专题：矿山工程爆破技术

矿山工程爆破技术专题一：地下矿山爆破技术按装药结构分类浅孔爆破、深孔（或中深孔）爆破和硐室爆破按使用范围分井巷掘进爆破、采场爆破；从矿床类型划分金属与非金属矿井下爆破，煤矿井下爆破，高温、高硫矿床井下爆破，钾矿爆破及石油矿爆破等，后几种类型在爆破安全上均有特殊要求。井下爆破分类一、井巷掘进爆破二、采场爆破井巷掘进爆破包括平巷、竖井、斜井、天井和隧道等各种地下通道的爆破。其共同特点：（1）在单自由面条件下，受掘进断面制约，每次爆破进尺一般只有1~3米。（2）为形成一定的井巷断面形状，必须在工作面上布置不同类型的炮眼。（3）掘进爆破要严格保证巷道的规格和方向，要满足爆堆集中、块度均匀，炮眼利用率高、周边平整，材料消耗少的要求。1、井巷掘进爆破特点掘进工作面的炮孔总的分为掏槽孔、辅助孔和周边孔等。平巷、斜井工作面上的周边孔又分为顶、底及帮孔（见图）。2、炮孔布置形式及起爆顺序掏槽孔的作用是首先在工作面上将一部分岩石爆破破碎并抛出，形成一个槽形空穴，为辅助孔爆破创造第二个自由面，以提高爆破效率。掏槽孔较其他孔超深15~25cm，装药量增加15~20%，才能为辅助眼创造出足够深度的临空面，保证循环进尺。掏槽效果的好坏，对每次循环进尺起决定性作用。因此，工作面合理布置炮孔的关键是掏槽孔布置形式。辅助孔位于掏槽孔外圈，其作用是大量崩落岩石和刷大断面，还可提高周边孔所需的自由面，最大限度地爆破岩石。周边孔的作用是控制巷道断面形状和方向，使井巷断面尺寸、形状和方向符合要求。几个主要的名词：（1）掏槽在开挖面的中部，钻一定数量的眼，并且超量装药，以破碎抛掷岩石，首先形成一个槽腔。为其它炮眼的爆破创造新的自由面。（2）循环进尺一次隧道开挖爆破的掘进尺度。（3）爆眼利用率实际循环进尺与爆眼深度之比。（4）掏槽眼、辅助眼和周边眼掏槽眼主要作用是炸出槽子，形成新的自由面；辅助眼是为了进一步扩大掏槽的体积；周边孔是为了形成正确的井巷断面形状。3.1、斜眼掏槽斜眼掏槽是指掏槽孔的方向与自由面斜交，也孔底至自由面的岩石被破碎抛出。通常有单向掏槽、锥形掏槽和楔形掏槽。（1）单向掏槽由掏槽孔排列成一行，向同一方向倾斜。单向掏槽适用于软岩或有层理、节理、裂隙和软弱夹层的岩石中，掏槽孔应与层理、裂隙垂直或斜交。掏槽孔倾斜角度一般在45~65°之间，岩石越硬，角度越小，掏槽眼间距约在30~60cm范围内。3、掏槽方式爬眼掏槽适用岩层层理明显的倾斜的工作面；侧向掏槽适用于断面一侧有软弱层或岩层具有垂直的层理并与开挖方向成一定角度；插眼掏槽适用于断面下部有软弱层或岩层层理倾向工作面的场合。（2）锥形掏槽各掏槽眼以相等或近似相等的角度向工作面中心轴线倾斜，孔底趋于集中，但互相不贯通，孔底相互保持20~40cm的距离，爆破后形成锥形槽。孔数为3~6个，掏槽炮眼倾斜角度一般在60~70°之间，岩石越硬，倾角越小，眼底距离0.2~0.4米左右，岩石越硬，距离越小，同时起爆效果较好。通常排列成三角锥、正四角锥形和圆锥形。锥形掏槽适用于断面面积大于4m2的致密均质岩石断面。正角锥掏槽在平巷掘进中使用较多，圆锥形多用于竖井掘进。（3）楔形掏槽由数对（一般为2~4对）相对称的相向倾斜炮孔组成，爆破后形成楔形槽，爆破后形成锥形槽。楔形掏槽爆力比较集中，爆破效果较好，掏出的槽子体积较大，可以适应各种不同坚固程度的岩层。楔形掏槽炮孔参数根据岩石性质而定。楔形掏槽常用于中硬以上均质岩石，断面大于大于4m2，炮孔以2~3对用得最多，视围岩类别而定。Ⅲ类围岩：掏槽眼2对；Ⅳ类围岩：掏槽眼2~3对；Ⅴ类围岩：掏槽眼3对；Ⅵ类围岩：掏槽眼3~4对；每对掏槽眼间距为0.2~0.6米，掏槽孔与工作面交角为55~75°，眼底距为10~20cm。参见下表。楔形掏槽可分为水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽。水平楔形掏槽适用于岩层层理接近于水平或倾斜平缓层面、裂缝和夹层的围岩或均匀整体的围岩。