2011-00210破碎岩体内异形断面巷道掘进的光面爆破技术

破碎岩体内异形断面巷道掘进的光面爆破技术*钟福生，陈建宏，范文录（中南大学资源与安全工程学院，长沙410083）摘要：根据破碎岩体光面爆破参数的设计原理，结合开阳磷矿用沙坝矿区破碎矿体的实际条件，研究分析了脉内异形断面巷道的合理光面爆破参数和炮孔布置形式。通过采用EPE管对药卷间距进行精确定位，使之满足轴向和径向不耦合装药的设计要求，试验获得了良好的光爆效果，异形断面巷道成型良好，顶板基本无直接冒顶现象，为后续的锚网支护创造了良好条件。关键词：破碎岩体；光面爆破；异形断面；爆破参数；EPE管；不耦合装药中图分类号：TD235.3文献标识码：A文章编号：TheSmoothBlastingTechniquesofIrregularSectionTunnel’sExcavationinBrokenRockMassZHONGFu-sheng,CHENJian-hong,FANWen-lu(TheResources&SafetyEngineeringSchoolofCentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Thispaperstudiedandanalyzedthereasonablesmoothblastingparametersandblastingholeslayoutforirregularsectiontunnelwithintheveinbyadoptingthedesignprincipleofsmoothblastingparametersandtakingintoconsiderationoftheactualconditions(theorebodyisbroken)inYon-sha-baminingdistrictofKailinPhosphoriteMine.ByusingtheEPE-tubes,weareabletolocatecartridgespreciselytomeetthedesignrequirementsofradialandaxialdecouplecharge.Theblastingresultissatisfactory:irregularsectiontunnelhadformedagoodshape,andthereisalmostnoroof-fallaccidentdirectly.Thiswillcreatefavorableconditionsforsubsequentboltandmeshsupportconstruction.Keywords:brokenrockmass;smoothblasting;irregularsection;blastingparameter;EPE-tube;decouplecharge与普通的爆破法相比，光面爆破能有效地控制周边眼炸药的爆破作用，从而减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，确保施工安全，同时又能减少超、欠挖，提高工程质量和进度[1]。在破碎的岩体中掘进巷道时，可适时应用光面爆破技术，合理地设计爆破参数和施工工艺，以减轻振动和保护围岩，使巷道壁面达到轮廓面平整的效果。但鉴于破碎岩体自身的特性，欲取得同较坚硬致密岩石一样的光爆效果相当困难[2]，必须设计好合理的光爆参数和装药结构。开磷集团用沙坝矿区采用机械化盘区分段中深孔房柱空场采矿法开采矿体，该采矿方法需要再矿体上盘掘进脉内分段凿岩巷道，凿岩爆破等工作均在此巷道内进行，担负着较重的生产任务，由于矿体破碎，需要采用光面爆破技术和合理的施工组织进行凿岩巷道掘进工作，以保证巷道内工作人员的安全。1工程背景用沙坝矿采用机械化盘区分段中深孔房柱空场采矿法；分段脉内凿岩、分段出矿；分段高度8m，分段与分段之间采用脉外斜坡道相连。