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中图分类号 U D C T D 2 3 5 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 地下铝土矿山超前探测及巷道光面爆破技术研究 T e c h n o l o g yR e s e a r c ho nA d v a n c e dD e t e c t i o na n d R o a d w a y S m o o t hB l a s t i n gi nU n d e r g r o u n dB a u x i t eM i n e 论文答辩日期趔 』[ 形 梅慧浩 矿业工程 安全技术及工程 资源与安全工程学院 苗．平 日I 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 3 年5 月 行 、 系师名业向＼／师教姓专方0 教导糙特舫院撒特作学研学指副 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名毖毯造日期j 丝L 年1 月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名毖堡渣导师期业年土月卫E t 硕士学位论文A B S T R A C T T e c h n o l o g yR e s e a r c ho nA d v a n c e dD e t e c t i o na n dR o a d w a y S m o o t hB l a s t i n gi nU n d e r g r o u n dB a u x i t eM i n e A b s t r a c t S m o t hb l a s t i n gh a sb e e nc o m m o n l yu s e di nr o a d w a ye x c a v a t i o n ， w h e r e a s ，o w i n g t ot h e c o m p l e x i t y o ft h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dt h e u n c e r t a i n t yo fs e l e c t e db l a s t i n gp a r a m e t e r sa n d b l a s t i n ge q u i p m e n t ，i to f t e na p p e a r su n s a t i s f a c t o r yb l a s t i n ge f f e c t si n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ．A c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o no fr o a d w a y e x c a v a t i o ni nb a u x i t em i n e ，t h et h e o r yo fs m o o t hb l a s t i n g 、p a r a m e t e r s d e s i g n ，b l a s t i n gt e c h n o l o g ys o l u t i o n sa n dr a p i de x c a v a t i o nt e c h n o l o g y w e r es t u d y e db yt e c h n i c a lm e a n so ft h e o r e t i c a ls t u d i e s ．n u m e r i c a l a n a l y s i sa n db l a s t i n gt e s ti nm i n e ． F i r s to fa l l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sw a v eb e t w e e na d i a c e n tb l a s t h o l e s ，t h ef o r m a t i o nc o n d i t i o n so fr a d i a lc r a c k ，t h em e c h a n i s ma n d p r o c e s so fp e r i p h e r yh o l eb r e a k t h r o u g ht of o r mt h ec r a c k sw e r ea n a l y z e d i ne x p l o s i o ns t r e s sw a v et h e o r y ．A c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fd e c o u p l e d c h a r g i n g ，r o c kb r e a k i n gp r o c e s si nc o n d i t i o no fd e c o u p l e dc h a r g i n gw a s a n a l y z e d ，t h e o r e t i c a lf o r m u l ao fd e c o u p l e dc h a r g i n gc o e f f i c i e n t ， p e r i p h e r yh o l es p a c i n ga n do t h e rb l a s t i n gp a r a m e t e r sw e r es t u d i e d ． B l a s t i n gs c h e m eo nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tm i n i m u mb u r d e n sw e r e a n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e A N S Y S ／L S ．