由于施工困难，一般较少采用。垂直楔形掏槽适用于岩层层理大致垂直或倾斜的各种岩层。炮眼接近水平，钻凿方便，应用较广泛。剪式布置，排列均匀，在中等硬度的岩层中可获得良好的爆破效果。层状布置在较坚硬的岩层中，炮眼倾斜角度受到限制，如果炮眼钻得太陡，由于岩层的夹制作用，会出现较长的残眼。这时为了提高循环进尺，可以采用逐步加深掏槽眼深度的层状掏槽。第一层掏槽眼可用较小的倾斜角度钻凿（50~60°），其深度等于第二层掏槽深的0.5~0.7倍为宜；第二层掏槽眼可用较大的倾斜角（70~80°）钻凿。起爆时先起爆第一层掏槽眼，然后起爆第二层掏槽眼。（4）斜眼掏槽优缺点优点：所需掏槽眼数目较少，掏槽体积大，易将岩石抛出，有利于其他炮孔的爆破。缺点：掏槽眼的深度受到巷道断面和岩层硬度的限制，影响循环进尺；钻凿时倾斜角度也难以掌握；岩石抛得较远，岩堆分散，影响装岩效率。3.2、直眼掏槽直眼掏槽是由若干个彼此距离很近的垂直于开挖面的互相平行的炮眼组成，其中有一个或几个不装药的空眼，作为装药孔的辅助自由面。（1）直眼掏槽的优缺点优点一般可用于中硬岩层或坚硬岩层；由于炮眼与掌子面垂直，所以炮眼深度不受开挖断面的宽度和高度的限制，适宜钻凿较深的炮眼而提高循环进尺；所有炮眼均垂直掌子面钻进，容易控制，钻眼时各台凿岩机间互相干扰少，便于多台凿岩机同时作业，提高凿眼效率；容易控制眼底深度，使眼底在同一垂直面上；炮眼利用率高，可达90~100%；岩碴抛掷距离较近，不易打坏支护及机械设备等；在各种硬度的岩层中都可以使用。缺点需要较多的炮眼数目和较多的炸药，而且钻眼位置一定要精确，误差不能太大，对钻眼操作技术要求较高。（2）浅眼直眼掏槽的典型形式直眼掏槽有三种类型：缝形、桶形和螺旋形掏槽。缝形（龟裂）掏槽利用缝形掏槽眼起爆后，在整个炮眼深度范围内形成条状槽口，为辅助眼创造临空面。由于缝形掏槽体积太小，故目前已经很少用，常被桶形掏槽所代替。孔数：3~7个；孔距：8~12cm；空孔直径可与装药孔相同，也可用大直径孔。桶（柱）形掏槽它是在中硬以上岩石中应用最广的垂直掏槽形式之一。其掏槽腔体积和宽度较大，利于辅助孔的爆破。空孔直径可大于或等于装药炮孔的直径，采用大直径空孔时能够形成较大的人工自由面和补偿空间。常见方案见图。实验表明，空孔数目、直径和空孔与装药炮眼的最小距离，对桶形掏槽效果有很大影响。在花岗岩、片麻岩等硬岩中，随着空孔直径增大，空孔至装药炮孔间的距离也应加大。否则，爆破作用有时能把相邻炮孔中的炸药“挤实”，使之因密度过高而拒爆；反之，则爆后岩石仅产生塑性变形而出现“冲炮”现象（见图）。为此，空孔应打得深些，并在孔底装入一个药卷紧随掏槽孔后起爆，可将岩碴推出槽腔。上向掘进天井时，特别适于采用桶形掏槽形式，岩碴借自重向下崩落。方案一：五梅花小直径中空直眼掏槽在1号眼的周围设置四个距离很近的小直径空眼作为1号眼的临空面，1号眼起爆后，在中央形成一个孔洞，作为其它眼的临空面，这样逐步扩大形成槽腔，提高炮眼的利用率。其装药量至炮眼深度的90%左右。它适宜中硬岩层的开挖，一般掏槽深度比小直径中空直眼掏槽深。方案二：菱形掏槽较软的岩层中部布置一个小直径空眼，且炮眼间距取小值，较硬的岩层中部布置三个小直径空眼，且炮眼间距取大值，起爆顺序对称进行。1、2号炮眼爆完后形成一个菱形槽腔，装药量取其炮眼深度的90%左右，一般均能取得满意的效果。螺旋形掏槽螺旋掏槽各装药炮孔与空孔距离为依次递增，空孔至各装药孔的距离依次为空孔直径的1~1.8，2~3.5，3~4.5，4~5.5倍。随着装药炮孔的依次起爆，槽腔体积逐次扩大。对特别难爆岩石，可增加空孔以加大自由面和补偿空间体积。为了在爆破后将岩碴推出槽腔，空孔亦应打深些并在孔底装入抛碴药包。3.3、混合掏槽当岩石极坚硬或巷道断面较大时，可选用复式楔形或桶形加锥形的混合掏槽（见图），或多层掏槽形式形式（见图）。适用于中硬岩、硬岩的中深眼隧道爆破，不需大直径钻眼设备，比较常用。受断面限制，钻眼角度不好掌握，岩碴抛掷较远。