基于大量工程實踐的難爆類巖巷光面爆破成型技術研究*

尹麗冰,李再易,張芫濤,龔永超,徐敏,周禮

(1.新疆瑞倫礦業有限責任公司,新疆 哈密市 839000;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術研究中心,湖南 長沙 410012;4.安徽開發礦業有限公司,安徽 六安市 237400)

0 引言

光面爆破是目前隧道施工、井下巷道掘進常用的控制爆破技術[1-2]。采用光面爆破技術具有可以大幅提高巷道平整度、降低施工安全風險、加快施工進度等顯著優勢[3]。早期,王勝,ZOU Baoping等[4-5]就光面爆破參數中的裝藥不耦合系數、裝藥密度、炮眼間距、炮眼密集度系數推導出一系列理論公式;陳利泰等[6]在陳臺溝鐵礦基于經驗公式提出大斷面光面爆破方案,并在井下展開試驗,取得較好效果;曾曉昌等[7]基于巖體力學特性,提出破碎礦巖條件下光爆方案并開展試驗,試驗效果相比原爆破方案,巷道成型較好。

由于影響巷道掘進光面爆破效果的因素諸多,諸如炸藥、巖性以及施工規范性等都會影響爆破效果[8-9]。新疆瑞倫礦業黃山南銅鎳礦前期雖然采用光面爆破進行巷道掘進施工,但由于巖體為難爆型巖體,且部分區域節理裂隙發育,光爆效果較差,為此在黃山南銅鎳礦巖體455 m 中段10#采場脈外巷道開展光面爆破方案研究與現場實踐。

1 巷道礦巖可爆性評價

巖石可爆性能夠反映巖體爆破的難易程度。依照不同的評價標準與指標劃分礦巖的可爆性,科學地指導爆破方案設計。國內外大量學者提出了多種不同的判據并建立相應的評價分級體系。不同體系擁有各自的特點與優勢,但尚無完善且全面的可爆性評價方法[10]。

1.1 普氏系數分級

普化系數分級法是根據巖石的堅固性系數即普氏系數,對巖石的可爆性進行分級。黃山南銅鎳礦巖石單軸抗壓強度平均值為80～110 MPa,即普氏系數f值為8～11。對照普氏巖石分級表可得到礦體的普氏強度等級為Ⅲ級,為堅固巖石,屬于難爆類型。

1.2 布路德邦特巖石爆破性分級法

布路德幫特巖石爆破性分級見表1,此方法按照巖石的彈性縱波速度以及爆破炸藥單耗對礦巖可爆性進行評價[11]。黃山南銅鎳礦井下西部礦巖彈性縱波速度為3300～3400 m/s,礦山目前生產過程中,中深孔實際炸藥單耗約為0.50～0.60 kg/m3,深孔實際炸藥單耗約為0.50～0.55 kg/m3。由表1可知,黃山南銅鎳礦西部礦巖爆破性大于Ⅱ級巖石,屬于難爆類型。

表1 布路德邦特巖石爆破性分級

1.3 巖石爆破性指數分級

巖石爆破性指數N根據式(1)求得,式中部分參數通過礦山前期在巷道中進行的現場爆破漏斗試驗及分析結果得到[12],以此計算得到N為79.65,見表2。對照巖石爆破性指數分級表查詢可知屬于Ⅳ2級難爆礦巖。

表2 橄欖巖及輝石巖爆破性指數

式中,N為巖石爆破性指數;V為爆破漏斗體積,m3;K大為大塊率(大于300 mm),%;K平為平均合格率(小于50 mm),%;K小為小塊率,%;ρc p為巖石波阻抗,取105g/(cm·s);ρ為巖石密度,t/m3;c p為巖石彈性縱波速度,m/s;e為自然對數的底。

以上用3種方法對黃山南銅鎳礦西部硬巖可爆性進行評價,由評價結果可知,可崩性較差。礦巖綜合評價黃山南銅鎳礦西部硬巖屬于難爆類礦巖。

2 爆破現狀與光面爆破優化設計

2.1 礦山巷道爆破現狀

原有的井下掘進爆破的炮眼總體布局不合理,壓頂眼與掘進眼間距過大,巷道上部炮眼較少,下部炮眼密集。炮眼分布不均造成巷道上、下巖層藥量分配不當,上部崩落的巖層呈大塊狀,下部崩落巖層較為粉碎。

