔掏槽比10孔掏槽多鉆鑿4個(gè)炮孔，每次循環(huán)作業(yè)中，3人同時(shí)作業(yè)鉆鑿炮孔用時(shí)約3 h，平均4 min鉆鑿一個(gè)孔，每個(gè)作業(yè)循環(huán)用時(shí)約6 h，多鉆4個(gè)孔用時(shí)約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的4.4%。

②從兩種掏槽方案爆破進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，10孔掏槽平均循環(huán)進(jìn)尺為2.22 m，14孔掏槽方案平均循環(huán)進(jìn)尺為2.55 m，后者平均進(jìn)尺超前者14.9%，且后者單循環(huán)進(jìn)尺更具穩(wěn)定性。

③14孔掏槽方案相較于10孔掏槽方案，破碎塊更均勻，方便扒渣、裝運(yùn)。

④綜合鉆鑿成本、單循環(huán)作業(yè)時(shí)間和爆破進(jìn)尺情況來(lái)看，14孔掏槽方案多出的鉆孔時(shí)間和工作量相對(duì)于整個(gè)爆破作業(yè)循環(huán)，幾乎可忽略不計(jì)，但其爆破進(jìn)尺和破碎效果較10孔方案有明顯改善，在硬度較大的巖體中掘進(jìn)時(shí)，14孔掏槽方案效果更佳。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊仁樹，王雁冰，張召冉，等.井巷工程掏槽爆破新技術(shù)及應(yīng)用［J］.中國(guó)科學(xué)基金，2022，36（1）：120-127.

［2］汪平.某地下金屬礦直眼掏槽爆破試驗(yàn)及控制措施［J］.金屬礦山，2021（8）：52-56.

［3］陳元利，付玉華，郭麗艷，等.“小構(gòu)造”復(fù)雜巖石條件下掏槽爆破的試驗(yàn)研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2020，40（6）：23-27.

［4］楊玉銀，張艷如，楊仕杰，等.隧洞開(kāi)挖典型掏槽設(shè)計(jì)方法［J］.工程爆破，2021，27（3）：63-69，101.

［5］曹湖，徐海峰.小斷面巖石巷道掏槽爆破參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)［J］.工程爆破，2017，23（4）：39-43.

［6］汪旭光.爆破設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011：166.

［7］汪海波，宗琦，趙要才.立井大直徑中空孔直眼掏槽爆炸應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬分析與應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（S1）：3223-3229.

［8］柴修偉，李建國(guó)，習(xí)本軍，等.等體積空孔直眼掏槽槽腔形成過(guò)程及其分析［J］.爆破，2020，37（4）：48-52.

［9］戴俊.爆破工程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021：171.

收稿日期：2024-01-16

作者簡(jiǎn)介：李新翰（1989—），男，碩士，工程師，研究方向：工程爆破施工和研究。