三级复式楔形掏槽上下排距用50~90cm，硬岩取小值，中硬岩取中值，软岩取大值；在硬岩中爆破时，最好用高爆力炸药；排数通常只用上下两排即可，岩石十分坚硬时可用三排或四排；炮眼深度2.5m,时可用两级复式楔形掏槽。3.4、斜眼掏槽与直眼掏槽的选用条件为确保安全起爆和准爆，以及提高爆破效果，掘进炮孔必须有合理的起爆顺序，通常是掏槽眼辅助眼周边眼。每类炮孔还可再分组按顺序起爆。合理起爆顺序是：应使后起爆的炮孔炮孔充分利用先期起爆炮孔所形成的自由面。一次起爆炮孔数愈少或起爆段数愈多，除能充分利用自由面之外，还能减弱震动、空气冲击波的强度和噪声。掏槽孔间的起爆顺序，因掏槽形式不同而有别。龟裂掏槽和桶形掏槽的装药孔可采用瞬发雷管同时起爆，或用多段延期雷管起爆，螺旋掏槽采用延期雷管使装药孔逐一起爆。辅助孔本身亦应分段起爆。首先，与掏槽孔相邻的辅助孔先起爆，然后再依次使其他辅助孔起爆。就顺序而言，接下来的是周边孔的起爆（平巷、斜井掘进时，先起爆腰孔，即帮孔中部的孔，然后是顶孔，最后为底孔）。4、掘进炮孔起爆顺序井巷掘进爆破参数包括：炮孔直径、单位炸药消耗量、孔距、孔深、炮孔数目、装药量以及填塞长度等。5、井巷掘进爆破参数炮孔直径大断面井巷（大于6m2）可采用38~45mm的药卷；小断面（小于4m2）且岩石坚硬时，应使用高威力炸药和小直径药卷（25~32mm）爆破。通常的炮孔直径比装入的药卷直径大5~10mm。采用压气装药时炮孔体积可获得充分利用。炮孔深度炮孔深度是指孔底到工作面的垂直距离。目前，在我国所具备的掘进技术和设备条件下，孔深以1.5~2.5m用得最多。随着新型、高效凿岩机和先进的装运设备的应用，以及爆破器材质量的提高，在中等断面以上的巷道掘进中使用凿岩台车时，将孔深增至3~3.5m左右，在技术和经济上是合理的。竖井掘进时，孔深与井筒直径应保持一定比值，至可按0.3~0.5来考虑。单位炸药消耗量合理的q值，取决于岩石性质、巷道断面、炮孔直径和深度等因素。由于影响因素多，迄今还不能对q值进行精确计算。在实际工作中，选定q值可按国家定额标准或用经验公式计算确定。（1）参照国家颁发的《矿山井巷工程预算定额》选取（参见表3-2-1和表），并参照条件相类似的实际指标加以修正。（2）按经验公式计算。常用的经验公式如下：每次爆破或称每一次循环所需装药量，是在确定出单位炸药消耗量后，根据预定的每一掘进循环爆破的岩石体积，按下式计算出的每一循环所需的总装药量Q。炮孔数目确定炮孔数目的基本原则是在保证爆破效果前提下，尽可能地减少炮孔数目。通常，按各炮孔平均分配炸药量原则来计算炮孔数目。设每个炮孔的装药量为Q0，则：炮孔数目N等于由上可得：N值中不包括掏槽眼中的空孔个数。孔距在岩石性质和井巷断面尺寸已定的条件下，选定炮孔的直径、深度、炸药单位消耗量、每排炮炮孔个数及装药量之后，为了均匀布置辅助孔，应在炮孔个数、孔距和装药系数等几方面作出调整，以便得出合理的炮孔个数、孔距和总装药量来。在实际生产中，根据经验确定孔距。辅助孔孔距为400~600mm；周边孔之间一般取600~700mm，周边孔口距巷道轮廓线应保持100~150mm范围内，而且顶、底及帮孔要向外（向上、向下及向侧面）倾斜5°左右，并使孔底落在轮廓线外约100mm处。对较软的岩石，周边孔孔口距轮廓线可达200~300mm。这些数据并非一成不变，都要视具体条件作合理的调整。填塞长度填塞的目的是为了提高炸药爆炸能量利用率。从而提高井巷掘进爆破效率。为此，除应选用合适的填塞材料外，并需要一个合理的填塞长度。井巷掘进爆破用的填塞物为1：3配比的黏土与砂子混合物（称为炮泥）。合理的填塞长度应与装药长度或炮眼直径成一定比例关系。生产中常取填塞长度相当于0.35~0.50倍的装药长度。毫秒爆破时间间隔在井巷掘进爆破工作中，确定适宜的毫秒爆破时间间隔，是推广应用毫秒爆破技术的重要环节。通过高速摄影所观察到的结果表明，辅助孔相对于掏槽孔、辅助孔之间、周边孔相对于辅助孔，它们