D Y N A ．t h es e l e c t i o nb a s i so fm i n i m u mb u r d e n si nb l a s t i n g s c h e m ew e r ep r o v i d e df r o mt h ea n g l e so fo v e r b r e a ka n du n d e r b r e a k c o n t r o la n dr e d u c i n gt h ed e s t r u c t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k ． O nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o no fm i n i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h e s t r u c t u r eo ft h e u n d e r g r o u n dr o c kf o r m a t i o n sw e r e d e t e c t e dw i t h e l e c t r o m a g n e t i cp r o s p e c t i n gi n s t r u m e n tE M R S 一3 ．t h ed i s t r i b u t i o na r e a s o fv a c a n tp l a c ea n df a u l tw e r ef o u n do u t ，s o m ev a l u a b l eg u i d a n c e sc o u l d b ep r o v i d e df o rs u b s e q u e n tc o n s t r u c t i o nw o r k ．T h ec u r r e n ts i t u a t i o no f b l a s t i n gw a si n v e s t i g a t e d ，t h ee f f e c ta n dt e c h n i c a ld e f e c t so fc u r r e n t b l a s t i n gt e c h n o l o g yw e r ea n a l y s e d ，t h ed i r e c t i o no fd e s i g n i n ga p p l i c a b l e b l a s t i n gs c h e m ew a sp r o v i d e d ．M a s s i v er u b b l e sw e r ec o l l e c t e d ，s t a n d a r d t e s tp i e c e sw e r ep r o c e s s e d ，r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db y i n d o o rm e c h a n i c a lt e s t s ．t h ef o u n d a t i o no fs u b s e q u e n tb l a s t i n gp a r a m e t e r s d e s i g nw a se s t a b l i s h e d ． I l l 硕士学位论文A B S T R A C T C o m b i n e dw i t ht h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fb a u x i t er o a d w a y , c u t t i n gf o r m ，l a y o u to fb l a s th o l e s ，d e t o n a t es e q u e n c ea n do t h e rb l a s t i n g t e c h n o l o g y w e r e d e s i g n e dc a r e f u l l y , c o m p l e t eb l a s t i n gt e c h n o l o g y p r o g r a mw a sf o r m u l a t e d ．R a p i de x c a v a t i o np r o g r a mw a sd e s i g n e df r o m t h ea n g l e so fe q u i p m e n ts e l e c t i o n ，b l a s t i n gt e c h n o l o g y ，l o a d i n ga n d t r a n s p o r t a t i o n ，s u p p o r ta n dl a b o ro r g a n i z a t i o n s ．E x c a v a t i o nt e s tw a s t a k e ni nm i n er o a d w a y ．I ti ss h o w nt h a tc i r c u l a t i n gf o o t a g ew a si n c r e a s e d ， t h ec o n t r o lo fo v e r b r e a ka n du n d e r b r e a kw a si m p r o v e d ，t h eb l a s t i n g m a t e r i a l sw a sr e d u c e d ，t h es p e e da n de f f e c to fe x c a v a t i o nw a si m p r o v e d ， t h et i m eo fm i n ei n f r a s t r u c t u r ew a ss h o r t e n ，g o o de c o n o m i ce f f e c tw a s o b t a i n e d ． 