分次分段掘进爆破技术在复杂破碎岩体中的应用

李龙福 方建国 汪 禹 江东平

(马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司,安徽 马鞍山 243000)

在破碎岩体中如何安全高效地采用爆破法开掘平巷、斜坡道、斜井或竖井等石方工程是爆破工程技术人员需要面对的关键问题,虽然在工程掘进过程中遇到的围岩条件千差万别,但是对于工程岩体开掘的控制目标是一致的,即在围岩条件比较差的情况下实现安全高效地掘进岩体[1-8]。为此,众多科研技术人员进行了一系列的研究工作,如任建平等[9]通过工业试验研究软碎矿岩条件下矿体的倒台阶分次落矿和光面控顶技术,针对矿岩参数设计爆破参数,在降低炸药单耗的同时,提高了炮孔利用率并且减少了每循环炮孔数目,爆破后界面平整;汪学清等[10]通过计算分析和工程类比法在实践中不断修正爆破参数,得到了适合在破碎的软岩巷道掘进中使用的光面爆破参数及相应的安全技术措施;王怀勇等[11]针对某多金属矿床中存在的破碎岩体巷道掘进开展了光面爆破试验研究,取得了较好的巷道掘进质量;马元磊等[12]在分析光面爆破参数选取方法的基础上制定了可安全通过断层破碎带的光面爆破试验方案,有效地维护了围岩的稳定性、解决了爆破后容易冒顶的问题;杨闯等[13]采用导硐法结合光面爆破技术进行巷道掘进,提高了巷道壁面的平整度、循环进尺和半孔率,爆破后围岩稳定性良好。

以上研究主要是针对在特定的工程岩体条件下所取得的技术成果,对其他类似岩体开挖工程的适用性还有待修正,因此,本研究在借鉴前人的研究方法与成果的基础上,开展研究适合在某金属矿山复杂破碎岩体中如何安全高效地开掘斜坡道的爆破方法。

1 工程概况

某地下金属矿山辅助斜坡道掘进处于强风化闪长岩及中风化闪长岩中,断层、节理裂隙发育,岩体破碎,受地表水系影响,地下水较大,属于大水矿山,在其中开挖岩体易发生坍塌。在斜坡道掘进过程中出现岩体质量时好时差,常在工作面中出现顶板与底板、左帮与右帮岩体质量差异较大,斜坡道爆破成型控制难度比较大,加上开挖面渗水严重,进一步增加了施工的难度,有时甚至无法正常钻孔爆破,岩体质量呈现出复杂多变性特征,工程地质条件属复杂型。

由于斜坡道地质条件复杂,岩体结构性差、节理裂隙发育等原因,前期采用常规爆破方法掘进导致超欠挖现象较为普遍,最严重一次顶板垮塌高度达8 m(如图1所示),由此增加了排险和支护工作量,影响施工进度和成本,针对这一工程情况,需要制定出一套适合本工程的爆破技术与施工技术措施。在斜坡道施工中常出现顶板岩体质量较差而腰线以下岩体质量较好的情况,故本项目主要针对这一工程情况进行爆破技术方案研究。

图1 顶板垮塌Fig.1 Roof collapse

2 技术方案设计

参考文献[14]中有关在破碎软岩中的爆破掘进方法,结合本工程的特殊地质条件,总结形成了“反向台阶法+导硐法+预留光爆层”的分次分段爆破掘进技术,该技术的基本思路为将整个斜坡道断面分3次爆破,即先爆破起拱线以下台阶部分Ⅰ→再爆破中间的导硐部分Ⅱ→最后爆破预留的光爆层部分Ⅲ,分次爆破区域如图2所示。

图2 分次爆破区域(单位:mm)Fig.2 Division blasting area

该爆破技术的关键之处是先将岩性较好的斜坡道下部岩体进行爆破,提前预留出足够厚度的缓冲岩体来保护顶板,待爆破后视上部岩体崩落情况再进行中间导硐部分岩体的爆破,然后根据导硐部分岩体爆破后实际留下的光爆层厚度和围岩情况调整光爆层部分岩体的爆破参数,最后同时起爆光爆层炮孔。这样做的好处就是可以使爆破出来的巷道帮壁岩面平整,断面轮廓尺寸符合设计要求,有利于控制顶板岩石的冒落以及维护围岩的完整性,从而有利于充分发挥围岩自身的承载能力。

2.1 反向台阶爆破参数的确定

(1)掏槽方式确定。采用直孔菱形掏槽,共布置5个掏槽孔,中间1个为空孔,左右炮孔间距200 mm,上下炮孔间距300 mm,掏槽孔布置在下部台阶岩体的中心偏下处,炮孔深度2.3 m。

(2)辅助孔布置。辅助孔以掏槽孔为中心成三角形布置在下部台阶,排距368～598 mm,共布置辅助孔14个,孔深2.1 m。

(3)周边孔布置。周边孔布置在斜坡道断面的轮廓线上,轴线偏斜量控制在100～150 mm之间,孔间距600 mm,抵抗线700 mm,周边孔共8个,孔深2.1 m。线装药密度取0.2 kg/m。

