第九章_井巷掘进爆破

第 9章 井巷掘进爆破井巷工程：为进行采矿或其他工程目的，在地下开凿的各类通道 和硐室的总称。爆破是井巷掘进中通常使用的基本方法。爆破效果的好坏直接影响到井巷施工的质量、速度和成本。合理地布置工作面上的炮孔和正 确确定爆破参数，是取得良好爆破效果和加快掘进速度的重要保证。井巷掘进爆破包括：平巷掘进爆破、井筒（立井、斜井）掘进爆 破、隧道掘进爆破和硐库开挖爆破。广泛应用于矿山、交通、水利水 电、大型油库等工程中。9.1 平巷掘进爆破平巷（水平巷道 ：地下矿山，开凿在岩体或矿层中不直通地表的水平通道。平硐：地下矿山，开凿在岩体或矿层中直通地表的水平巷道。平巷掘进爆破的特点：只有一个自由面，且炮孔深度受到限制， 一般孔深只有 1.53m。9.1.1 工作面炮孔布置132图 9-1 炮孔种类1-掏槽孔；2-辅助孔；3-周边孔炮孔的种类：平巷掘进中的炮孔，根据所处位置和作用的不同， 将其分为掏槽孔、辅助孔（崩落孔）和周边孔。周边孔又分为顶孔、 帮孔和底孔（图 9-1）。掏槽眼：在巷道断面的适当位置（一般在中央偏下）布置的几个 装药量较多、首先起爆的炮眼。辅助眼：位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼。 周边眼：布置在巷道掘进断面开挖轮廓线上的炮眼。平巷掘进爆破时，由于只有一个自由面，四周岩石的夹制力很大， 爆破条件困难，故掏槽孔的布置极为重要。各类炮孔的作用：掏槽孔的作用是在工作面上首先炸出一个槽 腔，形成第二个自由面，为其他炮孔的爆破创造有力的条件。辅助孔 的作用是扩大和延伸掏槽的范围，并将岩石崩落（进一步扩大掏槽和 崩落岩石）。周边孔的作用是控制巷道断面的形状和规格。为了提高 其他炮孔的的爆破效果，掏槽孔比其他炮孔深0.150.25m （般取 0.2m）。平巷掘进爆破的关键是掏槽眼和周边眼的爆破，掏槽眼为辅助眼 和周边眼的爆破创造了有利条件，直接影响循环进尺和掘进效果；周 边眼关系到开挖边界的超欠挖和对周围围岩的影响。（ 1）掏槽形式由于巷道断面、岩石性质和地质构造等条件的不同，掏槽孔的排 列形式很多，归纳起来有三种：即斜眼掏槽、直眼掏槽（平行空孔直 线掏槽）、混合掏槽。1）斜眼掏槽特点：所有掏槽眼与工作面斜交。分为单向掏槽、锥形掏槽和楔 形掏槽。单向掏槽（图 9-2 ：掏槽孔排列成一行或两行，并朝一个方向倾 斜。适用于软岩或具有层理、节理、裂隙或软弱夹层的岩石中。根据 自然弱面的存在情况，可分别采用顶部掏槽、顶部掏槽、侧向掏槽或 扇形掏槽。掏槽孔的倾斜角度根据岩石可爆性的不同，取5070。ab-9-2 单向掏槽 da一顶部掏槽；b底部掏槽；c侧向掏槽；d一扇形掏槽锥形掏槽：各掏槽孔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，爆破后形成锥形槽。孔数为 36 个，通常呈三角锥形、正锥形和圆锥形（图 9-3）。正锥形掏槽 在平巷掘进中使用较多，圆锥形掏槽多用于竖井掘进。楔形掏槽：通常由两排或两排以上相对称的倾斜炮孔组成，爆破 后形成楔形槽。两排孔为单楔形掏槽（简称楔形掏槽），两排以上为 双楔形（多楔形）掏槽。楔形掏槽可分为垂直楔形和水平楔形（图9-4）。楔形掏槽常用于中硬以上的均质岩石，巷道断面大于4m2。当巷道岩层有水平层理时，宜采用水平楔形掏槽，以利于钻孔和爆破。当岩石更为坚硬时，可采用双楔形掏槽。