4 7g r a p h s ，2 3t a b l e s ，9 8r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s s m o t hb l a s t i n g ，d e c o u p l e dc h a r g i n g ，m e c h a n i c a lt e s t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r a p i de x c a v a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 2 35 I V 硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究课题的选择依据和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外光面爆破的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 本文的研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 光面爆破技术原理及爆破参数理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 光面爆破的技术特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 岩石爆破破碎理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．3 光面爆破成缝机理探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1 相邻炮孔应力波作用特点分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．2 径向裂纹的形成条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．3 爆生气体准静压促使周边眼贯通形成裂缝⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 不耦合装药的技术分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．4 ．1 不耦合装药的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 ．2 不耦合装药的破岩过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 ．3 不耦合装药的炮孔壁面压力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．5 周边孔爆破参数理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．5 ．1 装药不耦合系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 ．2 周边孔间距E ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．5 ．3 最小抵抗线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 ．4 周边孔密集系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 矿区地质条件及超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．1 矿区地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．1 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．2 工程岩体质量分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 瞬变电磁仪超前探测试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．1 数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．2 数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．3 勘探结果总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 矿区典型岩石室内力学实验与研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．1 岩石取样及加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 试样物理参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 抗压强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4 抗拉强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 矿山巷道光面爆破及快速掘进实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 ．1 矿山爆破掘进现状调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 V 硕士学位论文 目录 5 ．2 光面爆破设备及材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．