大直徑空孔直眼掏槽在小斷面巷道掘進中的應用*

李 鵬，劉 鵬

（云南錫業股份有限公司大屯錫礦，云南 個舊 661021）

巷道掘進效率是礦山生產最重要的環節之一，巷道掘進效率的提高對礦山生產的成本控制有著非常重要的意義，而掏槽爆破又是巷道掘進最關鍵的步驟[1]，但云南大屯錫礦小斷面巷道掘進中普遍存在掏槽爆破效果較差，造成單次巷道掘進進尺小、炮孔利用率低等問題，嚴重影響礦山巷道掘進效率；因此積極改善掏槽爆破的方案和合理的孔網參數，以增加巷道掘進進尺，提高炮孔利用率，保證巷道成型。

許多學者通過深入研究掏槽爆破理論[2～6]，并取得了許多結果。其中張召冉等[3]系統的介紹了含空孔掏槽的理論依據，并根據理論提出了一整套含空孔參數的計算公式，同時結合現場驗證了其研究的可靠性；胡剛等[5]根據靜力學理論，分析了大直徑空孔空腔形成的物理力學過程，并且使用數值模擬的手段，分析了槽腔有效應力的傳播機理，根據研究結果進行現場驗證，結果表明炮孔利用率提高至89.0%，證明研究的可靠性；宗琦等[2]使用理論分析和數值模擬，分析深孔大直徑空孔掏槽作用機理，研究結果表明：空孔的應力集中效應有助于爆生裂紋的擴展；郭東明等[7]以益新煤礦為背景，研究中心大直徑空孔的掏槽方式和孔網參數，得出采用大直徑空孔掏槽方式其單循環進尺可提高至82.4%；范軍平等[8]通過研究對比大直徑空孔掏槽方式和普通掏槽方式得出，空孔直徑對掏槽爆破效果和爆破振動都有著重要影響，大直徑空孔掏槽炸藥能量大部分都用于巖石破壞，因此爆破振動小于普通掏槽方式。歐明鑫等[9]使用數值模擬分析研究了小空孔九孔直孔掏槽、大空孔單螺旋掏槽、三對孔水平楔形掏槽這三種常見的掏槽方式，研究結果表明：在短進尺條件下，采用三對孔水平楔形掏槽，形成的槽腔面積大，誘發的爆破振動??；黃寶龍[10]歸納總結了常用的掏槽形式，并介紹了準直眼掏槽技術及研究進展。

1 項目背景

該公司基于所使用的采礦方法，在采準和切割中需掘進大量的（1.8×1.8）m（S=3.11 m2）的小斷面巷道。隨著炸藥產品的不斷更新升級，大屯錫礦于2014年將巖石粉狀乳化炸藥（顆粒狀）更換為1#巖石乳化炸藥（膏狀），旨在提高爆破效率、降低炸藥單耗。兩種炸藥的性能詳見表1，從表1中可以看出1#巖石乳化炸藥（膏狀） 的各方面性能都優于巖石粉狀乳化炸藥（顆粒狀），但大屯錫礦在使用1#巖石乳化炸藥之后，爆破效率在保持原有水平的情況下炸藥單耗不降反升，當爆破對象為普通堅硬大理巖（F=6左右）時，平均炸藥單耗由3.85 kg/m3上升至4.45 kg/m3；當爆破對象為堅硬大理巖（f=8左右）時，平均炸藥單耗由4.48 kg/m3上升至5.19 kg/m3。面對此種情況，該錫礦與昆明理工大學爆破課題組合作開展了“爆破參數優化研究”科研項目。

表1 巖石粉狀乳化炸藥（顆粒狀）與1#巖石乳化炸藥（膏狀）爆破參數對比表Tab.1 Blasting parameter comparison of rock powdery emulsion explosive(granular)and 1#rock emulsion explosive(paste)