楔形掏槽每对掏槽孔间距为0.20.6m，掏槽孔与工作面交角为5575，孔底距离为 1020cm。图 9-3 锥形掏槽caba三角锥形；b正角锥形；c圆锥形图 9-4 楔形掏槽a垂直楔形掏槽；b水平楔形掏槽倾斜孔掏槽的优点：所需掏槽孔数较少，掏槽体积大，易将岩石 抛出，有利于其它炮孔的爆破。缺点：掏槽孔深度受到巷道断面限制， 因而影响到每个掘进循环的进尺；岩石抛掷距离远，岩堆分散，影响 装岩效率。（2）平行空孔直线掏槽（直眼掏槽）所有掏槽眼均垂直于工作面，且相互平行，其中有几个不装药的 空孔，作为装药炮孔爆破时的辅助自由面和破碎岩石的碎胀补偿空 间。直眼掏槽分为龟裂掏槽、筒形掏槽和螺旋掏槽。龟裂掏槽：有垂直龟裂和水平龟裂两种。掏槽孔均布置在一条直 线上，彼此间严格平行，装药孔与空孔间隔布置，爆破后形成一条槽 缝，故又称缝形掏槽。炮孔数目取决于断面大小和岩石坚固性系数。 中硬以上岩石，37个掏槽孔，孔间距815cm。空孔直径可与装药 孔直径相同，也可以是50100m m。这种掏槽方式最适于工作面有较 大的夹层或接触带相交的情况，将掏槽布置在较软或接触带附近的部 位。由于龟裂掏槽体积较小，故常被桶形掏槽所代替（图 9-5）。图 9-5 龟裂掏槽和桶形掏槽 ba龟裂掏槽；b桶形掏槽桶形掏槽：又称角柱形掏槽。各掏槽孔呈对称形式排列，由 47 个炮孔组成，其中 14 个空孔。应用范围广，大、中、小断面均可。岩石较硬时，也可采用 75100mm 的大直径空孔（图 9-6）。桶形掏槽较龟裂掏槽形成的槽腔体积大，在中硬岩石中使用较为普遍。图 9-6 大直径空眼角柱形掏槽电装药孔； 一空孔；1、2、3、4起爆顺序螺旋掏槽：由桶形掏槽发展而来。各装药孔至空孔距离依次递增， 呈螺旋线布置，并按由近及远的顺序起爆，形成非对称桶形。空孔可 以是小直径，也可以是大直径。能充分利用自由面，扩大掏槽效果， 适用于均质岩石。扩槽原理如图9-7 所示。b图 9-7 螺旋掏槽原理示意图a 小直径空眼； b 大直径空眼空孔一般只用1个，遇到坚韧难爆的岩石时，可以增加1 或 2 个空孔（图中虚线所示）。螺旋形掏槽孔爆破后往往在槽中存留下被压实 的岩碴，影响辅助孔的爆破效果，为了克服这一缺点，常将空孔比装 药孔加长300500mm,并在孔底装入200300g炸药，然后用充填物 堵塞约100m m,待所有掏槽孔爆破之后，紧接着反向起爆，以利于 抛碴。小直径空孔螺旋掏槽（图9-8），各装药孔与空孔之间的距离，可根据炮孔直径d,按以下方法确定：Li=（l1.8） d； L2=（23.5） d； L3=（34.5） d； L4=（45-5）d图 9-8 小直径空眼螺旋掏槽.I:刈.图 9-9 大直径空眼螺旋掏槽大直径空孔螺旋掏槽炮孔布置见图9-9。直眼掏槽与倾斜孔掏槽相比，其优点是：孔深不受巷道断面限制， 可进行较深炮孔的爆破，加大掘进循环的进尺；掏槽体积里外大小较 一致，因而相邻炮孔的最小抵抗线里外也较一致，使爆落的矿岩块度 均匀，不会抛掷太远，爆堆集中在工作面附近，有利于装岩，其缺点 是：掏槽孔数较多，掏槽体积小，装药孔和空孔的间距不能太大且需 相互平行，要求要有较高的钻孔技术。楔形掏槽的优点是：1）所需炮孔数量少；2）炸药单耗低；3） 爆破单位体积岩石所需的炮孔长度小。直孔掏槽的优点是：1）炮孔 利用率高；2）孔深不受巷道断面限制；3）破碎块度均匀；4）钻孔 方便，准确性高。楔形掏槽的缺点正是直孔掏槽的优点。混合式掏槽：混合掏槽是指将两种以上的掏槽方式混合使用。