弓长岭铁矿巷道掘进掏槽孔超深长度优化试验研究_杨仁树.pdf

收稿日期2020-01-03 基金项目国家自然科学基金重点项目 （编号 51934001） 作者简介杨仁树 （1963） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。通讯作者王渝 （1996） ， 男， 硕士研究生。 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE 弓长岭铁矿巷道掘进掏槽孔超深长度优化 试验研究 杨仁树 1， 2， 3， 4 王渝 1， 2 宫国慧 5 赵勇 1， 2 左进京 4 骆浩浩 4 郑昌达 4 （1. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 2. 北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室， 北京 100083； 3. 中国矿业大学 （北京） 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083； 4. 中国矿业大学 （北京） 力学与建筑工程学院， 北京 100083； 5. 鞍钢集团矿业有限公司， 辽宁 鞍山 114046） 摘要巷道钻爆法掘进中， 掘进速度的关键在于掏槽。为了研究金属矿山巷道掘进过程中掏槽孔超深与炮 孔利用率的关系， 基于20世纪90年代以来部分相关文献资料以及开展的掏槽孔超深现场试验成果， 探讨了掏槽孔 相对于其他炮孔超深长度的合理取值范围。研究结果表明 无论是在金属矿山还是非金属矿山， 随着巷道掘进工 程量的不断扩大， 炮孔深度逐渐增大， 但掏槽孔超深长度并没有改变。根据部分金属矿山掏槽超深的数据统计， 95.2的金属矿山掏槽超深长度基本保持在200 mm及以下。基于掏槽孔超深现场试验， 在保证其他参数不变的前 提下， 以掏槽孔超深长度作为单一变量， 当辅助孔和周边孔炮孔深度分别为1.8 m和2.0 m时， 掏槽孔对应的最优超 深分别为 300 mm 和 400 mm， 获得的炮眼利用率极值为 97 和 95， 较超深长度 200 mm 时分别提高了 5.4 和 10， 掏槽孔超深长度的变化对炮孔利用率有重要影响。基于掏槽孔超深长度优化问题， 引入超深系数η概念， 当 辅助孔和周边孔深为x时， 掏槽孔对应的孔深为y， 存在最优掏槽孔超深系数η， 使得炮眼利用率最高。 关键词金属矿山钻爆法楔直复合掏槽巷道掘进超深系数 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-016-09 DOI10.19614/ki.jsks.202007003 Experimental Study on the Ultra-deep Length Optimization of the Excavation Cutting Holes in the Tunnel of Gongchangling Iron Mine Yang Renshu1， 2， 3， 4Wang Yu1， 2Gong Guohui5Zhao Yong1， 2Zuo Jinjing4Luo Haohao4Zheng Changda4 （1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 3. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering， China University of Mining Technology（Beijing） ， Beijing 100083， China； 4. School of Mechanics Civil Engineering， China University of Mining Technology（Beijing） ， Beijing 100083， China； 5. Ansteel Mining Co.， Ltd.， Anshan 114046， China） AbstractCutting is the key to dring speed in tunnel drilling and blasting.In order to study the relationship between the ultra-depth of cutting hole and the utilization rate of hole in the tunneling process of metal mine， the reasonable value range of the ultra-depth of cutting hole and other holes was discussed based on some relevant literature since 1990s and field test results of the ultra-depth cutting hole.The study results show that whether in metal mines or non-metal mines，with the continuous expansion of tunneling engineering quantity， the depth of hole gradually increases， but the ultra-depth of cut hole does not change.According to the statistics of the ultra-deep cutting of some metal mines， 95.2 of the metal mines roadway blasting and