2.2 開挖方式

目前黃山南銅鎳礦的巷道斷面尺寸主要為2.8 m×2.8 m、2.5 m×2.7 m 等,巷道凈高可達2.7～2.8 m。礦山原有的井下掘進爆破法是采用分步開挖的方式,即第一步開挖巷道直墻以下巖層,由掘進眼爆破崩落,第二步除開挖巷道全斷面巖層,還需崩落第一次遺留的巷道拱部巖層,稱為壓頂。拱部巖層的壓頂工作由壓頂眼(包括頂眼和壓頂輔助眼)負責爆破崩落。

相較于二次壓頂,一次成形具有掘進工藝簡單、巷道成型較快的特點。因此,結合黃山南銅鎳礦巷道巖性條件,為改善拱部巖層和邊幫成型效果,提高爆破效率,減少安全隱患,光面爆破宜采用全斷面掘進方式,推薦采用一次成型[13]。

2.3 炮眼深度

一般情況下,孔深可取斷面寬度的0.5～0.75倍。經過現場調研發現,礦山原有的炮眼深度在2.2 m 左右,且基本一致。由于掏槽爆破受巖石夾制作用最為顯著,底眼起爆時間偏后,需在上覆巖層下創造巷道底部平臺,其自由面也受到約束,因此,掏槽眼和底眼需比一般炮眼超深5%～10%?？紤]到掏槽眼與底眼的特殊作用與現場調研的實際情況,對原有爆破方案的炮眼深度進行優化,即設置周邊眼、輔助眼、底眼深度均為2.3 m,掏槽眼和掏槽輔助眼超深一般炮眼0.2 m,設置為2.5 m。炮眼直徑均為40 mm。掏槽眼、輔助眼、底眼垂直于巷道作業面,頂眼和幫眼與巷道內壁形成3°～5°的微角度。

2.4 周邊眼參數

周邊眼參數的設置一般有兩種方法,即經驗公式法和理論計算法。采用單純的理論計算法所獲得的參數往往與實際情況相差較大,因此,采用經驗公式法優化周邊眼參數。

2.4.1 周邊眼間距E

周邊眼的間距與炮眼直徑成一定的比例關系[14],一般周邊眼間距為(10～20)d,其中,d為炮眼直徑,取d=40 mm,因此,周邊眼間距E范圍為0.4～0.8 m。

2.4.2 周邊眼最小抵抗線W

2.4.3 周邊眼密集度系數m

一般情況下,巷道賦存巖石為硬巖,周邊眼密集度系數m可在0.8～1.0之間取值。

2.4.4 周邊眼裝藥集中度q l

周邊眼裝藥集中度為單個周邊眼內裝藥質量與炮眼深度的比值,其與炸藥特性及巷道巖性相關聯。根據礦山實踐經驗,2號巖石乳化炸藥在硬巖條件下,周邊眼的裝藥集中度q l可在0.33～0.46 kg/m 之間取值。

2.5 總藥量估算

2.5.1 炸藥單耗

選取炸藥單耗的方法有多種,目前主要有參考巷道掘進炸藥單耗定額表法和經驗公式法,本文將兩種方法結合起來運用,以獲得合理的炸藥單耗值。

(1) 巷道掘進炸藥單耗定額參考見表3。

表3 巷道掘進炸藥單耗定額m3/kg

(2) 根據經驗公式確定炸藥單耗[15],可按式(2)進行計算。

式中,q為炸藥單耗,kg/m3;K為常數,取0.35;f為普氏硬度系數,取8～10;S x為斷面系數,可按公式S x=S/5 計算,其中S為巷道凈斷面積,取7.286 m2;d x為藥包徑向系數,可按公式d x=S/5計算,其中d為裝藥直徑,取32 mm;e為與炸藥相關系數,可按e=320/e0計算,其中e0為炸藥作功能力,取308 mL。

2017年10月2日， 比利時向歐盟委員會通告全面禁止塑料微珠用于消費品中的草案，通告中指出將自愿淘汰所有消費品中的微塑料，其“部門禁令”最初將適用于化妝品和牙膏，以及后來的清潔和保養產品、粘合劑和膠粘劑[14]。目標是到2019年實行在所有一次性化妝品和牙膏中使用塑料微珠的“全面禁令”。該計劃草案得到了聯邦能源，環境和可持續發展部等的贊同。

對照表3,可得炸藥單耗為1.69 kg/m3左右,而根據經驗公式計算得的炸藥單耗在1.53～1.80 kg/m3之間,因此,本次設計炸藥單耗值q可取1.80 kg/m3。

2.5.2 單次循壞爆破炸藥總量估算

單次循壞爆破炸藥總量為巷道掘進單個進尺所消耗炸藥總量[16],一般可按式(3)計算。

式中,Q總為單次循環的炸藥總量,kg;q為炸藥單耗,取1.80 kg/m3;S為巷道凈斷面積,取7.286 m2;L為炮眼深度,取2.5 m;η為炮眼利用率,取0.96。計算得出單次循環爆破炸藥總量為31.48 kg。