在 遇到岩石特别坚硬或巷道断面较大时，可以采用复式楔形掏槽或桶形 与锥形混合掏槽。（2）辅助眼（崩落眼）和周边眼的布置原则1）布孔均匀：既要充分利用炸药能量，又要保证岩石按设计轮 廓线崩落。孔间距根据岩石性质而定，一般辅助孔取0.40.8m,周边 孔取0.51 m，周边孔距巷道轮廓线0.10.2m。2）底孔布置比较困难，有积水时易产生哑炮。因此：底孔间 距一般为0.40.7m，抛渣爆破时，底孔采用较小间距。底孔孔口应 比巷道底板高出0.10.2m，但其孔底底应低于底板0.10.2m，抛渣爆 破时，应将炮孔深度加深0.2m左右。底孔装药量介于掏槽眼和辅 助眼之间，装药长度为眼深的0.50.7倍，抛渣爆破时，每孔增加12 个药卷。注意：直眼掏槽一般都采用过量装药，装药长度占全眼长的 70%90%，如果装药长度不够，易发生“挂门帘”和“留门坎”现象。当 眼深大于2.5m时易产生沟槽效应，应采取相应措施防止爆轰中断。 必熟题 29、平巷掘进工作面炮孔布置的原则和方法是什么？ 答：(1)工作面各类炮孔布置的顺序是：首先选择适当的掏槽方式和 掏槽位置，其次是布置好周边孔，最后根据断面大小均匀布置辅助孔。(2) 掏槽孔的位置会影响岩石的抛掷距离和破碎块度，通常布置 在断面的中央偏下，并考虑辅助孔的布置较均匀。(3) 周边孔一般布置在断面轮廓线上，按光面爆破要求，各炮孔 要相互平行，孔底落在同一平面上，孔底的最小抵抗线和炮孔间距通 常与辅助孔相同。为保证爆破后在巷道底板不留“根底”，底孔孔底 要超过底板轮廓线。(4) 布置好掏槽孔和周边孔后，再布置辅助孔。辅助孔是以槽腔 为自由面层层布置，均匀地分布在被爆岩体上，并根据断面大小和形 状调整好最小抵抗线和炮孔密集系数。30、试述倾斜孔掏槽和平行空孔直线掏槽的区别和适用条件是什么？ (斜眼掏槽和直眼掏槽) 答：倾斜孔掏槽是指掏槽孔方向与工作面斜交的掏槽方法，通常分为 单向掏槽、锥形掏槽和楔形掏槽。平行空孔直线掏槽也称直眼掏槽，所有掏槽孔均垂直于工作面，且互相平行，通常分为龟裂掏槽、桶形掏槽和螺旋形掏槽。斜眼掏槽与直眼掏槽的适用条件如下表所示。掏槽的适用条件适用条件倾斜孔掏槽直孔掏槽开挖断面大小大断面较适用大小断面均可，小断面优先地质条件各种地质条件均适用韧性岩层不适用炮孔深度受断面大小限制，不宜太深不受断面大小限制，可以较大爆破效果抛渣远、易损坏设备爆堆较集中9.1.2 爆破参数确定（1）炮孔直径直径大小直接影响钻孔速度、炮孔数量、炸药单耗、爆落岩石块 度及巷道轮廓的平整度。炮孔直径过大，钻速降低，而且会因孔数减 少而影响药量均匀分布，导致岩石破碎质量较差。目前，国内平巷掘进多采用手持式凿岩机和气腿式凿岩机，孔径有普通型和小直径型两种。表 9-5 两种类型的孔径类型孔径（mm）约卷直径（mm）普通型40423235小直径型343527当采用重型凿岩机和凿岩台车钻孔时，炮孔直径为 4555mm，可采用直径为 4045mm 的药卷。2）炮孔深度炮孔深度简称孔深，至孔底到工作面的垂直距离。而炮孔长度是 指炮孔方向的实际长度。孔深不仅影响掘进的工作量和完成各工序的时间，而且影响爆破 效果和掘进速度。它是决定每班掘进循环次数的主要因素。确定原则：为了实现快速掘进，在提高机械化程度、改善循环技 术和改进工作组织的前提下，应力求加大孔深并增加掘进循环次数。 普通型孔径的孔深可根据岩石坚固性和掘进断面积按表9-6 确定。