excavation under 200 mm. Based on the field test results of cutting hole ultra-deep， under the premise of keep⁃ ing other parameters unchanged， the ultra-deep length of the cutting hole is used as a single variable， it is concluded that the auxiliary hole and the surrounding hole are 1.8 m and 2.0 m respectively， and the optimal ultra-deep corresponding to cut⁃ ting hole is 300 mm and 400 mm respectively，which gets the extreme value of hole utilization 97 and 95，and in⁃ creased by 5.4 and 10 when compared to the ultra-deep length of 200 mm， the variety of the ultra-deep length of the cut⁃ Series No. 529 July2020 采矿工程 16 ChaoXing ting holes has an important influence on the utilization rate of the holes.Aming at the optimization problem of overdepth length of cutting hole， the concept of overdepth coefficientηis introduced， when the depth of the auxiliary hole and the sur⁃ rounding hole is x，the corresponding hole depth of the cutting hole is y， and there is an optimal cutting hole ultra-deep coef⁃ ficientη， which makes the utilization rate of the blasthole highest. KeywordsMetal mine， Drilling and blasting ， Straight wedge composite cut， Roadway driving， Depth coefficient 矿山巷道掘进是影响矿山生产效率的主要环节 之一， 其掘进进尺、 掘进效率等对后续施工工程效益 具有重要影响。我国矿山巷道掘进中钻爆法依然是 岩石井巷掘进的主要工法之一， 占比达到 95 以 上 ［1］。对于采取钻爆法施工的掘进巷道， 爆破参数设 计是能否实现安全、 高效爆破的关键影响因素。 爆破掘进进尺的关键在于掏槽， 如何提高炮孔 利用率一直是诸多学者研究的重点。王忠康等 ［2］针 对超大断面硬岩巷道， 提出了三级复式楔形掏槽方 式， 现场试验取得了较高的炮孔利用率。张召冉等 ［3］ 提出了 “二阶二段” 掏槽技术， 通过理论分析并结合 现场试验， 验证了该技术在岩巷深孔掏槽爆破中具 有良好的适用性。龚敏等 ［4］通过改变单孔装药量和 设置中心眼来探究爆破参数对爆破效果的影响， 优 化后的爆破方案在坚硬岩石巷道施工中取得了良好 的效果。杨国梁等 ［5］提出了复式楔形深孔掏槽爆破 方法， 研究了该掏槽方式下应力波的传播规律， 并将 复式楔形掏槽爆破应用于现场， 取得了良好的爆破 效果。单仁亮等 ［6-7］提出了准直眼掏槽方式， 通过理 论分析、 模型试验并结合现场试验， 分析了新掏槽方 式的良好应用效果。郭东明等 ［8］将中心大空孔掏槽爆 破技术应用于益新煤矿岩巷掘进中， 现场试验表明该 技术应用后显著提高了巷道掘进速度。杨国梁等 ［9］根 据切缝药包对爆炸能量的导向性， 提出了采用切缝药 包进行掏槽爆破， 在实际工程应用中取得了96.7的 炮眼利用率， 验证了 “先切后掏” 思路的可靠性。 基于上述成果分析可知， 学术界对于掏槽优化的 研究主要集中在掏槽布孔方式改变上， 对于掏槽孔超 深长度的改变造成炮孔利用率变化这一问题的研究 鲜有涉及。为了探寻掏槽孔超深长度与炮孔利用率 的内在关系， 本研究基于弓长岭铁矿巷道掘进开展现 场试验， 以掏槽孔垂直深度作为单一变量， 旨在寻求 不同进尺方案所对应的合理掏槽孔垂直深度。 1金属矿山掏槽参数存在的问题 通过查阅相关文献， 统计了部分金属矿山与非 金属矿山爆破掘进巷道的岩性特征强度、 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， 结果如表1所示。 2020年第7期杨仁树等 弓长岭铁矿巷道掘进掏槽孔超深长度优化试验研究 17 ChaoXing 行业内通常采用岩石坚固性系数f （即普氏系数） 来描述岩石的力学特性。通过对表1进行数据处理 得到表征岩石普氏系数与掏槽孔超深、 炮孔利用率 的关系示意图 （图1） 。由图1可知 ①金属矿山巷道 掘进中岩石普氏系数f普遍为10～17， 平均炮孔利用 率基本维持在90左右； 对于煤矿而言， f值普遍小 于10， 平均炮孔利用率为92左右； 硬岩巷道相对于 软岩巷道爆破效率较低。②无论是金属矿山还是非 金属矿山， 岩性虽然不同， 但是掏槽孔超深长度并没 有明显改变。 为更加直观地观察掏槽孔超深分布范围， 对表1 数据进行了进一步统计分析， 结果如图2所示。由图 2可以看出 金属矿掏槽超深长度基本保持在0.2 m 及以下， 占统计数据的 95.2， 极少超过 0.2 m， 占统 计数据的4.8。 