適用于大斷面馬頭門掘進的超前致裂分區爆破技術*

汪 禹 ,崔正榮 ,王小兵,李龍福 ,詹思博,章結傳

(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,馬鞍山 243000;2.馬鞍山礦山研究院 爆破工程有限責任公司,馬鞍山 243000;3.中鋼集團 馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,馬鞍山 243000)

隨著經濟建設對資源需求量的增加,淺部礦產資源已逐漸趨向枯竭,國內外大多數礦山相繼進入深部資源開采,地下礦山所需井筒的深度也隨之加深。井筒是連接地表與井下作業現場的安全通道,承擔人員、材料、設備運輸等任務。當立井井筒設計深度達到礦產資源儲存位置后,立井井筒預留出口與各中段巷道所連接處稱為“馬頭門”,其位處礦井的咽喉部位,并承擔各中段水平風流系統、人員(材料、礦產資源)上下等工作?！榜R頭門”設計斷面大,處立體交叉位置,其在礦山建設期和生產期是否穩定,直接影響礦井的安全生產[1]。

立井馬頭門地處深部,具有應力集中、受力狀態復雜等特點,如其施工及支護方案缺乏全面的理論指導,易造成馬頭門結構變形破壞。采用傳統鉆爆法施工時,未提前將馬頭門施工區域與被井筒保護區域進行分割,造成馬頭門斷面成型質量及爆破振動較難控制,易對馬頭門產生影響甚至損傷。諸多專家學者開展了相關試驗研究工作,陳崢等開展了地鐵豎井自下往上全斷面破除馬頭門和從上往下分臺階破除馬頭門施工方法研究[2],結果表明:分臺階破除法相較于全斷面破除法節約7 d工期。王洪森等對馬頭門車場巷道上層和下層貫通區進行爆破作業[3]。陳軻等針對復雜地質條件下立井馬頭門施工[4],提出了地質雷達物探、超前小導管注漿、錨網噴、反底拱、U型鋼拱架以及混凝土砌襯等綜合治理技術。針對立井馬頭門施工難點,上述研究僅提出了在特定條件下馬頭門施工工藝,未對馬頭門混凝土段及基巖段爆破施工提出相關針對性措施。

如何采取有效措施保障井筒內保留混凝土結構的安全,成為立井馬頭門施工中亟待解決的重要課題。由于立井所處區域工程地質、水文地質復雜,如采用常規爆破法施工馬頭門,易造成井筒混凝土開裂、變形等,對后期井筒內設施安全運行產生一定影響。若采用機械破碎法施工立井馬頭門,施工效率低、成本高。選用合理的爆破方案設計,來控制大斷面馬頭門成型及爆破振速是該工程的難點,為此本項目提出了超前致裂分區爆破技術,提前對馬頭門掘進開挖區劃分為若干分層,沿各分層開挖輪廓線施工超前致裂孔,提前形成了“減震溝”,對提高立井馬頭門整體穩定性起到積極作用。

1 工程概況

某鐵礦風井井筒凈直徑6 m,井深400 m(不含井底水窩1.3 m),井口標高+12 m(目前封口盤標高+8 m),井底標高-388.0m。井筒采用全深凍結法施工,凍結深度408 m,井筒掘進深度395.73 m(自地表標高+6.43 m起至井底水窩)。方案設計馬頭門有-199.5 m、-258.2 m、-317.5 m、-378.0 m水平,其中馬頭門水平筋、墻部豎筋、拱部環筋、鋪底鋼筋均采用φ22 mm,間排距均為250 mm,搭接長度為770 mm;混凝土強度等級均為C30,抗滲等級為P8。

根據鉆探資料及土工、巖石試驗結果并參照物探測井資料,風井井筒所處工程地質條件以粉質黏土、安山巖、角礫巖、膏化凝灰巖等為主,風化程度為強風化-微風化,RQD值為2～75,堅硬程度等級為軟巖～較軟巖,圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ級,工程地質條件屬復雜類型。根據井筒施工期間所揭露的圍巖情況顯示,各層馬頭門工程地質條件如表1所示。立井馬頭門掘砌工程是礦井建設施工中重要的環節,須嚴格管控施工質量,需要針對風井各馬頭門掘進施工段進行控制爆破。