1 钻孔设备及炮孔直径、深度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．2 爆破炸药的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 掏槽方式及爆破参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 。1 掏槽方式的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 ．2 掏槽参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 周边孔装药参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．1 周边孔不耦合装药系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．2 周边孔炮孔间距和最小抵抗线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 ．3 装药结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 ．4 周边孔的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．5 炮孔布置及起爆顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．5 ．1 炮孔布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．5 ．2 起爆顺序及时间间隔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．6 结合地质条件对爆破方案的修正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．6 ．1 节理发育的地段爆破参数修正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．6 ．2 穿过断层时掘进方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．6 ．3 考虑水害的掘进方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．7 快速掘进技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．7 。1 快速掘进的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．7 ．2 实现快速掘进的技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．8 光面爆破及快速掘进效果及技术关键⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．8 ．1 光面爆破及快速掘进效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．8 ．2 本次光面爆破方案的技术关键⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 3 攻读硕士学位期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 V 1 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究课题的选择依据和研究意义 采矿业在国民经济建设中起着重要的作用，在地下采矿工程中的巷道以中、 小断面为主，水平巷道的掘进工程量占井巷工程的9 0 ％，其施工工期占井巷工程 工期的6 0 ％，巷道的开挖是通风、运输、开采等工作开展的前提，巷道开挖质量 的好坏直接影响着后续工作的顺利程度及施工速度。因此，提高巷道的掘进速度 和掘进质量对于加快矿山基础建设，提高矿山生产的经济效益具有重要意义。 我国巷道掘进主要采用两种方法钻爆法和机掘法，由于钻爆法可根据开挖 尺寸和地质条件随时调整爆破设计，对地质地形条件适应性强，操作灵活，开挖 成本低，因此，钻爆法目前仍是我国水平巷道开挖的主要施工方法。为了保证爆 破后巷道断面平整、光滑，爆破方法多选择光面爆破或预裂爆破。虽然光面爆破 技术广泛的应用在巷道掘进中，但关于光面爆破基本原理、爆破作用机制、裂纹 扩展等方面的研究还不太清楚。由于岩体结构的复杂性和炸药破岩机制的不确定 性，以及基础参数选取的随意性，现有的爆破参数理论计算公式的适用性有限。 关于光面爆破的几个重要参数，仍然没有得到公认的求解公式，参数选择具有随 意性。这样确定的爆破参数与不同地质条件下的合理参数就存在一定的误差，最 终出现光面爆破效果不理想的情况。 结合爆破施工的地质条件，采用准确的爆破参数和合理的爆破施工技术可以 将巷道的超欠挖量控制在可以接受的水平。爆破形成的巷道轮廓面实现平整、光 滑，同时对巷道的围岩扰动小。因此关于光面爆破理论参数和施工技术的研究具 有重大的经济效益，还需开展进一步的深入研究。 三门峡铝土矿区目前处于基建期，井下不同地段围岩种类和性质有较大差 异，围岩条件复杂，局部地段节理、裂隙发育，并有涌水现象。同时靠近地表区 域民采现象严重，分布有形状、大小不一的空区。矿山目前采用钻爆法进行巷道 掘进，但采用的爆破掘进方案并未严格按照光面爆破的技术要求进行施工，掏槽 孔和周边孔设计不合理，造成循环进尺少，掘进速度低，已掘巷道超欠挖现象严 重，巷道轮廓面不平整，支护成本较高，亟需研究和采用新的爆破技术方案来改 善爆破效果，同时需对巷道掘进相关的设备选型、支护方案、劳动组织等进行精 心设计，以期降低掘进成本，提高掘进速度。 