2 大屯錫礦小斷面巷道爆破現狀

大屯錫礦小斷面巷道所使用的鑿巖設備為YT-29A氣腿式鑿巖機配備1.8 m的釬子，其有效鉆孔深度為1.6 m。掏槽孔、輔助孔與周邊孔深度均為1.6 m，炮孔直徑35 mm，掏槽方案采用桶形掏槽，掏槽空孔炮孔直徑35 mm，裝藥孔與掏槽空孔的孔距為50 mm；炸藥采用1#巖石乳化炸藥（膏狀），雷管采用塑料導爆管雷管，起爆方式采用秒延期微差起爆。根據巖石堅固系數的不同，小斷面巷道的爆破現狀可分兩種情況，詳見表2。

表2 小斷面巷道爆破現狀統計表Tab.2 Statistical table for current situation of small cross-section roadway blasting

3 問題分析

經科研人員實地調研、分析發現，導致大屯錫礦爆破率較低，炸藥單耗高的原因有如下4點：①炸藥由巖石粉狀乳化炸藥（顆粒狀）更換為1#巖石乳化炸藥（膏狀）后，小斷面巷道的爆破參數并沒有發生任何改變，仍采用巖石粉狀乳化炸藥（顆粒狀）的爆破參數。從表1中可以看出，1#巖石乳化炸藥（膏狀） 的密度大于巖石粉狀乳化炸藥（顆粒狀）的密度，故而導致延米裝藥量的增加，導致了炸藥單耗偏高，增加了礦山生產成本；②在桶形掏槽的掏槽眼中，裝藥眼與空眼的孔距離僅為50 mm，鉆眼時裝藥眼與空眼極易打穿或者打偏，這不僅嚴重影響爆破空腔的形成，而且對施工隊組的鉆孔水平提出了較高的要求，也就是說爆破效果受鉆孔質量的影響較大；③掏槽眼、輔助眼與周邊眼炮眼深度均為1.6 m，掏槽眼沒有超深，忽視了炮眼超深深度和炮眼利用率之間的關系，造成鉆孔功效與炸藥等爆破器材的浪費；④炮孔填塞不夠嚴格、到位，造成炸藥爆破有效能占比明顯降低，影響了爆炸氣體在孔內的作用時間，進而影響到巖石的破碎與拋擲，從而影響了爆破效果。

4 爆破參數優化

針對大屯錫礦小斷面（1.8×1.8） m巷道爆破過程中所暴露出來的問題，科研人員基于礦山現使用的鑿巖設備、巷道規格尺寸以及礦巖特性，對爆破參數進行了重新設計。眾所周知，巷道掘進爆破效果的好壞關鍵在于掏槽的成敗，為提高工業試驗效率和降低勞動強度，昆明理工大學項目組設計了準直眼掏槽（7種形式）、三角柱直眼掏槽、三角柱中空直眼掏槽、四角柱直眼掏槽、四角柱中空直眼掏槽、大直徑空孔直眼掏槽等12種掏槽方案，通過工業試驗，除大直徑空孔直眼掏槽外，其他掏槽方案或掏槽失敗或掏槽效果不佳。

4.1 大直徑空孔直眼掏槽工業試驗

掏槽爆破方案：為了使掏槽爆破有足夠的補償空間，并盡量避免因炮孔打穿或者打偏對掏槽效果造成的影響，采用擴孔鉆頭對掏槽空孔進行擴孔，并對掏槽方案進行了重新設計，空孔直徑70 mm，裝藥孔與空孔的距離為100 mm，掏槽孔深度為1.6 m，輔助孔深度為1.5 m，掏槽孔超深10 cm，鉆孔直徑35 mm；起爆網路采用秒延期微差起爆技術。具體爆破參數見表3，掏槽方案示意圖見圖1和圖2，擴孔鉆頭見圖3，現場炮孔布置圖見圖4。

圖1 大直徑空孔直眼掏槽正視圖Fig.1 Front view of large diameter parallel hole cut blasting

圖2 大直徑空孔直眼掏槽俯視圖Fig.2 Bird's eye view of large diameter parallel hole cut blasting

