凿岩台车施工硬岩矿山巷道钻爆参数设计.pdf

第 ２９ 卷第 ６ 期 ２０２０ 年 ６ 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol ． ２９ ， No ． ６ June ２０２０ 收稿日期 ２０１９-０４-０９ 责任编辑 赵奎涛 作者简介 熊晓晨（１９９４ － ） ， 男 ， 助理工程师 ， 主要从事采矿技术与 研究工作 ， E-mail １５５３５２８８４７３＠ １６３ ． com 。 引用格式 熊晓晨 ． 凿岩台车施工硬岩矿山巷道钻爆参数设计［J］ ． 中国矿业 ，２０２０ ， ２９ （６） １１７-１２０ ，１２６ ．doi １０ ．１２０７５／j ．issn ． １００４- ４０５１ ． ２０２０ ． ０６ ． ００４ 凿岩台车施工硬岩矿山巷道钻爆参数设计 熊晓晨 （五矿矿业控股有限公司 ，安徽 合肥 ２３００４１） 摘 要 吴集铁矿岩石属于很硬岩 ， 在井巷掘进过程中 ， 钻孔爆破均比较困难 。 为改善凿岩技术 ， 提高生 产效率 ， 引进使用全液压凿岩台车作业 ； 同时对凿岩爆破参数进行设计优化 ， 通过分析 ， 选用五空孔直孔掏 槽和光面爆破技术 ； 最后根据岩石性质 ， 合理布置装药参数和装药结构 ， 并对警戒范围进行理论推算 ， 确保 施工安全 。 方案实施后 ， 施工效率以及安全性等方面得以改善 ， 同时通过成本分析明确未来作业成本管控 方向 ， 为类似矿山提供借鉴经验 。 关键词 凿岩台车 ；五空孔掏槽 ；光面爆破 ；爆破参数 ；爆破警戒 中图分类号 TD４２１.２＋４ 文献标识码 A 文章编号 １００４-４０５１（２０２０）０６-０１１７-０４ Design of drilling and blasting parameters for hard rock mine tunnel construction by rock drilling jumbo XIONG Xiaochen （Minmetals Mining Holding Co. ，Ltd. ， Hefei ２３００４１ ，China） Abstract The rock of Wuji iron mine belongs to very hard rock ． Drilling and blasting are difficult in the process of roadway excavation ． In order to improve rock drilling technology and production efficiency ， full hydraulic rock drilling jumbo is introduced ． At the same time ， the parameters of rock drilling and blasting are designed and optimized ． Through the analysis ， five-hole cutting and smooth blasting technology are selected ． Finally ， according to rock properties ， explosive filling parameters and structure are reasonably arranged ． Blasting warning range is calculated theoretically to