光面爆破技术在过断层巷道掘进的研究与应用.pdf

第37卷第4期 2020年12月 Vo l . 37 No . 4 Dec . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.04.010 光面爆破技术在过断层巷道掘进的研究与应用* 马元蠢，贺鹏2 1.山东钢铁集团莱芜矿业有限公司，莱芜071100 ；2,山东科技大学，青岛266000 摘要谷家台铁矿深部开拓工程施工至28A断层区域，岩石破碎、节理发育、整体稳固性差，普通掘进法 对顶板造成冲击破坏，冒顶现象时常发生，严重影响施工进度。分析了光面爆破的参数选取方法，明确了过 断层巷道的光面技术参数，制定了光面爆破试验方案并进行实践应用。应用效果表明该光爆技术能够维护 围岩整体稳定性、有效解决断层冒顶问题，并且能够实现断层巷道顶帮壁面半孔率达到85；通过合理炮孔 布置优化，该光爆技术能够提高爆破进尺0.30 m,降低炸药单耗降低1.01 kg/m3o 关键词光面爆破；巷道掘进；断层；不耦合装药；间隔装药 中图分类号TD353 文献标识码A 文章编号1001 -487X202004 - 0059 - 04 Research and Application of Smooth Blasting Technique in Tunneling Throug h Fault MA Yu an-lei1 ,HE Peng2 1. Sh a n do n g Ir o n a n d St eel Gr o u p La iwu Min in g Co Lt d,La iwu 071100,Ch in a； 2. Sh a n do n g Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o gy, Qin gda o 266000, Ch in a Abstract Th e deep dev el o pmen t pr o jec t o f t h e Gu jia t a i Ir o n Min e wa s c o n st r u c t ed t o t h e 28A f a u l t a r ea . Th e r o c k wa s br o ken, t h e jo in t s wer e dev el o ped, a n d t h e o v er a l l st a bil it y wa s po o r . Th e c o mmo n t u n n el in g met h o d c a u sed impa c t da ma ge t o t h e r o o f . Ro o f c o l l a pse o f t en o c c u r s, wh ic h ser io u sl y a f f ec t s t h e c o n st r u c t io n sc h edu l e. Th e pa per st u dies a n d a n a l yzes t h e pa r a met er sel ec t io n met h o d o f smo o t h bl a st in g, c l a r if ies t h e smo o t h t ec h n ic a l pa r a met er s o f t h e r o a dwa y t h r o u gh t h e f a u l t, f o r mu l a t es t h e smo o t h bl a st in g t est pl a n a n d a ppl ies it in pr a c t ic e. Th e r esu l t s sh o w t h a t t h e smo o t h bl a st in g t ec h n o l o gy c a n ma in t a in t h e o v er a l l st a bil it y o f t h e su r r o u n din g r o c k, ef f ec t iv el y so l v e t h e f a u l t r o o f in g pr o bl em, a n d c a n r ea l ize t h e f a u l t r o a dwa y t o p wa l l su r f a c e h a l f h o l e r a t e u p t o 85. Th r o u gh t h e o pt imiza t io n o f t h e r ea so n a bl e bl a st h o l e l a yo u t,t h e smo o t h bl a st in g t ec h n o l o gy c a n in c r ea se t h e bl a st in g pen et r a t io n by 0. 