2.6 炮眼數目

2.6.1 周邊眼數目

周邊眼數目與巷道斷面尺寸密切相關[17],可按經驗式(4)計算。

式中,B為巷道凈寬,取2.8 m;E0為周邊眼的平均間距,取0.50 m;BL為巷道斷面周長,可按式計算,其中c為巷道現狀系數,對于三心拱形巷道,c可取3.4。經過計算得到周邊眼數目N1=12.58個,實際取整數N1=13個。

2.6.2 其它裝藥眼總數

其它裝藥眼包括掏槽眼(不含空眼)、輔助眼(包含一般輔助眼和掏槽輔助眼)和底眼,總數N2可按式(5)計算[18]。

式中,Q總為單次循環爆破的炸藥總量,kg;q1為裝藥集中度,在0.33～0.46 kg/m 之間,這里取0.33 kg/m;L1為周邊眼的平均深度,取2.3 m;Q0為輔助眼和掏槽眼的單眼平均裝藥量,根據現場調研情況,可按裝藥4支到5支計算,取1.35 kg。

經計算,掏槽眼(裝藥)、輔助眼和底眼的數目N2=17.06個,實際取N2=18個。

2.7 炮眼布置

基于上述計算結果,參考類似礦山光面爆破的經驗,黃山南銅鎳礦炮孔布置如圖1所示,總計布置炮眼數為45個,其中周邊眼17個,輔助眼18個,掏槽眼10個;采用直眼掏槽方式。

圖1 炮眼布置示意(單位:m)

2.8 裝藥和起爆

為控制爆破振動效應,削弱巷道掘進爆破對圍巖的損害,頂眼和幫眼采用空氣間隔裝藥結構[19-20],掏槽孔、輔助孔、底孔采用連續裝藥結構,具體的裝藥結構如圖2所示。采用2號巖石乳化炸藥爆破,用黃泥堵塞炮孔。

圖2 裝藥結構示意(單位:m)

掏槽眼、輔助眼、底眼起爆方式為非電導爆管雷管孔底起爆。頂眼和幫眼采用單發非電導爆管與乳化藥卷用膠帶纏一起并孔內全長敷設導爆索(導爆索纏繞在藥包上)。采用延時分段爆破,起爆順序為掏槽眼、輔助眼、幫眼、底眼、頂眼,起爆順序如圖3所示。裝藥及起爆相關數據見表4。

圖3 起爆順序

表4 裝藥及起爆相關數據

3 一次成型光面爆破現場實踐

3.1 施工區域概況

確定現場試驗在黃山南銅鎳礦455 m 中段10#采場脈外巷道開展。巷道巖體是以基性—超基性巖為主的地質巖組,其堅固性較好,按巖芯塊度統計劃分巖體質量為一般良好,但在破碎帶及蝕變強烈地段,巖石力學強度大幅度降低。巷道的頂底板巖石較為堅硬,但巷道某些區域巖體的節理、裂隙較發育,且部分位置處于斷層破碎帶、軟弱接觸帶地段。

3.2 一次成型光面爆破現場實踐

根據光面爆破優化設計先后在試驗區域進行7次光面爆破掘進試驗。7次爆破進尺均達到設計要求,但前4次光面爆破周邊孔的殘孔及半孔率較差,且存在部分超挖欠挖現象,經過分析原因及時調整優化之后,后3次掘進爆破均取得了較好效果。

圖4為前3次光爆試驗后的效果圖,由圖4可知,前3次爆破后出現了殘孔率較差的情況,經過分析總結發現,此段巷道巖體恰好處于破碎帶與軟弱接觸帶地段,巖體節理、裂隙相對發育,而周邊孔裝藥量相對過多,從而導致未留下半孔形的炮孔。據此對后續設計進行調整,當現場施工發現周邊孔區域巖體裂隙較發育時,適當增加藥卷間隔距離,必要時減少裝藥量。圖5為第4次掘進試驗時發現巷道左下角出現欠挖現象,經分析現場技術人員測孔記錄數據發現,導致此現象的原因為:鉆孔向內偏斜,且此區域鉆孔堵塞過短,為此需要加強現場監督與施工管理。圖6為后續光面爆破效果,巷道斷面形狀規整,左右兩邊非常對稱,無明顯的超欠挖現象,大塊率良好,爆堆較為集中,拋擲距離適中,巷道左右兩巖壁非常平整,但側壁會出現巖體根脊,主要由于巷道巖體本身節理、裂隙發育,鉆孔施工質量有些不一致。掘進進尺為2.1～2.2 m 時,取得了非常好的爆破效果。