每个分段掘进一条脉内凿岩出矿平巷，受矿体与上盘围岩分界面的影响，脉内凿岩巷道并非完整的三心拱形，而是在三心拱形的基础上被矿体自然倾角所切割，断面特征和尺寸如图1所示。开挖净断面积12.3㎡。1.1矿区地质概况用沙坝矿磷矿床属于浅海～滨海相大沉积磷块岩矿床，矿体呈较稳定层状。占主导地位矿体走向南北，倾收稿日期：2011-11-24基金项目：国家自然科学基金资助项目（50774092）；全国优秀博士学位论文专项资金资助（200449）；湖南省博士生科研创新项目（1960-71131100061）作者简介：钟福生（1987-），男，硕士研究生,从事矿业系统工程、采矿工艺研究，（E-mail）[e-mail]。通讯作者：陈建宏（1963-），男，教授，博士生导师，从事数字矿山、矿业经济研究，（E-mail）[e-mail]。向为280°～290°，为缓倾斜矿体，倾角25°～33°。受断层影响，下盘矿体产状由北向南逐渐变陡，并出现倒转，属于急倾斜矿体，平均倾角在70°左右。矿体较破碎，其f系数为6~8，矿体厚度变化不大，平均厚度6m。本次光面爆破设计针对的是急倾斜矿体内凿岩巷道的掘进。42003500100060°29001100241021003500图1脉内凿岩巷道设计断面图（单位：mm）Fig.1Thedesigningcross-sectionofrock-drillingtunnelinorebody(unit：mm)1.2岩石力学参数凿岩巷道穿过的岩层为磷矿层，上下盘围岩和磷矿层的岩石力学参数见表1。各矿层的岩性特征如下：1）矿层底板：为灰绿色细砂岩，局部属中粒砂岩，呈中厚层状产出，致密坚硬，普氏系数f=7.3～15.9。2）磷矿层：由呈粒状结构，致密块状，条带状构造的磷块岩构成。磷块岩菱形节理发育，沿节理面有泥质充填，易冒落，不稳固，f=6～8。3）矿层顶板：主要为含锰白云岩，局部地带为鲕状白云岩及细晶白云岩。含锰白云岩，性脆，较破碎，厚0～2米，f=8～10，岩石爆破性能较好，较稳固，易和下部的泥质页岩一起冒落。鲕状白云岩及细晶白云岩，致密坚硬，f=5.6～18.3，凿岩爆破性能较差，较稳固，不易冒落。4）软弱夹层：局部地段的矿层与顶底板围岩之间充填有软弱夹层。上盘软弱夹层为一层厚0～0.5米的黄、灰白色硅质页岩，呈强风化状态，易产生滑动。下盘软弱夹层为棕褐色，黄褐色泥质页岩，呈强风化状态，厚0～0.3米，一般为几公分，遇水易膨胀冒落，极不稳固，f=2～3。表1急倾斜矿体区域的岩石力学参数Table1Thesteeplyinclinedorebody’srockmechanicalparameters岩石名称体重(kg/cm3)抗压强度(Mpa)抗剪强度(Mpa)f内摩擦角岩石等级垂直水平白云岩2.76115.4095.0112.2～3.05.6～18.381°～87°Ⅱ～Ⅳ磷块岩3.00119.60103.209.4～6.76.0～8.581°～86°Ⅱ～Ⅵ砂岩2.69151.1082.2314.3～8.57.3～1782°～86°Ⅳ页岩2.72119.287.0012.2～5.68～14.583°～86°Ⅲ～Ⅳ2方案设计爆破参数的确定主要取决于所穿过岩层的工程地质条件，其次是爆破施工时所采用的钻孔设备，炸药类型等，巷道掘进的原始条件如表2所示。在光面爆破中，炮眼间距E、最小抵抗线W、炮眼密集系数m、装药密度Q是相互制约的。一般先确定与周边眼相关的参数，然后根据周边眼参数和掏槽方式确定整个断面的炮孔布置方式。表2脉内凿岩巷道掘进的原始条件Table2Theinitialconditionsofrock-drillingtunnel’sexcavation项目名称数量矿体底板线矿体顶板线巷道断面规格宽：3.5；高：4.2；面积：12.3㎡穿过岩层性质f=6-9；整体破碎涌水少量钻眼设备凿岩台车：H281；钎杆：1.5m炸药品种和规格2#岩石乳化炸药：25mm×200mm×150g；32mm×200mm×200g起爆器材非电毫秒雷管，导爆管，导爆索2.1炮孔直径和长度受钻孔设备的限制，目前炮孔直径和长度的选择主要根据钻孔设备的性能来确定。