坚硬岩石巷道中深孔掏槽爆破试验研究
第26卷 增1 2007年7 岩石力学与工程学报 V ol.26 Supp.1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2007
坚硬岩石巷道中深孔掏槽爆破试验研究
陈士海，魏海霞，薛爱芝
(山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 266510)
摘要：针对普遍存在的硬岩中爆破效果差的问题，在双阳煤矿坚硬岩石巷道进行中深孔爆破试验，得到各种不同掏槽形式爆破的试验效果，通过比较得出复式桶式掏槽完全适合于中深孔爆破，炮眼利用率高。最后总结出巷道掘进爆破的一些很有价值的成果，给出避免炸药发生钝化效应的最小炮孔间距，理论计算掏槽眼的装药长度，并根据双阳煤矿的实际施工情况，给出具体改进建议以及提高爆破效果技术措施，在原有装备水平的前提下，通过调整生产组织，大幅度提高掘进工效，降低掘进成本，取得相当可观经济效益。试验成果可供其他类似工程提供参考。
关键词：岩石力学；掏槽爆破；掏槽形式；中深孔爆破；坚硬岩石；巷道
中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)增1–3498–05
TESTING STUDY ON MIDDLE DEEP CUT-HOLE BLASTING
IN HARD ROCK TUNNEL
CHEN Shihai，WEI Haixia，XUE Aizhi
(College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，
Qingdao ，Shandong 266510，China )
Abstract ：Aiming at the problem of poor blasting effects that exists universally in hard rocks，the middle deep hole blasting tests were done in hard rock tunnels at Shuangyang Mine；and the blasting test results of different kinds of cutting forms have been gotten. Through comparison，the compound barrel cutting is proved to be completely fit for middle deep hole blasting；and the utilization rate is high. At last，some valuable achievements of tunnel blasting are summarized，and the least space between holes that can abstain passive effects of explosives is proposed. The charging length of cutting holes is calculated in terms of theory. According to the construction of Shuangyang Mine，some concrete improving suggestions and technological methods that can raise the blasting effects are presented. By adjusting production organization，not only is the efficiency raised but also the costs are reduced on the basis of former equipment levels producing substantial economical benefit and offering reference to other similar works.
Key words：rock mechanics；cut blasting；cutting form；middle deep hole blasting；hard rock；tunnel