圖4 前3次光爆試驗后效果

圖5 光爆試驗欠挖現象

圖6 優化后光面爆破效果

3.3 二次壓頂爆破優化設計與現場實踐

針對黃山南銅鎳礦井下工人的鑿巖方式,在一次成型光面爆破的基礎上,改進原有設計光面爆破方式,現將一次成型光面爆破改為二次壓頂爆破,其中二次壓頂的炮孔布置如圖7所示。

圖7 二次壓頂爆破炮孔設計(單位:m)

二次壓頂爆破現場試驗是采用分步開挖的方式,即第一步開挖巷道直墻以下巖層,由掘進眼爆破崩落,第二步除開挖巷道全斷面巖層,還需崩落第一次遺留的巷道拱部巖層。在試驗區域共進行3次掘進爆破試驗,優化后光面爆破效果如圖8所示,由圖8可知,試驗巷道斷面形狀規整,左右兩邊未發現殘眼,幫眼的半孔率較好,形成了較好的半孔形狀,無明顯的超欠挖現象。同時,頂眼光爆效果較好,爆破炮孔較規整,半孔率較好,掘進進尺為2.1～2.2 m。

圖8 優化后的光面爆破效果

4 爆破綜合對比分析

4.1 原有爆破法與光面爆破法的經濟比較

礦山原有的爆破現場試驗、光面爆破及二次壓頂爆破現場試驗的基本材料消耗分別見表5、表6、表7。

表5 原有爆破法基本材料消耗

表6 光面爆破法基本材料消耗

表7 二次壓頂爆破基本材料消耗

根據黃山南銅鎳礦采購部門提供的材料清單可知,井巷掘進采用的2 號巖石乳化炸藥為12元/kg,導爆管雷管單價為6.0元/發,導爆索單價為2.85元/m。

經過計算得到,原有爆破法的單次循環爆破基本材料消耗成本為938.4元;光面爆破法基本材料消耗成本為915.3元;二次壓頂爆破基本材料消耗成本為910.6元。

原有爆破法的掘進循環進尺平均為1.9～2.0 m,每米基本材料消耗成本為469.2元,而光面爆破法的循環爆破進尺可達2.1～2.2 m,每米基本材料消耗成本為416.05元,二次壓頂爆破法的循環爆破進尺可達2.1～2.2 m,每米基本材料消耗成本為413.9元。黃山南銅鎳礦開采工作面多,井巷工程作業量大,井巷掘進工作量占據礦山工程份額大,采用優化后的光面爆破法或者二次壓頂爆破法可為礦山節省大量成本。

4.2 綜合對比分析

根據現場爆破試驗的效果,對比原有的掘進爆破,從以下方面進行對比分析。

(1) 綜合成本方面。原有爆破法的單次循環爆破基本材料成本為469.2元/m,光面爆破法單次循環爆破基本材料成本為416.05元/m,而二次壓頂爆破消耗成本為413.9元/m。故從綜合成本方面分析:二次壓頂爆破＜一次成型光面爆破法＜原有爆破法。

(2) 掘進效率方面。一次成型光面爆破或二次壓頂爆破的掘進進尺控制在2.0～2.1 m,進尺較好,掘進效率高,掘進炮孔有效利用率達到了91%以上。

(3) 爆破效果方面。一次成型光面爆破或二次壓頂爆破邊幫成型較原有爆破效果好,同時頂眼成型效果較好。

5 結論

(1) 結合黃山南銅鎳礦井下礦巖工程地質條件,綜合多種可爆性評價方法,得出該礦的巖石可爆性指標高,屬于穩固類型巖體,為難爆類巖體。

(2) 基于巖體物理力學參數與炸藥性質,結合經驗公式對黃山南銅鎳礦井下光面爆破掘進方式及爆破參數進行優化設計,得到一次成型光面爆破方案。

(3) 開展現場掘進爆破試驗,根據現場試驗情況可知,后續掘進應加強現場監督與核查,嚴格控制施工質量,按照設計方案施工。遇到破碎帶、節理裂隙發育等地質現象時應適當調整爆破參數,并根據工人施工習慣對二次壓頂爆破進行優化,提出相應方案。最終兩種方案都取得理想效果。

(4) 經優化后,掘進光面爆破效率提升了10%,成本降低了13%,掘進炮孔有效利用率達到了91%以上,巷道成型效果好,進一步降低了支護成本,提高了巷道安全性。