30 m, r edu c e t h e po wder f a c t o r by 1.01 kg/m. Key words smo o t h bl a st in g ； r o a dwa y ex c a v a t io n ； f a u l t s ； u n c o u pl ed c h a r gin g ； in t er v a l c h a r gin 莱芜矿业有限公司谷家台铁矿位于山东莱芜 市,总资源量为5056.6万t ,TFe平均品位47.98 , 设计采矿能力200万t /年，采用机械化盘区下向进 收稿日期2020 - 07 -10 作者简介马元磊1987 -，男，山东潍坊人，工程师,从事采矿爆破 技术管理,E-ma il 705765969 qq. c o mo 通讯作者贺 鹏1988 男，山东莱芜人，博士、讲师，从事隧道 及地下工程灾害防治方面的研究，E-ma il h epen gh a n k 163. c o mo 基金项目国家自然科学基金青年基金No . 51909150；山东省重点 研发计划项目No . 2019GSF111022 路胶结充填采矿法。矿区地质构造为中等复杂类 型，水文地质条件较为复杂，最大涌水量为 2.5万m3/d,1999年7月12日，由于28A断层区域 掘进工程冒顶导致矿井突水发生淹井事故。 目前正在施工深部开拓工程,鉴于历史上发生 过透水事故，谷家台铁矿针对28A断层区域的掘进 工程，按照“冒顶即为事故”的风险管控原则，制定 了详细的掘进工程施工方案和技术要求。 60爆破2020年12月 1断层破碎带地质概况 谷家台铁矿深部开拓工程施工至284断层区域 多次发生冒顶现象，局部冒顶高度达到8 10 m,并 伴有淋水。28A断层破碎带区域岩性为矽卡岩，呈 似层状、透镜状产出，厚度50 100 m,裂隙节理发 育，整体稳固性较差，蚀变程度强的较松软,矽卡岩 的物理力学特征如表1所示。 表1矽卡岩物理力学特征表 Table 1 Physical and mechanical characteristics of skarn 力学特征计量单位参数值 容重kN/m324.30 抗压强度MPa12.43 抗拉强度MPa0.64 内聚力MPa1.57 内摩擦角 o 40.31 弹性模量104 MPa0.26 泊松比0.31 2普通爆破掘进技术及其存在的问题 2.1普通爆破掘进技术简述普通爆破掘进技术简述 谷家台铁矿一直采用普通爆破掘进法施工。掏 槽孔桶型掏槽方式，孔数13个，孔深2. 75 m,其中 空眼4个,装药眼9个;辅助孔孔数18个，眼深 2.65 m；周边眼孔数16个，眼深2.65 m,采用 32 的药卷，装药长度1- 8 m,每眼装药量1. 8 kg6支 e 32药卷，不间隔连续装药。槽炮爆破量31.19 m3, 槽炮装药量96.3 kg,炸药单耗为3.09 kg/m3。 2.2普通爆破掘进技术存在的问题普通爆破掘进技术存在的问题 采用的普通爆破掘进法的炸药单耗较高,该技 术爆破后顶帮的爆破面极不平整,浮石较多,支护难 度较大，并且围岩整体性受到破坏。在谷家台铁矿 28A断层区域应用过程中,多次发生冒顶，冒顶后支 护难度极大，锚网支护无法安全施工,多采用高压注 浆充填后重新掘进的施工方法渡过冒顶区域。高压 注浆充填工艺虽然能有效渡过冒顶区域，但是施工 工艺繁多、进度缓慢、消耗水泥量大、成本极高，严重 影响深部开拓工程的顺利开展。 如何解决谷家台铁矿28A线断层区域掘进爆破 问题,避免大面积冒顶是当前深部开拓掘进工程顺 利开展的关键因素。因此，针对28A断层区域制定 了专门的光面爆破技术方案。 3光面爆破掘进技术的参数选择 光面爆破技术需要控制的关键参数是周边孔间 距参数和周边孔不耦合装药结构参数⑴。 3.1周边孔间距参数的确定周边孔间距参数的确定 1 最小抵抗线为最外圈辅助孔与周边孔的孔 距⑵，计算方法如式1所示 17 10 20 x d 1 式中W为最小抵抗线,mm；d为炮孔孔径， mmo 2 光爆周边孔的间距与其最小抵抗线存在一 定的比例关系⑷，计算方法如式2所示。 E KxW 2 式中E为周边孔间距,mm；K为炮孔密集度系 数，当KM1时，孔距大于等于最小抵抗线，应力波 先到达临空面破碎围岩，高压气体随之释放到临空 面，炮孔间应力波形成的裂缝未得到高压气体的气 楔作用将减少剥离量形成欠挖；当KW0.8,两炮孔 应力波破碎孔周边围岩后设计轮廓外形成超挖;一 般0.8 1.0,岩石硬度大时取大值，较软时取小 通过以上两个公式计算得出周边孔间距般 取400 600 mm,较破碎时取小值，围岩较完整时取 大值。为保证巷道掘进表面的平整，避免超欠挖，周 边孔的孔口应布置在设计巷道掘进断面的轮廓线上, 炮孔须稍向轮廓线外偏斜⑸，偏斜量不得＞ 150 mm, 炮眼深度应控制其眼底在同一平面上。 根据谷家台铁矿的凿岩设备、炮孔直径、断层区 域围岩物理力学特性，计算确定试验周边孔炮孔间 距为400 mm。 3.2周边孔不耦合装药结构参数的确定周边孔不耦合装药结构参数的确定 1不耦合装药系数的选择 不耦合装药指炸药直径小于炮孔直径或者炸药 长度短于炮孔有效长度，炸药与炮孔壁之间留有间 隙的装药方式。目前地下矿巷道掘进光面爆破技术 多采用空气不耦合装药形式,空气不耦合装药依据 空气与炸药的相对位置又分为径向不耦合装药连 续装药和轴向不耦合装药间隔装药[6]。 