ensure construction safety ． After the implementation of the scheme ， construction efficiency and safety have been greatly improved ， and the future direction of cost control has been clarified ． It provides experiences for similar mines ． Keywords rock drilling jumbo ；five-hole cutting ；smooth blasting ；blasting parameter ；blasting warning 硬岩掘进是矿山井巷工程一大难题 ， 主要是由 于岩石的高硬度和高阻抗的特性 ， 致使凿岩及爆破 效率较低 ， 具体表现在以下几方面 ① 钻孔速度慢 ， 钻具磨损快 ；② 炸药消耗量大 ， 岩石爆破困难 ；③ 因 增加炮孔数而导致作业时间及作业量增加 ；④ 因药 量大而造成巷道成型差及围岩破坏严重等问题 ［１］ 。 安徽开发矿业吴集铁矿存在年掘进量大的特点 ， 根 据 ２０１８ 年 ７ ～ １２ 月的掘进数据统计 ， ６ 个月总计掘 进 ４ １６５ ． １ m ， 其中 ， 自营凿岩台车掘进 ２ ７３７ ． ３ m ， 分包小钻掘进 １ ４２７ ． ８ m 。 项目部通过凿岩台车的 使用 ， 提高钻孔效率 ， 增加钻孔深度 ， 增大循环进尺 ， 从而降低材料消耗 ， 减少辅助作业时间 ， 提高生产效 率 。 通过理论结合经验 ， 对布孔图 、 装药参数以及装 药结构进行精准设计 ， 最大限度地保持岩石原有的 强度和稳定性 ， 利于爆破后围岩长期稳定 。 1 概 况 1 ． 1 矿山概况 吴集铁矿（北段）位于霍邱矿区南部 ， 矿床走向 长 ３ ． ０ km ， 矿体平均斜深 ３９４ m ， 平均厚度 ２２ ． ２３ m ， 倾角 ５０～ ７００。 矿石储量 ７ ３１０ ． ９６ 万 t ， 主要为磁 铁矿 ， 平均地质品位 TFe ＝ ２９ ． ３３％ 。 设计生产能力 为 ２００ 万 t／a ， 矿山服务年限 ３０ a 。 开拓采用主副竖 井辅助斜坡道联合开拓方式 。 采矿工艺为分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿 中 国 矿 业第 ２９ 卷 法 ， 矿块布置方式根据矿体厚度确定 ， 分垂直走向和 沿走向两种方式布置 ， 矿块高 １００ m ， 凿岩分段高 ２５ m ， 每 １２０ m 设一条溜井和通风天井 。 掘进使用 Boomer２８１ 台车掘进 ， 回采使用阿特拉斯 １３５４ 凿岩 台车进行中深孔凿岩 ， 上向扇形中深孔爆破 。 1 ． 2 岩体概况 吴集铁矿主要有三种岩体 ， 上盘围岩主要是黑 云斜长片麻岩 ， 矿体主要是磁铁矿 ， 下盘围岩主要是 角闪斜长片麻岩 。 岩体进行分类及评价主要采用岩 石质量指标 RQD 值 ， 根据报告显示黑云斜长片麻 岩 RQD 值为 ７４ ． ０９ ， 磁铁矿 RQD 值为 ７２ ． ６８ ， 角闪 斜长片麻岩 RQD 值为 ７９ ． ５１ 。 按 RQD 值对岩体质 量分级 ， 黑云斜长片麻岩和磁铁矿岩体质量为“中 等” ， 岩体完整性为“中等完整” ， 角闪斜长片麻岩的 岩体质量为“好的” ， 岩体完整性为“较完整” 。 总体 吴集铁矿的工程地质条件为为中等偏简单类型 ［２］ 。 