聚能切割光面爆破技术在谷家台铁矿的应用

朱礼渊

（莱钢集团莱芜矿业有限公司）

谷家台铁矿水文地质条件极为复杂，是华东地区有名的大水矿山，通过采用近矿体顶板灰岩帷幕注浆堵水技术，成功解决了地下水患。为保护隔水帷幕，矿山采用下向分层胶结充填采矿法，采准工程一直布置在矿体下盘，由于下盘岩石巷道掘进、支护施工困难，安全难以保障，在下部采矿设计时，把采准工程布置到上盘灰岩内。上盘灰岩掘进需要对隔水帷幕进行保护，一直采用传统光面爆破技术，在保护围岩、提高巷道成型等方面，取得一定成效，但仍存在周边孔，布孔多而凿岩时间长、光面爆破效果不稳定、超欠挖时有发生等缺点。为了提高光面爆破效果，在上盘灰岩采准巷道进行了聚能切割光面爆破技术应用试验，并对试验效果进行对比分析，为类似地质条件巷道掘进的应用推广提供借鉴。

1 工程概况

应用试验地点位于矿体上盘石灰岩内，灰岩硬度系数f=8～10，属坚硬岩石，整体完整性较好，局部节理发育较破碎。掘进巷道断面采用直墙三心拱形，断面规格：4.2 m×3.7 m（净宽×净高），拱高/净宽=1/4。巷道一般采用添加合成纤维的湿式喷浆支护形式，局部破碎段采用喷锚网联合支护。采用华泰HT82型凿岩台车凿岩，该型台车技术参数：钎杆长度为3.07 m，最大钻进孔深为2.76 m，钻头直径为43 mm，施工炮孔直径为45 mm，采用2#岩石乳化炸药，塑料导爆管起爆。

2 聚能光面爆破技术

2.1 技术原理

聚能切割光面爆破技术就是综合运用聚能爆破和光面爆破形成的一种新的光面爆破技术。传统光面爆破和聚能切割光面爆破都是通过减少光爆孔的线装药密度，降低光爆孔炸药爆炸的初始冲量，从而减少对炮孔孔壁岩体的破坏，不同的是传统光面爆破通过缩小光爆孔的间距来控制最小抵抗线方向，最终控制爆破裂缝沿光爆眼连线方向发展。而聚能切割光面爆破还利用了聚能爆破的原理，用聚能管在炸药上定型形成聚能槽，然后利用聚能槽对爆炸能进行聚集和定向，使传统光面爆破时爆炸能向四周作径向传播转变为为沿聚能槽方向传播，生成压力超过7 000 MPa的高能射流，加上叠加应力波的作用，在光爆孔连线方向切割岩石生成约为1.5 cm的裂缝。爆炸生成的高压气体膨胀形成“气刃”效应，加快了裂缝的发展和贯通，从而提高了光面爆破效果［1-3］。

2.2 聚能爆破装置

2.2.1聚能管

聚能管材质为抗静电阻燃PVC塑料，聚能管两侧对称设计有“V”形槽，即聚能槽。聚能管管壁厚为2 mm，聚能管截面为圆形带缺口，管内直径为27 mm，聚能槽顶角为70°，聚能管长度可根据需要定制，本次试验根据炮孔深度和装药长度确定选用1.2 m。

2.2.2聚能管装药工艺

聚能管采用配套直径为27 mm的乳化炸药，每卷长为200 mm，把6只药卷首尾相连从聚能管缺口部位压入。把2块定制的定位块固定在聚能管两端往内约20 cm处，并用电工黑胶布缠紧一圈，防止聚能槽对准轮廓面时转动，同时让药卷中心线处于炮孔中心，增加了不耦合效果。将导爆管雷管反向插入聚能管底部起爆药卷内，在上盘硬岩内需要在孔底垫一只φ32 mm乳化炸药卷，作为孔底加强药，再装入聚能管，夹层节理发育段则直接装入聚能管。施工的关键环节就是调整聚能槽方向必须要沿着轮廓线方向，可以采用带槽的PVC管卡住聚能管进行旋转调整。

2.3 爆破参数设计

2.3.1炮孔孔径和不耦合装药系数

华泰HT82型凿岩台车钻凿炮眼直径为45 mm，经过试验选取的聚能管直径为φ27 mm，定制的配套药卷直径为27 mm，装药不耦系数达1.67。

2.3.2周边孔间距和最小抵抗线

周边孔间距计算，在保证光面爆破效果的基础上，可以参照经验公式，即周边炮眼间距a为

式中，d为炮孔直径，mm。

根据经验公式计算和聚能切割光面爆破现场试验验证，上盘完整灰岩周边孔间距为700～900 mm，节理较发育地段选用600～800 mm。聚能光面爆破的最小抵抗线（即光爆层厚度）参照一般光面爆破和现场试验验证，一般选用400～600 mm，本次选用500 mm。