径向不耦合系数Kd是指炮孔直径与药包直径 之比，轴向不耦合系数皿是指有效炮孔长度扣除 堵塞部分与药包累计长度之比切。金属矿浅孔爆 破工程施工过程中，径向不耦合系数Kd 一般取1 3 ,轴向不耦合装药KI 一般取2 5。 谷家台铁矿现有2岩石乳化炸药，根据其技术 参数确定试验周边孔采用空气不耦合装药方式,径 向不耦合系数Kd取值1.31炮孔直径42 mm,炸药 直径32 mm,轴向不耦合装药KZ取值2. 87 炮孔 有效长度2. 15 m,药包累计长度0.75 m。 第37卷第4期马元磊，贺鹏光面爆破技术在过断层巷道掘进的研究与应用61 2装药结构的选择 合理的光爆装药结构对周边孔孔壁的破坏作用 较小,有利于爆破冲击波的均匀作用于孔壁,传统的 光面爆破装药结构主要有3种形式标准药径连续 装药结构、标准药径间隔装药结构、小直径药卷装药 结构⑷，如图1所示。 导爆管炸药 炮泥 7T 7 r yr yr / ryry 雷管 Q标准药径连续装药结构 a St a n da r d-dia met er ex pl o siv e c o n t in u o u s c h a r gin g st r u c t u r e 炸药 导爆管 [1 [12 炸药爆速m/ sM3200 药卷密度g/c m21.0 〜1.25 药卷直径mm32 1 药卷长度c m30 1 药卷重量 g 300 10 4.2光面爆破设计光面爆破设计 根据光面爆破参数选择方案，确定了谷家台铁 矿光面爆破试验爆破设计，并在谷家台铁矿进行多 图2光面爆破试验炮孔布置图单位mm Fig. 2 Ar r a n gemen t o f bl a st h o l es in smo o t h bl a st in g t est u n it mm 62爆破2020年12月 （1） 掏槽孔孔数7个，采用菱形掏槽方式,孔 深2.75 m,大孔径少76空孔3个用于提供较大自由 面,装药孔4个，起爆顺序12；装药长度2.1 m, 每孔装药量2. 1 kg （7支0 32药卷），堵塞炮泥 0.5 m填实炮孔;1孔采用msl段雷管,2孔采用 ms4段雷管，延时间隔为75 ms。 （2） 辅助眼孔数19个，孔深2.65 m,起爆顺序 3 6札 装药长度1.8 m,每眼装药量1.8 kg（6支 32药卷），堵塞炮泥0.5 m填实炮孔；36孔分 别采用ms9段、msl 2段、msl 4段、msl 6段雷管，延 时间隔分别为 310 ms、550 ms、760 ms A1020 mso （3） 周边眼25个（顶板13个,两帮各6个），孔 深2.65 m,炮孔稍向轮廓线外偏斜,偏斜量100 150 mm,起爆顺序7；装药长度0.75 m,每孔装药 量0.75kg（2.5支少32药卷），装药结构为小直径药 卷间隔装药结构，炸药分为两组，孔底装药1.5支 0 32药卷，中间位置装药1支0 32药卷，间距 0.7 m,炮孔孔口堵塞炮泥0.5 m；径向不耦合系数 Kd取值1.31（炮孔直径42 mm,炸药直径32 mm）, 轴向不耦合装药KI取值2. 87 （炮孔有效长度 2.15 m,药包累计长度0.75 m）;考虑到导爆索成本 较高,本次试验采用孔内同段别雷管同时起爆方式, 采用2发雷管引爆孔内两组炸药，使用msl 8段雷 管，延时间隔为1400 ms。装药结构如图3所示。 导爆管雷管 空气柱0.7 m 孔口泡泥堵塞0.5 m 032药卷1支032药卷1.5支 图3周边孔装药结构图 Fig. 3 St r u c t u r e o t h e per iph er a l h o l e c h a r ge （4）底板孔孔数7个，孔深2. 65 m,起爆顺序 8札装药长度2.1 m,每眼装药量2.1 kg（7支0 32 药卷），堵塞炮泥0. 5 m填实炮孔;8孔采用ms20 段雷管，延时间隔2000 ms。 4.3试验效果描述试验效果描述 （1）本次实验炮孔总个数为58个，总装药量为 74. 25 kg,爆破进尺2. 36 m,炮孔利用率达到 89.1，爆破方量35.72 m3，炸药单耗为2.08 kg/m3, 与普通掘进法对比数据如表3所示。 表3技术指标对比表 Table 3 Comparison of technical indicators 指标单位普通法光爆法改善值 爆破进尺m32.062.36f 0.30 炮孔利用率77.789.1t il .4 槽炮爆破量m331.1935.72f 4.53 炸药单耗kg/m33.092.08；1.01 对比结果表明，光面爆破技术能够有效地提高 爆破进尺、炮孔利用率、槽炮爆破量,降低炸药单耗。 （2）试验爆破效果表明，该光面爆破设计方案 爆破后半孔率达到85，有效地减低爆破冲击对巷 道顶帮的破坏，保证了巷道开挖围岩的整体性与完 成性。爆破后作业现场半孔残留如图4所示。 图4爆破后半孔残留拍摄图片 Fig. 4 Ph o t o gr a ph s o f t h e r esidu a l h a l f h o l e a f t er bl a st in g 5光面爆破的推广应用改进经验 该光面爆破设计方案成功以后,在莱芜矿业有 限公司的多个矿山推广应用，进行了多个地点、多种 矿岩条件反复多次试验,并在推广试验过程中总结 了应用改进经验。 