根据单轴抗压试验 ，测得黑云斜长片麻岩 １２８.１５４ MPa ， 磁铁矿石 １７６ ． ２６６ MPa ， 角闪斜长片 麻岩１４５ ． ９６９ MPa 。 普氏系数一定程度上反映岩石 的凿岩性 、爆破性及稳定性 ， 根据其计算方法 f ＝ R／１０（R 为岩石单轴抗压强度） ， 吴集铁矿岩石普氏 系数为 １２ ～ １８ ， 属于很硬岩 。 1 ． 3 设备概况 目前吴集铁矿自营掘进使用主要设备是两台 Atlas Boomer２８１ 凿 岩 台 车 和 一 台 Sandvik AXERA D０５ 凿岩台车 。 Boomer２８１ 采用全液压控 制方式 ， 作业时设备尺寸 １０ ． ７ m ３ ． １ m ２ ． ８ m ， 推进力 １５ kN ， 冲击频率 ６０ Hz ， 钻杆总长 ３ ． ７ m ， 钻 孔最大深度 ３ ． ４ m ， 钻孔直径 ４５ mm ， 扩孔大孔孔径 ８０ mm 。 D０５ 技术参数与 Boomer２８１ 基本类似 ［３］ ， 不再赘述 。 2 凿岩爆破技术参数确定 2 ． 1 掏槽设计 为充分发挥凿岩台车效率 ， 掏槽方式选用桶形 掏槽 。 在掏槽参数选取中 ， 最关键的是空孔孔径 、 空 孔数及中心孔与空孔间距的选择 。 在掘进爆破作业 中 ， 空孔主要起自用面及为破碎岩石提供补偿空间 的作用 。 ２ ． １ ． １ 中心孔与空孔间距 中心孔与空孔之间间距计算见式（１）。 a ＝ X ＋ Y ＋ d／２（１） 式中 a为空孔与装药孔之间的距离 ， m ；X 为反射 应力波对岩石的拉断范围 ； Y 为爆炸应力波对岩石 的破碎范围 ［４］ 。 根据式（１）确定中心孔与空孔孔壁间距不得大 于 １５０ mm 。 考虑台车钻孔时 ， 距离太近容易穿孔 ， 确定最终中心孔与空孔中心孔间距 ２００ mm 。 ２ ． １ ． ２ 空孔孔数 在掘进爆破中空孔不仅起到定向的作用 ， 同时 也是自用面 ， 为破碎岩石提供补偿空间 。 所以为保 证掏槽效果 ， 空孔容积要大于最先起爆掏槽孔所爆 矿岩膨胀增大的体积 ， 膨胀系数取 １ ． ７ 。 同时 ， 吴集 铁矿岩石硬度大 ， 最终选用五空孔掏槽 ［５］ ， 掏槽方式 见图 １ 。 以中心孔为圆心 ， 在 Φ２００ mm 的圆周轮廓 线上均匀布置 ５ 个空孔 ， 孔径 ８０ mm 。 图 1 五空孔掏槽方式 Fig ． 1 Five-hole cutting 2 ． 2 光面爆破 光面爆破不仅能减少超挖和排岩量 ， 提高工程 质量 ， 而且能减少爆破对围岩的破坏强度 ， 提高巷道 稳定性 ， 减少支护工程量 。 光面爆破主要考虑以下四个参数 。 ① 周边孔间 距 根据经验值 E＝ （１０ ～ １８）d ＝ ４５０ ～ ８１０ mm ， 取 其均值 E＝ ６００ mm 。 ② 不耦合系数 径向不耦合装 药系数 kd＝ db／dc＝ 炮孔直径／药卷直径 ＝ ４５／３２ ＝ １.４ ［６］ ； 轴向不耦合装药系数 k１＝ kb／kc＝ （炮孔长 度 －堵塞长度）／装药长度 ＝ （２ ． ８ － ０ ． ５）／０ ． ８ ＝ ２.９ ［７］ 。 ③ 炮孔密集系数 m＝ ０ ． ８ ～ １ ， 取 m＝ ０ ． ８５ ； 故而光爆层厚 ７００ mm 。 ④ 装药集中度 根据经验 公式 ， 装药集中度计算见式（２）。 qL＝ K１K２mw（２） 式中 m 为炮孔密集系数 ；w 为光爆层厚度 ， 取值 ７００ mm ；K１为与岩石性质有关参数 ， 坚硬岩石取 １ ． ０ ～ １ ． ５ ；K２为与炮孔深度有关参数 ， 一般取 K２＝ ０ ． ５ ， 并随深度增加 。 