表1 各馬頭門工程地質條件Table 1 Engineering geological conditions of the horsehead gate

2 超前致裂分區爆破技術機理分析

所謂超前致裂分區爆破技術,就是在立井馬頭門爆破開挖輪廓線上布置超前致裂孔(減震孔);參考文獻[5-9]提出:沿被保護設施周邊區域開挖“減震溝”或“減震孔”,可降低爆破振動對保護設施的損傷及破壞。相對于爆區、被保護區對象而言,“減震溝”或“減震孔”很小,可看作非完全固結界面。應力波在介質界面上的入射、反射如圖1所示。

圖1 應力波入射、透射及反射圖Fig. 1 The incidence,transmission and reflection of stress wave

圖1中:P、SV分別代表應力波中縱波和橫波,下標i、t、r分別代表入射波、透射波、反射波;因界面無明顯裂縫,故界面是連續的,則有

(1)

根據節理剛度的定義,有如下

(2)

式中:δ、u分別為應力和位移;zi和x分別為坐標方向;Ⅰ為減震孔的入射側巖體;Ⅱ為減震孔折射側巖體;Kn為減震孔的法向剛度;Ks為減震孔的切向剛度。

界面上的應力可由虎克定律計算得出

(3)

式中:λ為拉梅系數;μ為泊松比;μx為x方向的位移函數。

經計算,應力波反射系數λir、透射系數λit均≤1,說明應力波通過“超前致裂孔”時有明顯的降震作用,其降震效果大小與超前致裂孔周圍的巖石波阻抗有關[5-9]。當節理剛度無窮大時,此時入射應力波完全透射,超前致裂孔的孔徑幾乎為零,即相當于此處巖體是完整的。透射波振幅與孔面的節理剛度有關。超前致裂孔每隔幾個孔進行裝藥爆破(空孔起導向作用),超前致裂孔間相互貫通,相當于“減震溝”,把爆破地震波完全隔斷。

參考文獻[10-13]指出:如大斷面一次爆破開挖,裝藥量大會存在強烈的爆破振動效應,易對鄰近設施產生危害效應;針對大斷面斷面爆破難以控制問題,提出掘進作業面分區的爆破方案設計方法,劃分為上分層、下分層等。采用微差分區爆破情況下,各個方向上減振效果均比較明顯,尤其是對于近距離減振,減振效率大致在80%以上[14],并可控制井筒混凝土爆破振動安全允許速度小于2.0 cm/s?；跀荡a電子雷管精確延時控制,通過設置合適的孔間微差間隔時間,采用逐孔起爆技術,能夠實現分段振動干擾相互抵消,實現錯峰降振[15]。

3 爆破技術方案設計

為提高馬頭門循環進尺,降低爆破振動對井筒混凝土危害,設計采用超前致裂分區爆破技術。根據表1所示,風井-199.5 m、-258.2 m等水平馬頭門設計斷面尺寸為5.7 m×5.4 m,掘進深度為3.5 m,屬大斷面開挖。該技術思路:根據馬頭門高度,劃分為三個施工層,設計上分層高度為2.0 m,中分層、下分層高度為1.7 m,施工順序為:上分層→中分層→下分層。在施工各分層時,沿分層開挖輪廓線施工超前致裂孔,分階超前致裂孔每隔3個孔進行裝藥爆破,實現開挖區域混凝土與保留處井壁混凝土“提前分離”。分區及超前致裂孔布置如圖2所示。

圖2 馬頭門分區布置(單位:mm)Fig. 2 Partition layout of horsehead gate(unit:mm)

設計馬頭門掘進深度為3.5 m,其中各分層混凝土段掘進長度為0.5 m,基巖段掘進長度為3.0 m?？紤]到馬頭門基巖段工程地質條件較復雜,馬頭門混凝土段布置了水平筋、豎筋,擬對每施工層劃分三個階段掘進施工,一階掘進深度為0.5 m(破碎混凝土、割除鋼筋),二階掘進深度為1.5 m,三階掘進深度為1.5 m。為提高立井馬頭門施工效率,并降低掘進成本,提前實現馬頭門上部頂板與下部待開挖混凝土(巖體)的分離,超前致裂孔一次性施工(設計孔深為3.5 m),孔內分階間隔裝藥(往炮孔內填塞炮泥控制各階掘進炮孔深度,并根據孔深調整裝藥量)。超前致裂孔間距上部拱頂段為100±50 mm,直墻段(底部)段為150±50 mm。各分層各階段掏槽孔、輔助孔布置,根據工程地質條件及時優化、調整。

