大硐室中深孔爆破掘进技术研究与应用

邵明伟

（紫金矿业建设有限公司）

大硐室施工存在断面大、长度短、大型机械设备难以进入工作面等缺点，导致大硐室工程施工难度非常大。为了解决大硐室的掘进问题，矿山技术人员对大硐室施工技术进行了探索和研究。目前存在以“上下导硐、天井溜渣、先拱后墙、分层开挖”为代表的大型硐室快速传统施工技术［1-12］，取得了不错效果，传统方法具有灵活性好和适应性强等特点，但是存在组织要求严密、安全管理要求高等问题。机械化快速施工技术以螺旋斜坡道导硐方案［13］和单向斜坡道导硐方案［14-15］为代表。

在中深孔施工大硐室方面，宋肖杰［16］介绍了博伦矿业利用中深孔应用快速施工大硐室，较采用常规方法工期缩短50%以上，成本降低率35%以上，效果显著。本文依托采矿工程设计和中深孔采矿技术，将硐室内的岩体看作待开采的矿体，通过精细采矿，将硐室内的岩体回采出来，主要采用优化工程设计和工程实践验证的方法对大硐室掘进进行优化。此外随着装备制造业的进步，只要克服相关技术问题，此项技术研究将会拓宽中深孔爆破技术的应用范围和丰富大硐室的施工技术。

1 大硐室中深孔爆破掘进技术探索

由于硐室工程要求的超欠挖限定值非常严格，硐室内作业空间有限，所以限制了大型设备在硐室施工中的应用，随着装备制造业的升级和中深孔爆破技术的成熟应用，中深孔爆破技术的应用范围越来越广，但是仍存在3 个问题：①多种原因造成的拉槽爆破失败时，切割槽高度低于硐室尺寸设计值；②由于爆破衰减和钻孔精度问题，导致拱顶和边墙欠挖；③解决工作面爆破之后，通风排除炮烟和人员行走安全出口的问题。为解决以上问题，首先根据切割槽轴线的方向和硐室轴线的方向关系，将中深孔爆破掘进技术分为2类，沿硐室轴线布置切割槽和垂直硐室轴线布置切割槽；其次根据工程实践和采矿生产技术，对以上2 类技术进行优化提升，以期达到更好的效果。

1.1 沿硐室轴线布置切割槽关键技术

借鉴文献［6］沿硐室轴线拉槽爆破思想进行中深孔爆破掘进设计，硐室平面中深孔布置如图1 所示，其施工的关键问题及解决对策见表1。

（1）巷道布置。根据岩石情况，沿硐室底部施工拉底硐室或拉底巷道，并在拉底空间内向上施工2条切割井，切割井之间采用预切顶联络巷联通。切割井前期作为安全出口，后期作为爆破自由面，此外，还需要在硐室外部合适位置施工1条通风行人天井，并通过联络巷将通风行人天井和预切顶巷道联通。巷道的尺寸根据选择的凿岩和穿孔设备所需安全空间确定。

（2）硐室刷扩和中深孔凿岩。利用凿岩台车将下部凿岩硐室全部刷开，底部硐室扩刷超过边界0.5 m，保证钻机有足够空间。若底部围岩稳固性不好，则硐室不宜全部刷开，则应施工拉底巷道和凿岩进路。切割井采用切割槽钻机施工一次成型，深度超过巷道轮廓线0.3 m，利用中深孔钻机施工切割排距1.0 m，正常排距1.2～1.5 m，切割排孔底距0.9～1.5 m，钻孔深度超过巷道断面线0.3 m，施工过边墙的中深孔时，开孔点下部施工厚度5 cm 的混凝土底板，垫层上表面为统一标高。

（3）爆破方案。将整个硐室分为2 部分施工，分别为I区和Ⅱ区，拉槽爆破采用耦合装药，拉槽部分炸药单耗为0.92～1.2 kg/t，装药系数90%左右，正排部分爆破单耗为0.4～0.45 kg/t，装药系数85%左右。

（4）施工顺序。为了整个施工的可靠性和安全性，杜绝作业工人在裸顶下的作业，减小顶板暴露面积。I区按照如下工序进行：拉槽爆破—正排爆破—局部欠挖修整—顶板锚网喷—边墙锚网喷，I区完成之后才进行Ⅱ区作业，Ⅱ区同时作为I区的安全出口，保证任何一道工序都有2个安全出口。