圖3 擴孔鉆頭（d=70 mm)Fig.3 Reaming drill（d=70 mm)

圖4 現場炮孔布置圖Fig.4 Arrangement diagram of on-site blast holes

表3 掏槽爆破參數表Tab.3 Parameters of underholing blasting

掏槽效果：此次巷道掘進試驗共計使用1#巖石乳化炸藥9.6 kg；起爆孔使用秒延期導爆管雷管發9，其中1段管1發，2段管2發，3段管2發，4段管4發，5段管2發；掏槽孔深度為1.6 m，槽腔深1.5 m左右，炮孔利用率93.7%，掏槽成功。因此，選用大直徑空孔直眼掏槽作為小斷面巷道掘進標準掏槽方式。

4.2 大直徑空孔直眼掏槽全斷面工業試驗

將大直徑空孔直眼掏槽用于全斷面巷道掘進試驗，炮孔布置方案見圖5，掏槽孔深度為1.6 m，輔助孔和周邊孔深度為1.5 m，掏槽孔超深10 cm。普通大理巖單循環裝藥16.8 kg，堅硬大理巖單循環裝藥18.0 kg，起爆網路采用秒延期微差起爆，現場布孔效果以及爆破效果見圖6和圖7，爆破參數見表4。

圖5 炮孔布置方案Fig.5 Arrangement scheme of blast holes

圖6 現場炮孔布置圖Fig.6 Arrangement diagram of on-site blast holes

圖7 現場爆破效果圖（無殘孔）Fig.7 Diagram of on-site blasting effect(no residual hole)

表4 全斷面爆破參數表Tab.4 Parameters of full section blasting

爆破效果總結：進行全斷面工業爆破試驗10次，普通大理巖（f=6） 平均進尺由之前1.3 m提高至1.45 m，工班工效由之前0.43 m/工·班提高至0.48 m/工·班，炮孔利用率由之前81%提高至96%，炸藥單耗由之前4.45 kg/m3減少至3.73 kg/m3，同比降低19.3%；堅硬大理巖（f=8） 平均進尺由之前1.3 m提高至1.4 m，工班工效由之前0.43 m/工·班提高至0.46 m/工·班，炮孔利用率由之前81%提高至93%，炸藥單耗由之前5.19 kg/m3減少至4.13 kg/m3，同比降低25.7%。

5 經濟效益分析

該礦近三年小斷面巷道平均年進尺約為60 000 m，小斷面巷道面積為3.11 m2，1#巖石乳化炸藥（膏狀）的采購價為7 500元/t，雷管采購單價為2.5元/發。采用大直徑空孔直眼掏槽，小斷面（1.8×1.8） m巷道掘進的爆破器材成本節約（144.26～185.55） 萬元。詳見表5。

表5 爆破器材成本節約Tab.5 Cost saving of blasting equipment

小斷面巷道采用大直徑空孔直眼掏槽后，單循環炮孔數目減少（4～5）個，節約了常規鉆頭的采購成本和消耗成本，該部分成本與擴孔鉆頭（直徑70 mm） 的采購成本和消耗成本相互抵消，故不參與計算。

6 結語

1）大直徑空孔直眼掏槽適用于大屯錫礦小斷面巷道掘進，可有效減少鉆孔數目并提高工班工效，具體掏槽關鍵參數為：空孔直徑70 mm，裝藥孔與空孔的距離為100 mm，掏槽孔深度為1.6 m，輔助孔深度為1.5 m，掏槽孔超深10 cm，鉆孔直徑35 mm；

2） 普通大理巖（f=6） 平均進尺由之前1.3 m提高至1.45 m，炮孔利用率由之前81%提高至96%；炸藥單耗由之前4.45 kg/m3降低至3.73 kg/m3，同比降低19.3%；

3） 堅硬大理巖（f=8） 平均進尺由之前1.3 m提高至1.4 m，炮孔利用率由之前81%提高至93%。單耗由之前5.19 kg/m3降低至4.13 kg/m3，同比降低25.7%。