光爆技术根据围岩性质的不同，参数设计有所差 异。在坚硬岩石中周边孔孔距可以调整为50 c m或者 孑鹿60 c m中间加导向孔，均能达到以上爆破效果。 周边孔采用导爆索连接两组炸药，效果相差不 大。但是消耗导爆索较多，相对于同段别两发雷管 分组方式成本并未降低,并且导爆索连接方式施工 工艺相对繁琐。 周边孔炸药分为三组,并采用导爆索连接,效果 更佳。但是爆破成本显著增加，周边孔孔深 2.65 m,单孔消耗导爆索成本3. 38元。 6结论 光爆技术能够实现断层巷道的爆破顶帮壁面平 整，半孔率达到85。 光爆技术降低爆破作用对围岩的冲击破坏，显 著提高围岩整体性和稳定性，解决了巷道冒顶问题， 有效降低了过断层巷道的支护量和支护难度。 （下转第165页） 第37卷第4期孙从煌,曲艳东 特征管内比/Air预混气体燃爆特性数值模拟研究 165 [14]孙从煌.爆炸反应管的研制及管内气体燃爆特性研 究[D].锦州辽宁工业大学,2017. [14] SUN C H. Dev el o pin g det o n a t io n r ea c t io n pipe a n d r e sea r c h o n c h a r a c t er ist ic s o ga seo u s def l a gr a t io n in t h e pipe [ J ]. Jin zh o u Lia o n in g Un iv er sit y o f Tec h n o l o gy, 2017. in Ch in ese [15 ] CLANET C,SEARBY G. On t h e “Tu l ip f l a me” ph en o m en o n [J ]. Co mbu st io n a n d Fl a me, 1996,105 1/2 225- 238. [16] XIAO H H, SUN J H, CHEN P. Ex per imen t a l a n d n u mer ic a l st u dy o pr emix ed h ydr o gen / a ir f l a me pr o pa ga t io n in a c o mbu st io n c h a mber[ J]. Jo u r n a l o f Ha za r do u s Ma t er ia l s,2014,2683 132-139. 英文编辑柯波 上接第62页 通过合理炮孔布置优化,尤其是掏槽布孔方式 的调整，光爆技术能够减少炸药单耗、提高爆破进 尺，降低爆破成本。 参考文献参考文献References [1] 林福荣.大红山铁矿西上采区巷道光面爆破掘进爆破 参数优化应用[J].中国矿业,2018,275 252-253. [1 ] LIN Fu -r o n g. Opt imiza t io n a n d a ppl ic a t io n o f bl a st in g pa - r a met er s f o r smo o t h bl a st in g a n d dr iv in g in t h e r o a dwa y in t h e west min in g a r ea o Da h o n gsh a n Ir o n Min e[ J]. Ch in a Min in g In du st r y ,2018 ,275 252-253. in Ch in ese [2] 马春德，刘泽霖，龙珊，等.预留光爆层工法在大断 面隧道安全快速施工中的应用[J].矿冶工程,2019, 396 25-28,34. [2] MA Ch u n -de, LIU Ze-l in, LONG Sh a n, et a l . Appl ic a t io n o r eser v ed l igh t -ex pl o siv e l a yer c o n st r u c t io n met h o d in sa f e a n d r a pid c o n st r u c t io n o f l a r ge-sec t io n t u n n el [ J ]. Min in g a n d Met a l l u r gic a l En gin eer in g, 2019,39 6 25- 28 ,34. in Ch in ese [3] 张迅.光面爆破不耦合装药参数优化的试验研究 [J].工程爆破,20191227-31. [3] ZHANG Xu n . Ex per imen t a l r esea r c h o n u n c o u pl in g c h a r ge pa r a met er o pt imiza t io n o f smo o t h bl a st in g [ J ]. En gin eer in g Bl a st in g,2019 12 27-31. in Ch in ese [4] 马 力，牛志军,姚强岭，等.