1.2 沿垂直硐室轴线布置切割槽关键技术

根据采矿工程设计，将硐室看作矿房，切割槽垂直于硐室轴线布置可以降低拉槽的难度，因此硐室平面中深孔布置如图2所示，施工过程中的关键问题及解决对策见表2。

（1）巷道布置。根据岩石情况，沿硐室底部施工拉底硐室或拉底巷道，并在拉底空间内，向上施工2条切割井和预切顶联络巷。切割井前期作为安全出口，后期作为爆破自由面，预切顶联络巷作为安全出口和处理悬顶的工作空间，此外，在硐室外部合适位置施工2条通风行人天井，并通过联络巷将通风行人天井和预切顶巷道联通。巷道的尺寸根据选择的凿岩和穿孔设备所需安全空间确定。靠近边墙的光面爆破中深孔需要最后爆破，保证巷道成形。

（2）爆破方案、施工顺序等方面和上文中的沿轴线布置切割槽方案相同。

2 工程应用

2.1 逊克金矿沿硐室轴线布置切割槽应用

逊克金矿位于黑河市逊克县，矿体上盘围岩在赋存于潜流纹岩与中细粒碱长花岗岩接触带附近，局部赋存于细粒碱长花岗岩及隐爆角砾岩带中。其中4#卸载站位于145 m 中段，围岩为中粗粒碱长花岗岩、细粒碱长花岗岩及交代石英岩，质地坚实稳固，水文地质条件简单。施工时采用了沿硐室轴线布置切割槽的方式，布置方式如图1所示，其中硐室长18 m，宽8.2 m，高11.5 m，普氏系数f=10～12，属于稳固岩石。

2.1.1 施工方案

（1）施工设备。采用改装后的YGZ90 中深孔钻机、YT28钻机、2 m³铲运机、20 t铲车、湿喷台车等。

（2）施工顺序。先施工凿岩硐室刷扩—切割井及联络巷施工—中深孔施工及测孔—中深孔分次爆破—出渣—支护。

（3）施工方法。首先掘进巷道1 和巷道2（图1），进入硐室之后对硐室进行刷扩掘进，刷扩高度3.0 m，刷扩边界超过设计边界0.5 m。在设计位置施工2 条1.4 m×1.4 m 的切割天井，切割井深度超过巷道轮廓线0.3 m，并且在天井顶部按照设计位置施工断面为1.4 m×1.6 m 的预切顶联络巷。在巷道2 内施工1 条通风行人天井，天井角度60°，天井到达硐室顶板后，施工拉底联络巷与预切顶联络巷贯通，保证在硐室施工时有2个安全出口和通风顺畅。

2.1.2 中深孔凿岩爆破及支护

（1）爆破参数。中深孔钻头直径55 mm，切割排排距1.0 m，孔底距为1.1 m，切割槽内选用平行深孔。正常排的排距为1.3 m，孔底距为1.4 m，垂直深孔布置，孔口装药采用乳化炸药交错布置，采用每3 卷捆成1捆，利用炮棍捣入炮孔中。

（2）凿岩。中深孔凿岩时，要保证底板的平整，测量人员根据设计图纸将机心点标定出来，钻孔超过巷道轮廓线0.3 m，为了防止硐室的超欠挖，边墙孔的机心要超过巷道轮廓线0.2 m。

（3）爆破施工。整体上先分区施工，先施工I区，然后施工Ⅱ区。装药采用乳化炸药制作炮头，采用毫秒微差法逐排进行起爆，切割槽炮孔内，每个炮孔2发雷管，孔底和孔中各安设1 个，孔内敷设导爆索。正排炮孔内，每个炮孔1发雷管，雷管位于孔底，炮孔内填装φ32 mm 乳化炸药，3 卷为1 捆，用长炮棍捣入炮孔内。整体上先分区施工，每个分区先进行切割槽中深孔爆破，然后再进行正常排爆破。

（4）出渣及支护。根据岩石膨胀系数进行计算和预留作业空间，计算出排渣量。通过分次爆破，有计划排渣，保证硐室内剩余的渣石量能作为作业平台，待爆破完成后，对渣石平台进行平整，并在作业过程中配备脚手架搭设平台和挖机平场等辅助措施。利用作业平台对硐室欠挖部分进行修整，对行车进行安装，并对局部欠挖地点进行修整，随后进行锚网喷作业。