3.1 上分層爆破方案

3.1.1 混凝土段

上分層混凝土段設計掘進高度2000 mm,寬度5700 mm,深度500 mm。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風動鑿巖機,人員在井筒內吊盤下層盤施工,并做好防墜措施。本階段施工超前致裂孔共計77個,孔徑為42 mm。超前致裂孔每隔3個孔進行間隔裝藥,其中未裝藥空孔對爆炸裂紋擴展具有導向作用[15],形成“減震溝”,易控制馬頭門頂板成型質量,避免頂板超、欠挖。

為便于施工方便,設計采用直眼掏槽,并在掏槽孔周邊均勻分布6個空孔(為掏槽孔創造自由面,孔徑為60 mm),空孔與掏槽孔間距為150 mm。掏槽孔、輔助孔炮孔設計深度為0.4 m,炮孔直徑d=42 mm,掏槽炮孔選用直眼掏槽。輔助孔的布置遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,分布在掏槽孔和超前致裂孔之間,孔間距為400±50 mm,排距為400±50 mm。上分層混凝土段一階炮孔設計布置參數見圖3,炮孔施工完成圖見圖4。

圖3 上分層混凝土段一階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 3 Blast hole design of upper layered concrete section(unit:mm)

圖4 炮孔施工完成圖Fig. 4 Blast hole construction

混凝土段爆破參數見表2,掏槽孔深0.4 m,其余孔深0.3 m,掏槽孔、輔助孔角度均為90°,各裝藥炮孔做好填塞。炸藥采用1號巖石乳化炸藥,規格為0.3 kg/卷,藥卷長度為0.3 m;采用數碼電子雷管,設計超前致裂孔、掏槽孔、輔助孔等逐孔微差間隔起爆,降低同段一次齊發總藥量。參考文獻[16-18]指出:炮孔間延期時間間隔為20～25 ms,可取得良好的降振效果;考慮超前致裂孔(裝藥)間距較小,設計超前致裂孔時間間隔為5 ms;掏槽孔間距較小,設計掏槽孔時間間隔為5 ms;輔助孔間距較大,設計輔助孔時間間隔為15～20 ms。

表2 上分層混凝土段爆破參數Table 2 Blasting parameters of upper layered concrete section

3.1.2 基巖段

基巖段掘進深度為3.0 m,設計二階掘進、三階掘進深度均為1.5 m。爆破參數基本一致,在此僅論述上分層基巖段二階(三階)掘進爆破參數。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風動鑿巖機,作業人員在井筒內吊盤下層盤施工掏槽孔、輔助孔及底板孔。炮孔直徑為42 mm,掏槽孔設計深度為1.7 m,輔助孔設計深度為1.5 m;掏槽炮孔選用楔形掏槽,掏槽孔與自由面夾角為82°,輔助孔角度均為90°,各裝藥炮孔做好填塞。上分層基巖段二階炮孔布置如圖5,爆破參數見表3。

圖5 上分層基巖段二階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 5 Blast hole layout diagram of upper layered bedrock section(unit:mm)

表3 上分層基巖段二階爆破參數Table 3 Blasting parameters of upper layered bedrock section

3.2 中分層(下分層)爆破方案

根據馬頭門高度,劃分為三個施工層,施工順序為:上分層→中分層→下分層。待上分層施工到位(掘進深度3.5 m),再進行中分層(下分層)施工。馬頭門掘進段中分層、下分層段高均為1.7 m,爆破參數基本一致,因論文篇幅有限,減少過多贅述,本文僅論述中分層掘進爆破方案。

3.2.1 混凝土段

中分層混凝土段設計掘進高度1700 mm,寬度5700 mm,深度500 mm。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風動鑿巖機,人員在井筒內吊盤下層盤施工,并做好防墜措施。本階段施工超前致裂孔共計34個,孔徑42 mm,孔距300 mm,孔深0.5 m(孔內間隔裝藥)。

因上部已有自由面,中分層(下分層)不再布置掏槽孔,設計炮孔直徑為42 mm,輔助孔炮孔設計深度為0.4 m,輔助孔角度均為90°,輔助孔的布置遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,孔間距為570±50 mm,排距為400～450±50 mm。中分層混凝土段一階炮孔布置如圖6,爆破參數見表4。