台阶爆破炮孔布置见图3,爆破参数见表1。

2.2 光爆层爆破参数的确定

周边孔光面爆破的关键参数是确定最小抵抗线(即光爆层厚度)、周边孔间距、周边孔不耦合装药结构参数等。爆破时应使贯穿裂缝尽快地在炮孔间形成,以使光爆层能够快速地脱离被保留岩体,同时减轻爆生气体对围岩中原有裂隙产生的有害扩展作用。

根据文献[15],周边孔间距一般取400～600 mm,岩体质量差时取小值,岩体质量好时取大值。同时为保证爆破后巷道壁面平整不产生超欠挖,光爆孔的孔口应布置在掘进断面的轮廓线上且炮孔轴线稍向断面轮廓线外偏斜,偏斜量控制在100～150 mm之间,这样做还可以预留出凿岩设备工作时所需要的作业空间。

最小抵抗线(即光爆层厚度)约为10～20倍的周边孔的孔径,所以光爆层的厚度取值为420～840 mm。根据文献[12]与[15],要取得较好的光面爆破效果,周边孔的孔距与最小抵抗线的比值应在0.8～1.0之间,岩石硬度大时取大值,硬度小时取小值。

由于炮孔孔径与药卷直径受现场条件限制已经确定(炮孔直径42mm、药卷直径32mm),因此,周边孔不耦合装药只需确定轴向不耦合装药的参数,在炮孔直径为42 mm左右时,线装药密度一般取值为0.1～0.3 kg/m,岩石硬度大时取大值,硬度小时取小值。

结合本工程围岩条件,光爆层周边孔间距取450 mm,最小抵抗线(即光爆层厚度)取600 mm,线装药密度取0.1 kg/m。光爆层炮孔布置如图3所示,爆破参数见表1。

图3 炮孔布置(单位:mm)Fig.3 Layout of blasthole

表1 爆破参数Table 1 Blasting parameters

2.3 导硐部分爆破参数的确定

掘进断面中间导硐部分的炮孔布置见图2所示,孔深2.1 m。分2次起爆,第一次起爆27号孔,第二次起爆28～35号孔,炮孔布置如图3所示,爆破参数见表1。

2.4 起爆网路的确定

斜坡道全断面采用分次分段微差爆破方式,即爆破网路的起爆顺序为:先爆破Ⅰ区域→再爆破Ⅱ区域→最后爆破Ⅲ区域,每个区域均采用毫秒雷管微差起爆。起爆网路如图4所示。

图4 分次分段微差起爆网路Fig.4 Segmental millisecond detonation network

2.5 爆破效果分析

爆破技术方案确定后,在现场进行了多组试验,试验爆破技术指标见表2。

表2 爆破技术指标Table 2 Blasting technical indicators

(1)爆破后围岩界面比较平整,超挖量控制在15 cm以下,无欠挖;尤其是在顶板位置,周边孔孔痕率达到65%以上(如图5所示),有效减弱了爆炸冲击对顶板围岩的破坏作用,同时减少了排险和支护工作量,进而降低了施工成本。

图5 光爆层爆破效果Fig.5 Blasting effect of light blasting layer

(2)从爆破技术指标表2中可以看出,该爆破技术方案起到了增加循环进尺、提高炮孔利用率、降低炸药单耗的作用,基本上达到了预期的爆破效果。

3 技术方案的应用扩展

此项爆破技术方案试验成功后,可在本矿山类似的工程点进行推广应用,特别是在地质条件变化处,均可采用相同的设计理念,采取分次分段实施爆破的方法控制围岩爆破成形。

在施工过程中亦可根据围岩条件的变化进行爆破参数和爆破方式的调整,例如在施工过程中出现巷道左右两帮围岩质量差异较大时,可采取先爆破围岩质量较好的那部分岩体,在巷道对侧预留出光爆层,待围岩质量较好的那帮岩体爆破后再爆破预留的光爆层,即可有效控制巷道成形。有时遇到的围岩更加松软破碎,存在自行塌落的可能性时,可以采取加密布置周边眼以减少单孔装药量甚至是采用不装药的方式配合非爆破方式开挖以达到控制巷道成形的目的,最大程度地保护预留岩体。

4 结 论

(1)针对本工程特殊的围岩地质条件,设计了分次分段的光面爆破技术方案,在同一断面不同区域设计不同的爆破参数。爆破后巷道界面比较平整,超挖量控制在15 cm以下,无欠挖;在顶板位置周边孔孔痕率能达到65%以上,有效减弱了爆炸冲击对顶板围岩的破坏作用,减少了排险和支护工作量,进而降低了施工成本。若对顶板围岩及时进行喷浆支护,有利于充分发挥围岩的自稳能力,以减少后期巷道的维护工作量。

(2)在围岩条件变化处,本项目也进行了技术扩展应用,同样是采取分次分段光面爆破最后修边的方式来控制巷道成形。在具体施工过程中可结合如加密布置周边眼以减少单孔装药量甚至是采用不装药的措施来达到控制巷道成形的目的。