因此，本文以理论计算和数值模拟为研究手段，对光面爆破的技术原理、不 耦合装药理论、爆破参数设计等开展深入的研究，结合矿山开拓的实际地质条件， 深入矿山现场获取岩石的基础力学参数，对光面爆破参数的计算和选取进行分 硕士学位论文 1 绪论 析，对巷道掘进的光面爆破技术进行针对性研究，从而提高光面爆破的爆破效果。 并对影响巷道掘进速度的因素进行综合性分析，从钻眼机具、装岩运输、支护、 劳动组织等方面选择适合矿山掘进实际的机械设备及管理技术，提高矿山的掘进 速度，降低施工成本，进而使光面爆破、快速掘进技术能有更多的理论支撑，能 更有效的应用于生产实践，提高光面爆破的爆破质量，加快水平巷道的掘进速度， 提高矿山生产的经济效益。 1 ．2 国内外光面爆破的研究现状 2 0 世纪5 0 年代初期，瑞典的哈格卓普 H a g t h o r p e 、基尔斯特罗姆 k i n h l s l T o m 等人在岩石隧道中进行爆破试验，爆破后形成了光滑的开挖面， 超欠挖控制效果良好，当时称为“S m o o t hB l a s t i n g ”。很快这项技术传到挪威、 加拿大和美国，此后，光面爆破技术在国外的矿山、隧道等得到了广泛应用，并 得到了许多学者的改进和完善。日本的滕山邦久【l 】对导向孔沿空孔方向以外生成 裂缝的导向作用进行研究，发现了爆破效果与装药孔与空孔间的距离有紧密联 系。此外，J ．- P ．L a t h a m 等叫】通过试验对不同岩石的可爆性、爆破效果进行了分 析，S m i t h ，P ．D ．【5 】和M a t s u m o t o ，S [ 6 I 采用数值模拟的方法对爆破后应力波的传播 规律进行了分析研究。此外，很多学者从不同的角度，采用不同的研究方法，对 光面爆破的理论、参数设计、施工技术等开展了卓有成效的研究，提出了新的观 点和思想【7 _ 1 1 1 。 2 0 世纪6 0 年代光面爆破技术传到我国，并在矿山、隧道等领域逐步得到应 用，这在改善爆破效果、提高掘进速度和质量方面取得了显著成效。在引进国外 技术的同时，我国学者也对光面爆破技术从不同的角度进行了深入的分析和改 进。 王文龙等[ 1 2 q 5 ] 系统的介绍了岩石爆破的理论及光面爆破的基本概念及施工 规范，为后人深入开展光面爆破技术优化及参数计算奠定了基础。 1 掏槽方式和掏槽参数的研究 张奇[ 1 6 q 7 ] 对光面爆破掏槽方法中直线掏槽的爆破效果进行研究，分析了直线 掏槽爆破效果的影响因素，并对直线掏槽的参数设计进行了优化。李启月【1 8 1 运 用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件，模拟了掏槽孔与不同直径空孔的爆破破碎过程，对 直线掏槽爆破的应力分布规律进行了分析，得出了空孔在掏槽爆破中提供自由面 以及对岩石破碎的导向作用，为直线掏槽爆破中空孔大小的选取提供了参考。林 大能【l 圳对掏槽眼破碎形成空腔的动态过程进行分析，建立了爆破形成空腔的模 型，得出了空腔尺寸的理论计算方法。东兆星[ 2 0 - 2 1 1 通过现场实测，并利用模糊综 合评价方法对矿山巷道爆破掘进中常用的掏槽方法进行优化评价，分析了在不同 2 硕士学位论文1 绪论 的断面形状，岩石性质下采用掏槽方式的依据。单仁亮，李萍等阱‘2 3 】对准直眼掏 槽和渐进螺旋掏槽等掏槽方式迸行研究和参数计算，通过改进掏槽方式提高了掏 槽效果。陈士海，李新平等【2 4 ．2 5 】在矿山现场进行中深孔爆破试验，对双螺旋掏槽 爆破的效果进行研究，提出了适合于中深孔爆破的掏槽方式，并对掏槽参数进行 设计，为中深孔爆破等类似工程提供了参考。戴俊等[ 2 6 珊】利用理论分析或数值模 拟的方法对掏槽方式的选择、直眼掏槽爆破机制、爆破漏斗的形成机理等进行研 究，为判断掏槽的合理性、优化选取爆破技术参数提供了参考依据。 2 不耦合装药的理论和数值模拟研究 费鸿禄【2 9 】在早期开展了不耦合装药系数的研究，介绍了不耦合装药对改善 光面爆破效果的作用并对不耦合系数的选取提供了依据。宗琦【3 0 - 3 1 ] 对水作为不耦 合介质对水垫层装药技术进行研究，并在煤矿现场开展了爆破试验，验证了水作 为不耦合介质在煤矿巷道爆破中的应用效果。宗琦【3 2 】根据波在界面上发生反射 和折射的原理，探讨了耦合装药与空气和水作为不耦合介质的不耦合装药这三种 不同的装药结构对爆炸能量传递的影响，提出了适用于不同爆破要求的装药方 式。宗琦【3 3 】通过研究炸药的爆破原理，分析了在不耦合装药条件下爆生气体的 准静压力，并提出了为获得理想光面爆破效果，装药结构参数应满足的三个条件， 提出了计算不耦合系数和周边孔间距的计算方法，并以工程实践来验证该装药结 构中参数选取的合理性。 赵建平等【3 4 瑚】通过混凝土试验或采用动力有限元软件A N S Y S ／L S D Y N A ， 对空气间隔径向不耦合装药条件下岩石破坏机理进行研究，分析了不耦合装药爆 炸时岩石应力、振动速度的衰减规律以及与不耦合系数间的关系，提出了最佳不 耦合系数的计算方法，研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指 导意义。 3 不同地质条件下的爆破技术研究 宗琦p 9 1 分析了在软岩中进行光面爆破岩石的破坏特征，指出软岩中的软弱 带在裂纹形成过程中的导向作用及软岩中裂隙泄逸和吸收能量的负面作用，提出 了在软岩巷道中进行光面爆破炮眼间距、光爆层厚度、装药结构等爆破参数的计 算方法，为软岩巷道的爆破参数设计提供了计算依据。陆鹏举f 4 0 】通过对炸药爆 轰理论进行分析，深入研究了软岩的光面爆破原理，并对爆破参数进行了理论分 析，并提出了软岩巷道光面爆破的施工技术，为软岩巷道光面爆破施工提供了有 益的参考。丁黄平【4 1 1 根据节理、裂隙在岩体中的降低力学性能和改变破坏形式 等方面的作用，研究了节理裂隙对隧道爆破成型效果的影响作用，利用 A N S Y S ／L S ．D Y N A 模拟不同产状节理岩体在爆炸荷载作用下的破碎过程，研究 爆破成型的效果，并通过工程实践来研究节理裂隙发育岩体进行光面爆破的关键 3 硕士学位论文 1 绪论 技术。 