圖6 中(下)分層混凝土段一階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 6 Blast hole layout of middle(lower) layered concrete section(unit:mm)

表4 中(下)分層混凝土段一階爆破參數Table 4 Blasting parameters of middle(lower) layered concrete section

3.2.2 基巖段

基巖段掘進長度為3.0 m,劃分為二階掘進深度為1.5 m,三階掘進深度為1.5 m。超前致裂孔(裝藥)前期已施工,孔距300 mm,孔深1.5 m(孔內間隔裝藥)。炮孔施工采用YT-28型氣腿式風動鑿巖機,人員在井筒內吊盤下層盤施工輔助孔及底板孔。因上部已有自由面,中分層(下分層)不再布置掏槽孔,炮孔直徑為42 mm,輔助孔炮孔設計深度為1.5 m,輔助孔角度均為90°,輔助孔的布置遵循使炸藥的爆破能量均勻分布的原則,孔間距為712.5±50 mm,排距為550～600±50 mm?；鶐r段井壁炮孔布置如圖7,爆破參數見表5。

圖7 中(下)分層基巖段二階炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 7 Blast hole layout diagram of middle(lower) layered bedrock section(unit:mm)

表5 中(下)分層基巖段二階爆破參數表Table 5 Blasting parameter table of middle layer(lower layer) bedrock section

3.3 爆破效果分析

立井馬頭門掘砌工程是礦井建設施工中重要的環節,須嚴格管控施工質量。如采用爆破法施工立井馬頭門,易造成井筒混凝土開裂、變形等,故未開展相關常規爆破試驗。新爆破技術方案確定后,為評價新爆破設計參數的合理性,分別進行-199.5 m、-258.2 m、-317.5 m、-378 m馬頭門掘進施工作業,各馬頭門爆破施工指標見表6,部分爆破效果如圖8所示?？梢?爆后的馬頭門頂板巷道成型質量較高,可明顯地看出炮孔半孔痕,有利于控制頂板巖石的冒落以及維護圍巖的完整性,從而有利于充分發揮圍巖自身的承載能力。

圖8 各分層爆后效果Fig. 8 Blasting effects of each layer

表6 各馬頭門爆破施工指標Table 6 Lithological parameters of the horsehead gate and chamber

綜合分析表6、圖8可知:

(1)各馬頭門開挖輪廓線半壁孔率達95%以上,能滿足大斷面馬頭門破碎巖體掘進中對控制頂板成型質量的要求。

(2)設計超前致裂孔時間間隔為5 ms,掏槽孔時間間隔為5 ms,輔助孔時間間隔為15～20 ms;選用數碼電子雷管,實現各分層各階逐孔微差間隔起爆。根據薩道夫斯基公式[19],可計算出單段最大藥量所產生的爆破振動速度小于《爆破安全規程》[20]所規定的數值(2.0 cm/s),滿足安全要求。

(3)由于炮孔數量布置較多,大塊數量有所減少,提高了井筒出矸效率。

4 結論

針對大斷面立井馬頭門施工特點,提出了超前致裂分區爆破技術,并根據馬頭門掘進爆破施工情況,得出如下結論。

(1)馬頭門掘進施工區域劃為三個施工層,設計上分層高度為2.0 m,中分層、下分層高度為1.7 m,施工順序為:上分層→中分層→下分層。在施工各分層時,沿分層開挖輪廓線施工超前致裂孔,實現了開挖區域混凝土與保留處井壁混凝土“提前分離”。

(2)新方案在穿孔、裝藥上耗時更長。-199.5 m、-258.2 m水平基巖段巖性較差,局部破碎,采用多打孔少裝藥方法,增加了輔助孔數量,施工工期有所增加。-317.5 m、-378.0 m施工正常,斷面成型質量符合設計要求。降低了支護、噴漿等成本支出。

(3)通過數碼電子雷管,可實現逐孔微差間隔起爆,能實現分段振動干擾相互抵消,實現錯峰降振。因井筒內無法布置監測設備,未能對各馬頭門爆破振動情況檢測,僅根據薩道夫斯基公式計算爆破振動數值;后續類型馬頭門施工,定制測振儀防護裝置,開展相關監測工作。