2.1.3 应用效果

（1）超欠挖在允许范围内，安全管理可控，质量满足要求。

（2）利用中深孔爆破成本大约为普通掘进法的95%，而在工期方面，普通法大约需要2.6 个月，而中深孔施工法大约为1.5个月，节约时间成本约38%，效果比较明显。

2.2 新兴铁矿垂直硐室轴线拉槽爆破

新兴铁矿位于临沂市新兴村，铁矿床为泰山岩群黑云变粒岩、黑云角闪片岩，局部有黄岗岩侵入，岩石硬度系数f=12～18，岩石质量指标RQD 值平均84%，为稳固围岩，水文地质简单。无轨维修硐室位于-410 m 水平，此硐室施工采用了垂直硐室轴线布置切割槽的方式，布置方式如图2所示，硐室长42 m，宽7.8 m，高11 m，普氏系数f=9～15，属于稳固岩石，局部存在不稳固地段。

2.2.1 施工方案

（1）施工设备。采用1354中深孔台车、28凿岩台车、切割槽钻机、2 m³铲运机、20 t铲车、湿喷台车等。

（2）施工顺序。先施工凿岩硐室刷扩—切割井及通风行人天井施工—顶部联络巷施工—中深孔施工及测孔—中深孔分次爆破—出渣—支护。

（3）施工方法。首先对硐室进行刷扩掘进，刷扩高度3.6 m。岩石不稳定地段采用锚网喷支护，刷扩超过设计边界0.5 m。切割槽设计在工具间和材料室的轴线方向，便于凿岩，切割槽内施工2 条直径1.2 m的切割天井，切割井深度超过巷道轮廓线0.3 m，并且在天井顶部按照设计位置施工断面为1.4 m×1.6 m 的预切顶联络巷。在硐室外侧施工2条通风行人天井，天井到达硐室顶板后，施工拉底联络巷与预切顶联络巷贯通，人员和辅助材料进入硐室时，不用登渣进入，可以保证人员安全和通风顺畅（图2）。

2.2.2 中深孔凿岩爆破及支护

（1）爆破参数。中深孔钻头直径76 mm，切割排排距1.2 m，孔底距为1.2 m，切割槽内选用平行深孔；正常排的排距为1.4 m，孔底距为1.6 m，采用垂直深孔布置，孔口装药交错布置。采用分装铵油炸药或粒状铵油炸药为主爆药，起爆药包采用φ32 mm 的乳化药卷与导爆管加工而成，装药器装药。

（2）凿岩。利用智能台车的优势，钻孔超过巷道轮廓线0.3 m，为了防止硐室的超欠挖，利用材料间和工具间的空间施工扇形边墙孔。

（3）爆破。整体上先分区施工，先施工Ⅰ区，然后施工Ⅱ区。装药采用乳化炸药制作炮头，爆破时采用复式微差爆破起爆方式（切割槽安装导爆索），各炮孔采用非电导爆管孔内起爆，排内齐发，排间微差（排间毫秒导爆管微差、排内导爆管齐发爆破），每个分区先进行切割槽中深孔爆破，再进行正常排爆破。

2.2.3 应用效果

（1）中深孔爆破成本大约为普通掘进法的90%，而在工期方面，普通法大约需要5.8 个月，而中深孔施工法大约为3.1个月，节约时间成本约42%，效果比较明显，主要体现在利用高效设备，切割井和中深孔施工效率非常高。

（2）超欠挖在允许范围内，安全管理可控，质量满足要求。

3 结论

（1）在硐室施工中采用中深孔爆破技术完全可行，具有明显的时间优势。

（2）硐室施工时，预切顶联络巷可以减少悬顶概率、降低施工难度、提供双安全出口。

（3）为了提高中深孔爆破技术的稳定性和减少安全管理难度，采用分区施工整个硐室，能很好地减小爆破衰减和减少围岩暴露面积。

（4）采用中深孔爆破技术施工大硐室，需要根据硐室的设计图纸确定切割槽和硐室轴线的关系，在工程设计时要充分考虑拉槽失败后的处理措施和中深孔爆破的衰减效应，才能保证整个工程顺利有序地进行。

（5）大硐室中深孔爆破掘进技术在逊克金矿及新兴铁矿中均得到成功应用，降低了掘进成本，缩短了施工工期，提高了工作效率。