平方米) ，作业空间狭小，又是单自由面，爆破的夹
1 引 言
在煤炭形势好转的情况下，双鸭山矿业集团投入巨资进行煤矿技术改造，克服传统的矿井开拓、生产方式。由于煤矿地下巷道断面较小(大多仅几
收稿日期：2007–04–17；修回日期：2007–05–27
制作用比较大，爆破的难度很大，特别是掏槽爆破，爆破的炮孔利用率平均在60%左右，因此，煤矿巷道掘进普遍采用孔深小于1.5 m的浅孔爆破，掘进速度慢，爆破效果差，严重影响煤矿的采掘比和开采效率。为此，双鸭山矿业集团决定将改变传统的
作者简介：陈士海(1964–) ，男，博士，1985年毕业于山东矿业学院矿建系矿井建设专业，现任教授，主要从事岩土工程与工程爆破方面的教学与研究工作。E-mail ：[email protected]
第26卷 增1 陈士海，等. 坚硬岩石巷道中深孔掏槽爆破试验研究 • 3499 •
浅孔爆破方式，实现中深孔全断面掘进技术列为技术改进的一项主要内容，并率先在双阳煤矿进行中深孔爆破试验。
2 试验条件
试验在双阳煤矿201段施工的－450 m左运输巷和配风巷内进行。－450 m左运输巷使用河北宣化生产的CMC –17两臂凿岩台车和侧卸式装岩车掘进，配风巷使用7655气腿凿岩机和耙斗机掘进。
岩性条件：－450 m左运输巷以颇具韧性的、完整性好的灰白色中砂岩为主，夹一层煤线3～5 cm ，裂隙3～5条，普氏系数f =8～10，－450 m配风巷岩性为灰色细砂岩与粉砂岩互层，裂隙较发育，中间夹有页岩，厚0.3～0.4 m，普氏系数f =6～8。
炸药型号：开始时采用煤矿乳化炸药，爆速为3 000 m/s，因爆速太低，后期采用2# 煤矿铵梯炸药，其爆速3 200 m/s，猛度不小于16 mm，殉爆距离不小于3 cm，药卷长度150～160 mm，药卷直径35 mm，质量150 g/卷。选用煤矿许用毫秒延期雷管和直眼掏槽。
3 试验过程
3.1 四角中空孔挤压抛射式直眼掏槽
四角中空孔挤压抛射式直眼掏槽的特点[1
～8]
是
在菱形装药眼的中间布置2个不装药眼，不装药眼起到自由面的作用，同时又起到爆破破碎体积增量所需的空间作用。掏槽形式与爆破参数见图1，表1。
图1 四角中空孔挤压抛射式直眼掏槽 Fig.1 Form of extrusion projectile straight cut-hole in
four corners and hollow hole in the middle
表1 爆破参数(I) Table 1 Blasting parameters(I)
炮眼
角度 眼深 单孔装药量
爆破 炮泥长度编号 /(°)
/m
/kg
顺序
/m
1#～4# 90 1.9 0.9 I 0.15 5#～6#
90 2.1 0.3
II 0.50
爆破效果：因炸药爆速相对较低，抛射孔抛射效果并不明显，多次试验掏槽深度平均为0.7 m。 3.2 三角分阶分段直眼掏槽
三角分阶分段直眼掏槽类似于挤压龟裂掏槽爆破，其特点是利用外圈浅炮眼首先爆破，破碎炮眼深度上层岩体，并形成新的自由面，减少了内圈炮眼爆破的抵抗线，相应减少了深眼爆破的夹制作用，改善爆破效果。掏槽形式与爆破参数见图2与表2。
图2 三角分阶段直眼掏槽
Fig.2 Triangular straight cutting by sub-steps and subsections
表2 爆破参数(II) Table 2 Blasting parameters(II)
炮眼 角度 眼深 单孔装药量
爆破 炮泥长度编号 /(°)
/m
/kg
顺序
/m
1#
～3
#
90 1.0 0.6 I 0.15 4#～6#
90 2.0 0.9 II 0.50
爆破效果：炮眼精度要求高，有几次炮眼底部交叉，加之乳化炸药爆炸性能不及硝胺炸药，多次试验掏槽深度平均为0.9 m。 3.3 螺旋式直眼掏槽
螺旋式直眼掏槽在掏槽眼中间有1个不装药的炮眼，掏槽眼按螺旋形状布置，使每个掏槽眼装药都工作在最佳的最小抵抗线上。掏槽形式与爆破参数见图3与表3。
• 3500 • 岩石力学与工程学报 2007年
图3 螺旋式直眼掏槽 Fig.3 Twist straight hole cutting
表3 爆破参数(III) Table 3 Blasting parameters(III)
炮眼 角度 眼深 单孔装药量
爆破 炮泥 编号 /(°)
/m
/kg
顺序
长度/m 1#～5#