恒源矿深井大断面岩巷 快速掘进技术的研究与应用[J]・中国矿业,2020, 293 159-166. [4] MA Li, NIU Zh i-ju n , YAO Qia n g-l in g. Resea r c h a n d a p pl ic a t io n o f r a pid ex c a v a t io n t ec h n o l o gy o f l a r ge sec t io n r o c k r o a dwa y in deep sh a f t o Hen gyu a n Min e[ J]. Ch in a Min in g In du st r y,2020,293 159-166. in Ch in ese [5] 杨小平，麦宗华,程传钊，等.光面爆破技术在大红山 铁矿采切作业面的应用[J].中国矿业,2019,286 209-211. [5] YANG Xia o -pin g, MAI Zo n g-h u a , CHENG Ch u a n -zh a o , et a l . Appl ic a t io n o f smo o t h bl a st in g t ec h n o l o gy in min in g a n d c u t t in g wo r kin g f a c e o Da h o n gsh a n Ir o n Min e [ J]. Ch in a Min in g In du st r y, 2019,28 6 209-211. in Ch i n ese [6]杨跃宗，邵珠山岩石爆破中径向和轴向不耦合装药 的对比分析[J].爆破,2018,37426-33,146. [6] YANG Yu e-zo n g, SHAO Zh u -sh a n . Co mpa r a t iv e a n a l ysis o f r a dia l a n d a x ia l u n c o u pl ed c h a r ge in r o c k bl a st in g[ J]. Bl a st in g,2018,374 26-33, 146. in Ch in ese [7] 邓永兴，张中雷,管志强，等.螺旋管聚能药包根底光 面爆破机理研究及应用[J].爆炸与冲击，2019, 39392-99. [7] DENG Yo n g-x in g, ZHANG Zh o n g-l ei, GUAN Zh l -qia n g et a l . Resea r c h a n d a ppl ic a t io n o f smo o t h bl a st in g mec h a n ism a t t h e ba se o f spir a l t u be sh a ped c h a r ge ba g[ J]. Ex pl o sio n a n d Sh o c k,2019,393 92-99. in Ch in ese [8] 张继春，潘 强,郑爽英，等.特大断面公路隧道的光 面爆破技术研究[J].爆破,2018,35452-57. [8 ] ZHANG Ji-c h u n, PAN Qia n g, ZHENG Sh u a n g-yin g, et a l . Resea r c h o n smo o t h bl a st in g t ec h n o l o gy o su per -l a r ge c r o ss-sec t io n h igh wa y t u n n el [ J ]. Bl a st in g, 2018,354 52-57. in Ch in ese [9] 王怀勇，裴 斌.光面爆破在节理裂隙发育巷道掘进 中的试验研究[J].中国矿业,2019,282373-376. [9 ] WANG Hu a i-yo n g, PEI Bin . Ex per imen t a l r esea r c h o n smo o t h bl a st in g in jo in t ed f issu r e dev el o pmen t r o a dwa y [J]. Ch in a Min in g In du st r y, 2019,28 2 373-376. in Ch in ese [10] 梁 瑞，解丽娜,周文海，等.中部空气间隔装药结构 不耦合状态光面爆破效果研究[J].矿冶工程,2019, 392 25-28. [10 ] LIANG Ru l, XIE Ll -n a, ZHOU Wen -h a i, et a l . Resea r c h o n t h e ef f ec t o f smo o t h bl a st in g in t h e u n c o u pl ed st a t e o f t h e a ir spa c e c h a r ge st r u c t u r e in t h e middl e[ J]. Min in g a n d Met a l l u r gic a l En gin eer in g,2019,39 2 25-28. in Ch in ese 英文编辑黄刚