本工程采用H281凿岩台车凿岩，匹配1.5m的钎杆，钎头直径41mm。炮孔直径D=42mm。掏槽眼长度Ls=2.1m；辅助眼和周边眼长度L=2.0m。2.2周边眼爆破参数1）最小抵抗线W最小抵抗线是光面爆破的重要参数，如果最小抵抗线过大，光爆层不能很好的破碎下来，以至产生根底；如果设计过小，则可能导致围岩破坏，影响围岩的稳定性[3]。目前，最小抵抗线的确定一般是在理论计算上的基础上确定取值范围，再根据工程实际经验选取，没有定型的计算公式。一般可按W=（10~15）D选取，取W=600mm。2）周边眼间距E在确定最小抵抗线之后，周边眼间距可根据周边眼的密集系数m来确定，m=E/W。实践表明，无论是从最长的成缝距离还是从光爆对块度的要求，合理的光面爆破炮孔密集系数m值均应在0.7~1.3之间，硬岩中取大值，软岩中取小值[4]。文献[5]的研究表明，在Ⅲ围岩中周边孔间距在40~50cm可获得良好的爆破效果；取m=0.8，则E≈480mm，E值的大小在巷道顶底板和两帮会有不同调整。调整后的炮孔间距见炮孔布置图（图2）。600700600700680650600124320070050056789101112131415161518192021222324500500252627282930313233343536373840414243444546474839150图2爆破炮孔布置图（单位：mm）Fig.2Theblastingholes’layoutdrawing（unit：mm）3）炮孔堵塞长度LD为了充分利用爆炸能量，应堵塞一定长度的炮孔。但由于光面爆破采用不耦合装药,炮泥位置不易控制,是光面爆破中的一项较为烦琐的工序，堵塞长度越大,越不易控制[6]。为保证爆炸能量利用充分,须尽量减小炮孔堵塞长度，但不可过小，否则会相应的大块率会提高，其取值范围可按LD=(0.63～0.88)W计算[7]。4）不耦合系数文献[3]认为，在破碎岩层内，较为理想的光面爆破装药结构是空气间隙不耦合装药（K1=1.5~2.5）。顶眼和帮眼的药卷采用25mm直径的2#岩石乳化炸药，故径向不耦合系数K1=D/d=1.68，其中d为药卷直径。底眼仍按常规的爆破参数设计，采用32mm直径的2#岩石乳化炸药。轴向不耦合系数K2的计算需要根据每孔装药量来确定，其计算公式如下：LKan2式中L——炮眼长度；n——单个炮孔药卷数；a——单个药卷的长度，a=20cm。计算出的K2如表3所示。5）线装药密度Q为控制裂隙的发育，以保持新壁面的完整稳固，在保证炮孔连心线破裂的前提下，应尽可能少装药。装药量太大会损坏边坡壁面，孔壁破裂；太小光面层岩较大，预裂面无法贯通，造成光面爆破失败[8]。在节理、裂隙发育的岩层内，周边眼的线装药密度应该控制在0.12~0.22kg/m之间，同时拱部周边眼的线装药密度会比边墙眼小一些。根据周边所在位置不同，设计的线装药密度如表3所示。表3周边眼爆破参数Table3Theperipheryholes’blastingparameters序号炮眼位置径向不耦合系数K1轴向不耦合系数K2炮孔间距(mm)最小抵抗线(mm)炮孔密集系数m线装药密度kg/m1拱顶1.6855006000.76~0.80.1502上帮1.6845006000.75~0.760.1883下帮1.6845006000.80.1884底板1.313.35006000.830.275由表3确定的爆破参数计算出单孔装药量和药卷数，可知顶眼和帮眼的每个炮孔需要分别布置2个和2.5个25mm直径的药卷即可。对于底眼，需要布置2个32mm直径的药卷和1个25mm直径的药卷。光爆眼的装药结构如图3所示。1-炮泥2-导爆索3-完整的25mm直径药卷4-0.5个25mm直径药卷5-完整的32mm直径药卷图3光面爆破孔装药结构(单位：mm)Fig.3Thesmoothblasting