90 2.0 0.9 I～V
0.5
爆破效果：对于试验巷道，该种掏槽方式效果较差，形成槽腔仅有0.4 m。 3.4 四角挤压抛射式直眼掏槽
四角挤压抛射式直眼掏槽[1]的特点是利用正常装药的掏槽眼爆破岩石并把破碎岩石崩向补充自由面，而炮眼略深且装少量炸药的后续爆破掏槽眼将先前爆破破碎的岩石从槽腔中抛出。掏槽形式与爆破参数见图4与表4，5。表4所示为－450 m 左配风巷试验(中硬岩) 的爆破参数，表5所示为－450 m左运输巷试验的爆破参数。
图4 四角挤压抛射式直眼掏槽
Fig.4 Extruding and shooting straight cutting in four corners
(1) －450 m左配风巷试验(中硬岩)
爆破效果：8# 眼因偏斜，发生钝化效应，挤压拒爆。1#～3# 炮眼爆破后岩石破碎但未抛出，掏槽深度为1.5 m。
(2) －450 m左运输巷试验
表4 爆破参数(IV) Table 4 Blasting parameters(IV)
炮眼 角度 眼深 单孔装药量
爆破 炮泥长度编号 /(°)
/m
/kg
顺序
/m
1#～4# 90 1.9 0.3 II 0.15 5# 90 1.6 0.9 I 0.50 6#～9#
90 1.6 0.9 I 0.50
表5 爆破参数(V) Table 5 Blasting parameters(V)
炮眼 角度 眼深 单孔装药量
爆破 炮泥长度 编号 /(°)
/m
/kg
顺序
/m
1#～4# 90 2.05 0.45 II 0.15 5# 90 1.70 1.05 I 0.50 6#～9#
90 1.70 1.05 I 0.50
爆破效果(见图5) ：最浅可见掏槽深度为900 mm，其余槽体炮眼眼底未贯通，主要原因是岩石强度太高，炮眼间距过大，炮孔的布列与起爆顺序不合理。
图5 四角挤压抛射式直眼掏槽爆破效果(硬岩) Fig.5 Effect of extruding and shooting straight cutting in four
corners(hard rock)
3.5 复式桶形直眼掏槽
复式桶形直眼掏槽掏槽形式见图6。这样，内圈掏槽炮眼爆破时，岩石在炮眼全深度上爆破破 碎，但槽腔清除程度不完全，大部分爆破岩石被压
实，外圈掏槽炮眼爆破时，不仅能辅助破碎内圈掏槽炮眼爆破的岩石，而且将压实破碎的岩石抛出腔外，达到槽腔全深度上清洁干净。爆破参数见表6，7。表6所示为－450 m左运输巷试验的爆破参数，表7所示为－450 m左配风巷试验的爆破参数。
试验地点在－450 m左配风巷和－450 m左运输巷，其中a =150 mm，b =200 mm。
(1) －450 m左运输巷试验
爆破效果(见图7) ：最浅可见掏槽深度为
1.1 m
第26卷 增1 陈士海，等. 坚硬岩石巷道中深孔掏槽爆破试验研究 • 3501 •
图6 复式桶形直眼掏槽 Fig.6 Compound barrel straight cutting
表6 爆破参数(VI) Table 6 Blasting parameters(VI)
炮眼 角度 眼深 单孔装药量
爆破 编号 /(°)
/m
/kg
顺序
1#～4# 90 1.8 1.05 I 5# 90 2.0 空眼
–
6#
～9
#
90 1.8 1.05 II
表7 爆破参数(VII) Table 7 Blasting parameters(VII)
炮眼 角度 眼深 单孔装药量
爆破 编号 /(°)
/m
/kg
顺序
1#～4# 90 1.7 1.05 I 5# 90 1.9 空眼
–
6#～9#
90 1.7 1.05
II
图7 复式桶形直眼掏槽爆破效果(硬岩)
Fig.7 Effect of compound barrel straight cutting(hard rock)
(槽腔直径35 mm)，9# 与1#炮眼眼底贯通形成直径为0.10 m、深0.7 m的槽腔，其余部分已充分破碎成鹅卵石状，但未抛出，这是掏槽爆破的正常现象，达到了理想掏槽效果。2#～7#
孔附近破裂裂隙略
差，主要是7# 孔向外偏斜所致。本次掏槽深度为1.8 m。
(2) －450 m左配风巷试验
爆破效果：最浅可见掏槽深度为1.3 m(槽腔
直径400 mm)，9#
与4# 炮眼眼底贯通形成直径为
0.15 m、深0.4 m的槽腔，其余部分已充分破碎，但未抛出，这是掏槽爆破的正常现象。因此累计掏槽深度为1.7 m。