经计算 qL＝ ０ ． ３ kg／m 。 2 ． 3 炮孔布置图 １） 炮孔深度选择 。 因岩石硬度较大 ， 根据现场 统计 ， 平均每施工一个炮孔的纯凿岩时间为 ２ ～ ３ min 。 在充分发挥凿岩台车优势前提下 ， 保证实现 正规循环作业 ， 炮孔深度取 ２ ． ８ m 。 ２） 每循环炸药量 。 结合施工经验及矿山井巷 工程预算定额选取 q ＝ ２ ． ８ kg／m ３ ； 每循环所需炸 药量 Q计算见式（３）。 Q ＝ qV ＝ qSlη（３） ８１１ 第 ６ 期熊晓晨 凿岩台车施工硬岩矿山巷道钻爆参数设计 式中 q为单位炸药消耗量 ， kg／m ３ ； V 为爆破岩石体 积 ， m ３ ； S 为巷道掘进断面积 ， m ２ ；l 为工作面炮孔平 均深度 ， m ；η为炮孔利用率 ， 取 ９０％ 。 经计算 ， Q＝ ９４ kg 。 ３） 炮孔数目 。 通过公式进行初步估算炮孔数 目 ， 按一个循环的总装药量平均装入所有炮孔的原 则进行计算 ， 见式（４）。 Q ＝ Nla m p（４） 式中 a为每个炮孔的平均装填系数 ， 炮孔里的装药 长度与孔深之比 ， ０ ． ６ ～ ０ ． ８ ；N 为炮孔总数 ， 个 ；m 为每个药卷的长度 ， m ＝ ０ ． ２ m ；p 为每个药卷的质 量 ， p ＝ ０ ． １５ kg 。 经计算 ，N ＝ ６４ 个 。 ４） 炮孔布置图（图 ２）。 炮孔总计 ６１ 个 ， 掏槽 ６ 个 ， 空孔 ５ 个 ， 辅助 ２７ 个 ， 周边孔 ２３ 个（顶孔 ９ 个 ， 帮孔 ８ 个 ， 底孔 ６ 个） ， 与估算结果基本一致 。 2 ． 4 装药设计 １） 装药参数 。 设计采用全断面一次起爆 ， 串联 起爆网路 ， 起爆顺序 掏槽孔 → 辅助孔 → 周边孔 ， 具 体见表 １ ～ ３ 。 ２） 装药结构 。 顶帮孔采用光面爆破 ， 光爆孔间 距 ６００ mm ， 以使巷道轮廓光滑平整 。装药结构为间 隔不耦合装药 ， 孔内敷设导爆索。 掏槽孔和辅助孔、 底板孔采用连续装药结构 ， 装药结构示意图见图 ３ 。 ３） 炮孔堵塞 。 炮孔堵塞可以防止炸药爆炸能 量提前逸失 ， 对提高爆破效果起着至关重要的作用 。 为提高施工效率 ， 采用“封堵灵”进行封堵 ， 封堵灵具 有良好的温度适应能力 、 泡孔结构致密 、收缩小 、 不 变形等性能 ， 发泡 １５ min 后即能达到原始强度指 标 ， 炮孔堵塞要与装药同时进行 。 ４） 联线警戒爆破 。 起爆网络采用并簇连法 ， 按 如下顺序连接 孔内雷管分段 → 周边孔导爆索并接 → 瞬发非电雷管双发簇连 → 单发非电雷管起爆 。 图 2 炮孔布置图 Fig ． 2 Blasthole layout 表 1 爆破原始条件 Table 1 Primitive conditions of blasting 名称数量名称数量 巷道的掘进断面／m２ sp １３sp． ４２炮孔数目／个６１W 岩石坚固系数 f １２ ～ １８sp雷管数目／个７０W 炮孔深度／m２sp． ８总装药量／kg９４W 表 2 炮孔布置及装药参数 Table 2 Blasthole layout and explosive filling parameters 孔号孔名孔数孔深 装药量 单孔小计 卷数／个质量／kg卷数／个质量／kg 起爆联线方式装药结构 １sp中心孔１Y２sp． ８１３sp２sp． ０５１３sp２ ． １５１sp ２ ～ ６sp空孔５Y３sp． ０３sp０sp． ５５１５sp３ ． ７５３sp ７ ～ １１sp掏槽孔５Y２sp． ８１３sp２sp． ０５６５sp１０2． ２５３sp １２ ～ １５ 一圈扩槽孔４Y２sp． ８１２sp１sp． ９０４８sp７ ． ６０５sp １６ ～ １９ 二圈扩槽孔４Y２sp． ８１２sp１sp． ９０４８sp７ ． ６０７sp ２０ ～ ２３ 一圈辅助孔４Y２sp． ８１０sp１sp． ７５４０sp６ ． ４０８sp ２４ ～ ２８ 二圈辅助孔５Y２sp． ８１０sp１sp． ６０５０sp８ ． ００９sp串联反向装药 ２９ ～ ３３ 顶部辅助孔５Y２sp． ８１０sp１sp． ６０５０sp８ ． ００１０ ３４ ～ ３８ 台孔５Y２sp． ８１１sp１sp． ９０５５sp８ ． ７５１０ ３９ ～ ４６ 帮孔８Y２sp． ８５sp０sp． ８５４０sp６ ． ８０１１ ４７ ～ ５５ 顶孔９Y２sp． ８５sp０sp． ８５３６sp７ ． ６５１１ ５６ ～ ６１ 底孔６Y２sp． ８１３sp２sp． ０５７８sp１２2． ３０１３ 总计-６１n---５４７sp９４p- ９１１ 中 国 矿 业第 ２９ 卷 表 3 预期爆破效果 Table 3 Expected blasting effect 名称数量 炮孔利用率／％９０sp 每循环工作进尺／m２B． ５ 每循环爆破实体岩石／m３ { ３３B． ５５ 炸药消耗量／（kg／m３）２B． ８ 每米巷道炸药量／（kg／m）３７V． ６ 每循环炮孔长度／m１７１k． ８ 每平方米岩体耗雷管量／（个／m２）２-． ０８ 每米巷道耗雷管量／（个／m）２８sp 图 3 装药结构示意图 Fig ． 3 Chart of explosive filling structure 起爆前进行安全警戒 ， 警戒距离由以下两方面 确定 。 ① 爆破震动允许安全距离计算见式（５）。 R ＝ （K／V） １ a Q １ ３ （５） 式中 R 为爆破震动安全允许距离 ， m ； Q 为炸药量 ， 延时爆破为最大单段药量 ， 取 ９４ kg ； V 为保护对象 所在地安全允许质点振速 ， 取 １０ cm／s ；K 、a为与爆 破点至保护对象之间地质 、地形条件有关的系数和 衰减指数 ， K 取 １５０ 、a取 １ ． ３ 。 经计算 ， R＝ ３６ m 。 ② 爆破冲击波允许安全距离计算见式（６）。 RK＝ ２５ Q１ ３ （６） 式中 RK为冲击波对掩体内的最小允许距离 ， m ； Q 为炸药量 ， 延时爆破为最大单段药量 ， 取 ９４ kg 。 经 计算 ， RK＝ １１４ m 。 综上所述 ， 爆破警戒安全距离不得小于 １１４ m ， 鉴于安全考虑 ， 警戒安全距离取 ２００ m 。 3 施工质量控制 为防止巷道偏中以及控制超欠挖 ， 减少后期处 理以及出渣量 ， 提高施工质量 ， 特制定标准化凿岩施 工管理办法 。 ① 施工作业前先检查水平管内是否有 气泡 ， 水平管内确认无气泡后方可进行下道工序 ； ② 标准凿岩前先接线绳照中 ， 找出巷道的正中 ；③ 根 据巷道中心线画出巷道两帮位置 ；④ 使用塑料水平 管延伸已施工巷道现有的腰线至掘进工作面 ， 并在 工作面和靠近工作面巷道两帮标记出腰线标高位 置 ；⑤ 根据中线和腰线画出顶孔位置 ， 根据腰线确定 起拱孔位置 ；⑥ 根据巷道掘进爆破设计标记出巷道 轮廓线及其他周边孔位置 。 钻孔时 ， 每个钻孔位置要保证精确 ， 各孔均应垂 直于掌子面且互相平行 ， 周边孔做到“平 、直 、齐 、 准” ， 由于人工操作与凿岩设备原因 ， 周边孔可向外 倾斜 ３左右 ［８］ 。 