炮孔深度 （本研究指非掏槽孔深度） 对于巷道掘 金属矿山2020年第7期总第529期 18 ChaoXing 进的影响至关重要。通过图3可以看出， 随着年代的 变化， 炮孔深度由20世纪90年代的1.3～1.6 m稳步提 升。进入21世纪以来， 随着矿产资源需求的不断提 高， 中深孔技术的探索以及井下生产过程中凿岩设备 的推广应用， 炮孔深度逐渐提高， 2010年以来， 炮孔平 均深度达到2.5 m以上， 最高甚至达到3.8 m， 说明中深 孔爆破是历史发展的必然趋势。但是掏槽孔超深长 度始终维持在0.2 m及以下， 其合理性有待商榷， 因此 探讨掏槽孔深度与炮孔利用率的关系是必要的。 2掏槽孔超深优化现场试验 为探讨金属矿山岩石巷道掏槽孔合理超深范围 对炮眼利用率的影响， 本研究在弓长岭铁矿140 m 水平某采矿巷道进行了两种进尺的现场爆破试验。 2. 1工程概况 弓长岭铁矿140 m水平某采矿巷道岩性以铁矿 石、 绿泥岩为主， 不同岩石有明显的分界面。巷道断 面形状为直墙半圆拱形， 巷道宽3.4 m、 高3 m （墙高 2 m、 拱高1.4 m） ， 净断面面积为9.6 m2。凿岩设备采 用7655气腿式凿岩机， 炮眼直径为40 mm， 雷管采用 矿用半秒导爆管雷管， 炸药采用二级岩石乳化炸药。 爆破方案采用楔直复合掏槽全断面一次起爆。 2. 2铁矿石岩石物理力学特性 回采巷道岩性以铁矿石为主， 铁矿石普氏系数f 为22～26， 属于特别坚硬的矿石。岩性对爆破效果的 影响较大， 铁矿石的力学性能参数如表2所示。 2. 3试验方案 2. 3. 1辅助孔和周边孔深1.8 m试验方案 （方案1） 根据铁矿石力学性能参数、 回采巷道断面大小、 凿岩机类型、 雷管及炸药性质等因素采用楔直复合 掏槽， 布置4对楔形掏槽孔和3个中心孔 （图4） 。辅 助眼及周边眼深 1.8 m， 掏槽孔垂直超深分别为 0、 100、 200、 300、 400 mm， 共设计了5组试验方案。掏槽 眼及辅助眼装药系数为 1， 周边孔采用空气间隔装 药。楔形眼采用一段雷管， 中心眼采用二段雷管。 2. 3. 2辅助孔和周边孔深2.0 m试验方案 （方案2） 在相邻巷道 （岩性、 断面大小基本一致） 设计了 周边孔和辅助孔深为2 m的掘进方案， 通过改变掏槽 眼超深 （0、 100、 200、 300、 400、 500 mm） ， 共进行了6组 试验。具体爆破方案参数取值如表3所示。 2. 4试验结果分析 2. 4. 1方案1 辅助孔和周边孔孔深为 1.8 m 时， 对 0～400 mm 范围内掏槽超深变化的5组爆破试验结果分析 （图5、 表4） 可知 相比于掏槽超深200 mm， 小于此超深时， 炮眼利用率明显减小， 实际单循环进尺最低减少到 1.52 m； 大于此超深时， 炮眼利用率显著提高， 但是存 在一个临界值， 炮眼利用率不再明显提高， 即炮眼利 用率最高为97， 实际单循环进尺最高达到1.75 m。 2020年第7期杨仁树等 弓长岭铁矿巷道掘进掏槽孔超深长度优化试验研究 19 ChaoXing 2. 4. 2方案2 对单循环进尺为2 m的6组爆破试验结果 （图6、 表 5） 进行分析可知 随着超深从 0 mm 提高到 500 mm， 炮眼利用率从 80提高到 95， 实际单循环进 尺从 1.6 m 提高到 1.9 m， 增加了 0.3 m； 超深 400 mm 时， 曲线出现类似拐点， 即合理超深范围为400～500 mm。 2. 4. 3讨论 根据上述试验分析可知， 单循环进尺1.8 m、 2.0 m分别对应合理超深为300 mm、 400 mm， 即合理的爆 破方案中掏槽孔垂深分别为x1300 mm， x2400 mm （x1、x2分别为单循环进尺1.8 m和2.0 m） 。综合上述 试验结果， 可以推断采用钻爆法掘进巷道时， 当辅助 孔和周边孔孔深为x时， 掏槽孔对应孔深为y， 存在最 优掏槽孔超深系数η， 使得炮眼利用率最高。此时掏 槽孔与其它炮孔孔深的函数关系可表示为 金属矿山2020年第7期总第529期 20 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ y 1 η x. 本研究试验表明η取值范围为0.17～0.2。针对 同一岩性、 进尺， 当超深系数变化时， 掏槽角度以及 槽腔体积也会随之改变， 3个变量相互之间存在一定 关系， 因此超深系数η同样是影响炮眼利用率一项本 质的变量。 3结论 本研究结合20世纪90年代以来金属矿山巷道 掘进爆破的相关研究成果， 重点探讨了随着年代变 化爆破设计中掏槽超深与进尺、 岩石坚硬系数的关 系， 并结合弓长岭铁矿岩石巷道爆破现场试验， 得出 以下结论 （1） 随着巷道掘进工程量不断扩大， 无论是金属 矿山还是非金属矿山巷道掘进， 虽然炮孔深度逐渐 增大， 但是掏槽孔超深并没有改变， 基本保持在200 mm及以下。 （2） 针对同一岩性、 进尺， 当炮孔深度保持一定 时， 对应一个合理的掏槽孔超深范围。本研究现场 试验炮孔深度分别为1.8 m和2.0 m， 对应的合理超深 分别为300 mm和400 mm， 并非爆破行业传统理念中 的掏槽孔超深200 mm， 炮孔利用率分别较掏槽孔超 深200 mm时提高了5.4和10。 （3） 针对掏槽孔超深与炮孔利用率这一问题， 引 入了超深系数η概念， 存在最优掏槽孔超深系数η， 使得炮眼利用率最高。当掏槽孔超深系数大于对应 的最优系数时， 炮孔利用率基本不会改变； 当掏槽孔 超深系数小于对应的最优系数时， 炮孔利用率无法 实现最优取值。 参 考 文 献 杨仁树.我国煤矿岩巷安全高效掘进技术现状与展望 ［J］ .煤炭 科学技术， 2013， 41 （9） 18-23. 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