陈国良[ 4 2 】运用爆炸应力波和岩石断裂力学理论，推导出了周边眼的设计参 数，并通过在不稳固岩层中开展光面爆破现场工业试验，优化了在不稳固岩体掘 进的螺旋掏槽方式和光爆参数，为在不稳固岩层中优化爆破方案，合理设计爆破 参数，改进爆破效果提供了有价值的指导。 4 考虑损伤条件下的爆破参数研究 付玉华[ 4 3 】考虑较大的地应力和岩石损伤对爆破参数设计的影响，通过对深 部巷道原岩应力场、光面爆破机制和损伤特征进行分析，提出了在考虑损伤因素 下，深部岩体巷道光面爆破参数的计算方法，并经现场工业实验验证爆破效果良 好，适用于复杂多变的岩体环境。张惠聚【删考虑掏槽孔和辅助孔爆破后导致光 爆层岩石的损伤对周边孔光面爆破参数的影响，推导出了考虑主爆孔对光爆层损 伤的光面爆破参数。并对损伤参数的各种计算方法进行比较，优化了参数量值， 并通过实际工程证明了该计算方法的适用性。刘红岩H 5 1 ，杨军【4 “7 】也分别对损 伤机理和岩石爆破损伤的模型开展深入研究，探讨了爆破损伤模型的发展趋势。 杨小林【4 9 】设计不同的爆破条件，并在岩石中进行模拟试验，得到了在不同的爆 点距离情况下爆破对岩石损伤的作用规律，并对爆破损伤岩石的细观裂纹扩展规 律及其损伤特性进行分析。 5 爆破数值模拟的载荷施加方法研究 罗伟【5 0 】以工程实际为背景，运用A N S Y S ／L S ．D Y N A ，选择不同长度的炮泥 堵塞炮孔，并建立了有限元模型，通过对重要区域的应力大小进行研究，获得了 最优的炮孔堵塞长度，为爆破数值计算提供了借鉴和参考。在采用数值模拟方法 对爆破机理进行研究时，爆破载荷的旌加方法是重要的一步，张玉成，许红涛1 5 卜5 2 J 比较了目前爆破荷载数值模拟中不同施加荷载方法的优缺点，利用圣维南荷载等 效原理，提出了爆破荷载的等效施加方法，并将采用该等效施加方法的分析结果 与现场实测结果进行比较，说明等效荷载施加分析方法的合理性，该方法为爆破 振动动力问题数值分析提供参考。 张型5 3 ] 分析了影响快速掘进的几个因素，并提出了实现快速掘进的技术措 施，通过在岩巷的掘进施工实践，为快速掘进提供了技术参考。曲广龙[ 5 4 ] 通过 对巷道支护方案进行设计，并研究了岩巷掘进综合配套设备，提高了岩巷的掘进 速度和效益。 随着国内外对光面爆破技术开展丰富的理论研究，光面爆破技术得到了广泛 的应用，随着光面爆破技术的逐步推广，国内外相继制定了光面爆破的基本行业 技术规范，为光面爆破参数的选取提供参考标准。目前，国内外通用的光面爆破 参数表见表1 ．1 。 4 硕士学位论文 1 绪论 表1 ．1 国内外光面爆破参数设计考列表 1 ．3 本文的研究内容和技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 本文在前人对光面爆破及快速掘进进行研究的基础上，通过理论研究、数值 分析、现场爆破施工试验等技术手段，对以下内容开展研究 1 运用爆炸应力波理论，分析相邻炮孔应力波作用特点、裂纹的形成条 件及周边眼爆破裂缝扩展的机理及过程。 2 对不耦合装药的破岩过程进行分析，研究不耦合装药孔壁初始压力和 爆生气体的准静压力，并根据不耦合装药理论，研究装药不耦合系数、周边孔间 距等爆破参数的理论计算公式。 3 利用动力有限元软件A N S Y S ／L S ．D Y N A ，对不同光爆层厚度的爆破方 案进行数值模拟研究，分析光爆层厚度对光面爆破效果的影响，从控制超欠挖和 减少对巷道围岩破坏的角度为爆破方案设计中光爆层厚度的选取提供依据。 4 在矿山现场进行工程地质调查，对矿山工程岩体进行质量分级，并在 矿上现场选取测量范围，利用瞬变电磁仪探测地下岩层的结构，探明空区的分布 区域及范围，为巷道掘进提供超前探测依据。 5 在矿山现场进行岩石取样，制各成岩石试件，根据岩石力学实验规范， 开展室内力学试验，获取岩石的力学参数。在矿山现场进行爆破现状调查，根据 围岩条件掌握现用爆破方案的参数选取、爆破效果，分析现用爆破方案存在的技 术缺陷，为合理设计适用的爆破方案指导方向。 ’6 结合铝土矿山巷道的地质情况，根据巷道围岩的基本力学参数及爆破 5 硕士学位论文 1 绪论 参数计算公式，求得爆破参数具体量值，并对掏槽方式、炮孔布置、起爆顺序等 爆破施工技术进行精心设计，制定完整的爆破技术方案。 7 从设备选型、爆破技术、装岩与运输、支护和劳动组织方面分析影响 快速掘进的因素，并考虑以上因素设计快速掘进方案，并在矿山选择试验巷道进 行掘进试验，分析光面爆破及掘进的试验效果。 1 ．3 ．2 技术路线 图1 - 1 拟采取的技术路线 6 硕士学位论文 2 光面爆破技术原理及爆破参数理论分析 2 光面爆破技术原理及爆破参数理论分析 2 ．1 光面爆破的技术特点 在井巷掘进中采用光面爆破技术具有以下优缺点 1 爆破后的开挖轮廓面成型规整，符合设计轮廓。能够减少通风阻力和 出渣、装渣工作量，控制超欠挖，提高爆破安全质量，并为巷道支护创造有利条 件，节省支护材料和支护工作量。 2 对开挖轮廓周边围岩的炮震扰动范围小，在围岩中产生的震动裂隙较 少，在裂隙发育的地段，可有效降低原有裂隙对爆破质量的影响，对围岩强度破 坏不大，可明显的降低因应力集中而引起的落石、塌方和危险断面等现象，有利 于保证施工安全。 3 能够减少爆破后的排险时间，提高施工进度，在地质条件不好的地段， 这种效果更加明显，更有必要采用光面爆破技术。 4 钻凿的炮眼数比普通爆破法多，要求钻眼精度高，需要准备一些专用 的爆破器材，如毫秒雷管、专用的炸药、传爆线等。 2 ．2 岩石爆破破碎理论 研究炸药的破岩机理是一项非常复杂的工作，目前尚不能形成一套系统的爆 破理论作为分析和计算的依据，但随着理论研究的深入和现场试验的广泛开展， 同时检测仪器和数值模拟软件的研发，对炸药在岩石中爆破的作用原理研究逐渐 深入，这些研究在一定程度上反应了炸药的破岩机理[ 5 5 】。 由于人们研究问题的方向和方法不同，形成了不同的研究结论，目前关于岩 石破碎的机理可归纳总结为以下三种观点 1 爆炸应力波反射拉伸作用理论 该理论认为爆炸应力波经自由面反射后形成拉伸波，拉伸波对岩石产生拉应 力，拉应力大于岩石的抗压强度而导致岩石的破碎 见图2 ．1
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