4 成本分析 方案实施后 ， 施工效率得以提升 ， 劳动强度有所 下降 ， 作业环境以及安全性极大改善 ［９-１０］ 。 同时由 于吴集铁矿岩石坚硬 ， 不仅造成火工品使用量大 ， 而 且设备材料备件消耗也比较大 ， 施工矿石作业面时 ， 每班需要 ２ ～ ３ 个钻头 。另外 ， 由于施工人员的不规范 操作和维修 ， 造成钎杆和油管等消耗也比较大 。 根据 ２０１９ 年第一季度数据统计 ， 施工成本分析见表 ４ 。 表 4 施工成本分析 Table 4 Construction cost analysis 火工品 成本／元 设备备件 成本／元 其他材料 成本／元 人工成本／ 元 单位体积 成本／元 ３０sp３２A２６-２２ １１０ 分析成本 ， 主要是设备备件及其他材料消耗相 对较高 ， 后期通过加强对设备管控 ， 提高台车操作人 员操作技能和设备维修人员维修水平 ， 减少人为因 素对备件材料的消耗 。 同时 ， 通过理论结合实践 ， 优 化炮孔布置及装药参数 ， 降低火工品的消耗 。 5 结 语 通过岩石质量指标 RQD 值对吴集铁矿岩体质 量进行分级 ， 确定吴集铁矿的工程地质条件为中等 偏简单类型 ， 并通过单轴抗压强度确定吴集铁矿岩 石为很硬岩 。 在此基础上 ， 经公式计算和理论推导 ， 确定采用五空孔掏槽 ， 光面爆破主要参数取值分别 是 周边孔间距取 ６００ mm ， 轴向不耦合系数取 ２ ． ９ ， 光爆层厚取 ７００ mm ， 装药集中度取 ０ ． ３ kg／m 。 最 后 ， 通过定额取值和公式计算 ， 确定炮孔总数为 ６１ 个 。 按照先掏槽再辅助最后周边爆破的顺序 ， 对各 类炮孔装药参数进行设计 ， 得出总装药量 ９４ kg ， 炸 药单耗 ２ ． ８ kg／m ３ ， 并对不同种类炮孔的装药结构和 炮孔堵塞进行说明 ， 最后按照规程对警戒距离进行计 算 ， 得出警戒安全距离为 ２００ m 。最后 ， 对巷道施工质 量控制提出具体操作流程 ， 并对凿岩台车施工成本 进行分析 ， 得出单位体积成本为 １１０ 元 。 参考文献 ［ １ ］ 苏廷志 ． 硬岩巷道中深孔光面爆破技术研究和应用 ［D］ ． 淮 南 安徽理工大学 ， ２００７ ． ［ ２ ］ 宋嘉栋 ， 周爱民 ， 林卫星 ， 等 ． 李楼-吴集铁矿井下大型采场开 采过程中稳定性参数研究报告［R］ ． 长沙 长沙矿山研究院有 限责任公司 ， ２０１５ ． （下转第 １２６ 页） ０２１ 中 国 矿 业第 ２９ 卷 Coal Society ， ２０１８ ， ４３（１１） ３０１６-３０２２ ． ［１０］ 林柏泉 ， 李子文 ， 翟成 ， 等 ． 高压脉动水力压裂卸压增透技术及 应用［J］ ． 采矿与安全工程学报 ， ２０１１ ， ２８（３） ４５２-４５５ ． LIN Baiquan ， LI Ziwen ， ZHAI Cheng ， et al ． Research on relief and permeability-increasing technology based on high pres- sure pulsating hydraulic fracturing and its application ［J］ ． Journal of Mining Safety Engineering ， ２０１１ ， ２８（３） ４５２-４５５ ． ［１１］ 翟成 ， 李贤忠 ， 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