试验结果显示，此类复式桶式掏槽完全适合于中深孔爆破，炮眼利用率达95%以上。
4 掏槽爆破模型试验
试验的混凝土配比为A 组2∶0.8∶0.9、B 组2∶1∶0.9(沙子∶水泥∶水，体积比) 、C 组1∶7.1∶0.75(水泥∶沙子∶石灰，质量比，水适量) 。所采用
沙子为河沙，直径2～8 mm。水泥为32.5R 普通硅酸盐水泥。同时做试块9个(A，B ，C 组各3块) ，试块与试件在同样条件下养护。为模拟水平巷道中掏槽爆破的实际情况，根据爆炸相似律的要求，适当变化混凝土体积，使之与雷管的装药量相适应；采用φ 400 mm×500 mm，壁厚为3 mm的钢筒作为约束，模拟巷道周围岩体对掏槽区岩体的夹制作用；用铁丝把橡胶带紧紧包裹在钢筒之外，以作吸收应
力波之用，防止应力波反射造成的误差；当把橡胶带置于钢筒之内时，浇注混凝土时加强震捣，排除橡胶带与钢筒之间的空隙，使橡胶带吸收应力波并且起到约束的作用，减小偶然性因素影响。
为真实地模拟巷道掏槽爆破，试件也采用微差起爆技术。根据煤矿安全规程中130 ms的规定和刘颖的研究，本试验中采用1～5段毫秒延期电雷管；中间大空孔、小空孔不装，其余孔中都装二枚雷管。
试验进行了桶形掏槽、螺旋掏槽与楔形掏槽三种形式。对试块的各项力学参数进行了测定，用高速摄影机对爆生气体的运动进行观测。给出岩渣在平抛运动时，脱离掏槽腔的初速度与抛掷的水平距
离和垂直距离的关系、岩渣的块度大小与分布、掏槽爆破试验所形成掏槽腔体积大小，得出的结论是：
(1) 为保证岩渣的抛出，必须降低岩渣的气动力响应时间，依据岩渣直径与气动力响应时间的关系，必须使岩渣粉碎至直径适当小，这就必须增大装药量。
(2) 掏槽腔体积随单轴抗压强度、横波波速、纵波波速、波阻抗的增大而减小，这表明坚硬的岩石掏槽更加困难；也说明致密岩石(一般情况下致密岩石的横波波速、纵波波速、波阻抗要大) 的掏槽要比松散岩石的掏槽更困难。
(3) 将岩体内部的损伤场与装药起爆后的能量
• 3502 • 岩石力学与工程学报 2007年
场相结合，认为掏槽区岩石的破坏是装药爆炸能量场作用于岩石能量阈值场的结果，即只要能量达到某一阈值，则岩石将发生断裂、破坏或愈合。
(4) 掏槽爆破不仅应考虑前一阶已破碎岩体为后一阶岩体提供补偿空间后，下一阶岩体在应力波作用下的破碎，同时也应考虑前一阶已破碎岩体的两相流动对后一阶岩体的影响，例如岩块的相互碰撞和掏槽壁对爆渣运动的阻碍。
5 掏槽眼装药长度计算
井巷掏槽爆破属于单自由面下的漏斗爆破，集中装药单自由面下爆破的炸药用量常按鲍氏公式计算：
Q =KW 3(0. 4+0. 6n 3) (1)
式中：Q 为集中装药药量(kg)；K 为掏槽眼装药量系数(kg·m －3
) ，对砂岩K =(0.45～0.55)kg ·m －3
；
n 为爆破作用指数；W 为集中装药抵抗线(m)。
一般认为，柱状装药长度在其长度大于４倍装药直径(耦合装药时为孔径) 时，就不能按集中装药计算[2]。然而可按此概念，将柱状装药上端部装药长度为4φ(φ为药包直径) 的药量视为等效集中装药，其余为柱形装药，且爆破漏斗的形成主要取决于等效集中药包的强度，柱形装药决定各炮孔间的相互关系[3
，4，9，10]
。
按此假设，设炮孔深度为L ，装药密度为ρω，则装药长度为L ω[2]为
L φ⎡⎢πρω
ω=L +⎢2−⎣K (0. 4+0. 6n 3) ⎥⎥ (2) ⎦炮孔深度最后应根据所用机具性能、炸药威力及正规循环作业情况合理确定。
6 结 论
(1) 复式桶式掏槽完全适合于中深孔爆破，炮眼利用率达95%以上。掏槽眼参数取：a =120～
150 mm；b =175～200 mm。岩石硬度大时取小值，岩石较软时取大值。
(2) 炮眼最短距离小于100 mm时，炸药易发生挤压密实而导致拒爆，因此眼距必须大于100 mm。
(3) 直眼掏槽对钻孔精度要求高，特别是岩石越硬，钻孔精度对爆破效果影响越大，必须做到钻眼位置和角度的精确度，做到“快、准、直、齐”。
(4) 炮孔未装药部分必须全部填塞炮泥。 (5) 为充分发挥大型机械设备及中深孔爆破的优
越性，建议采用凿岩台车打眼时，炮眼深度应达
2.5 m，以更好地发挥台车的优势；采用7655手抱钻打眼，建议炮眼深度取2.0 m。 参考文献(References)：
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