2.3.3掏槽方式

根据凿岩台车参数和长期井下现场实践经验，采取含空孔桶状直眼掏槽的方式，多个大空孔为掏槽爆破提供了主要自由面和增加了补偿空间，使中心装药孔到大空孔距离成为最小抵抗线，并且由于掏槽孔互相平行且垂直于工作面，中心装药孔到各大空孔距离相等，利于较为均匀的破碎岩石，掏槽效果也更好［4］。图1中实心圆圈为主掏槽孔，大空心圆圈为辅掏槽孔（大空孔），大空孔采用直径为102 mm钻头进行扩孔施工，中心主掏槽孔和辅掏槽孔超深15 cm，其他主掏槽孔超深10 cm。

2.3.4水沙袋填塞

本次试验还采用水沙袋代替原来采用的黏土炮泥进行封孔，水沙袋采用带密封压条的长条状塑料袋，袋内充填1/2袋普通沙子，然后再加满清水。水沙袋属于非牛顿流体，根据非牛顿流体遇软则软、遇硬则硬的特性，在爆轰波作用下，能够迅速膨胀将炮孔堵死，填塞效果好［5］。使用时，将一个水沙袋放在孔口约5 cm位置就行，操作比黏土炮泥相对容易。另外，由于水沙袋中含水，爆破时一定程度上可起到降低粉尘浓度的环保效益。

2.3.5爆破图表

依据理论计算和矿山多年应用凿岩台车凿岩爆破的实践经验，通过现场验证优化调整，最终确定了该地点采用的爆破图表，炮孔布置如图2所示，爆破参数如表1所示。

3 实施情况及效果分析

3.1 实施情况

试验地点位于-165 m水平上盘沿脉分段巷道，此处位于上盘灰岩内，向东、西两侧都可以施工，具有2个作业面。试验机台为3号华泰HT82型凿岩台车，该机台一直在此区域采用常规光面爆破工艺进行掘进施工。聚能切割光面爆破应用试验前期，主要对职工进行新工艺理论和实践操作培训，同时通过进行现场试验，调整优化凿岩爆破参数。期间出现过巷道轮廓成型质量不稳定的现象，经过分析，主要是因为部分循环钻凿的周边孔同面性差和聚能管定位存在偏差，通过对凿岩台车工和爆破工进行集中学习培训，结合技术人员跟班指导，解决了职工不规范操作的问题。

通过前期试验，确定了适合该地点的光面爆破参数，同时让职工熟练掌握了该操作工艺，在4月初开始，按照标准的聚能切割光面爆破工艺进行掘进施工，并由技术人员现场跟班详细测量记录各项数据。截至4月底，共施工28 d，完成掘进正循环67次，总进尺为157.5 m，平均进尺为2.35 m，炮眼利用率达90%以上。具体爆破技术参数见表2。

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3.2 效果分析

（1）采用聚能切割光面爆破后，巷道成型质量有了明显提高，超欠挖大为减少，特别是周边孔眼痕率达到了90%，眼痕长度在2 m以上的能达到80%，爆破效果见图3。

（2）聚能切割光面爆破技术减轻了对围岩的破坏，提高了巷道自承能力，除局部节理发育段，大部分成巷不再需要进行喷浆支护，从而节省了处理浮石和喷浆支护时间，减少了正循环作业时间，提高了综合掘进效率。此外，该光面爆破技术节约了火工材料和支护材料，创造了可观的经济效益。

4 结论

（1）聚能光面爆破技术在减少周边孔的情况下，达到了提高巷道成型质量和半孔率的效果，同时节约了凿岩、处理浮石和支护时间，提高了综合掘进效率。

（2）采用聚能光面爆破技术时，减轻了对围岩的破坏，减少了浮石的生成，同时也保护了隔水帷幕，创造了较好的安全效益。

（3）聚能切割光面爆破技术减少了周边孔总装药量，节约了喷浆支护成本，创造了一定的经济效益。

（4）推行聚能光面爆破技术的关键是周边孔的钻凿质量和聚能管安装方向定位，必须保证周边孔都在巷道廓线上。