（3）炮孔数目 与掘进断面、岩石性质、炮孔直径、炮孔深度和炸药性能等因素 有关。确定原则是在保证爆破效果的前提下，尽可能减少炮孔数目。 估算公式：N = 3.3兀fS2（4）单位炸药消耗量 取决于炸药性能、岩石性质、巷道断面积、炮孔直径和炮孔深度 等因素。在实际工程中，确定炸药单耗多采用经验公式或参考国家定 额标准。经验公式修正的普氏公式：q二1.1K ：f 叫S式中，K炸药爆力校正系数，K0 = 525/p, p为炸药的爆力。 经验值与定额标准：P34表9-7、9-8。确定了单位炸药炸药消耗量q之后，根据每一循环爆落的岩石体 积，可求出每循环使用的总药量：Q = qV = qSLn耳为炮孔利用率，一般可取耳=0.80.95。9.1.3 爆破说明书与爆破图表是巷道施工组织设计的重要组成部分，是指导检查和总结爆破工作的技术文件。1）爆破工程的原始资料。2）选用的爆破器材与钻孔机具。3）爆破参数的计算选择。（掏槽方法、炮孔直径、深度、数量、 单耗、每孔装药量、填塞长度等）4）爆破网路设计和计算。5）采取的安全技术措施。 爆破图表的编制：炮孔布置图、装药结构图、炮孔布置参数及装 药参数表、预期爆破效果及经济指标。炮孔布置参数及装药参数表炮孔名称*孔数/个孔深/m角度/ ()装药量起爆顺序水平垂直小计/kg掏槽孔辅助孔周边孔底孔合计岩土设计5：某地下工程巷道开挖断面底宽4m,直墙高2m,顶部半圆拱。岩性为弱风化花岗岩 ，岩石硬而脆，经试爆单位耗药量约为 1.0kg/m3。(掘进断面积 S = 14.28m2、f = 16)请给出开挖爆破设计：掏槽方式、孔深、孔斜、孔距、排距、单孔装药量；辅助孔的孔距、排距、孔深、单孔药量、填塞长度；周边 孔的孔距、孔深、线装药密度、单孔装药量、填塞长度；起爆网路图 （起爆顺序与雷管段位）。按爆破循环进尺 Lj = 1.5m 进行爆破设计。j炮孔数量估算：N = 49个。实际布孔51个。5400二.4000II I! II炮孔布置图9.2 立井（竖井）掘进爆破立井是在地层中开凿的直通地面的竖直通道。9.2.1 立井工作面炮孔布置炮孔种类与平巷相同。立井多采用圆形断面（承压性能好、通风阻力小、便于施工） 炮孔布置呈同心圆布置，同心圆一般为 35 圈，最靠近开挖中心的 12 圈为掏槽孔，最外一圈为周边孔，其余为辅助孔（崩落孔）。（1）掏槽孔的形式1）圆锥形掏槽：倾角多为7080，比其他孔深0.20.3m。孔底 间距不得小于 0.2m。2）直孔桶形掏槽：圈径1.21.8m,孔数47个。有一级、二级 和三级掏槽（坚硬岩石采用二级或三级）。二级、三级：即布置多圈掏槽，相邻圈距0.20.3m，由里向外逐 圈加大孔深。为改善岩石的破碎效果，可在井筒中心钻凿13 个空孔，空孔较其他炮孔深超过0.5m，孔底装少量炸药，最后起爆。（2）辅助孔（崩落孔）和周边孔布置原则1）辅助孔可布置多圈，最大圈与周边孔距离要满足光爆层要求以0.50.7m为好。其余辅助孔的圈距0.61m，孔距0.81.2m。2）周边孔布置有两种方式：采用光面爆破：布置在井筒轮廓线上，孔距0.40.6m。炮孔略向 外倾斜，孔底偏出轮廓线 50100mm。采用非光面爆破： 布置在距井帮 0.150.3m 的圆周上，孔距0.60.8m。炮孔向外倾斜，孔底落在轮廓线上。9.2.2 立井爆破参数确定（1）炮孔直径取决于使用的钻孔机具和炸药性能。 手持式凿岩机直径3946mm；伞形钻架直径3550mm。（2）炮孔深度确定时考虑以下三个因素：钻孔机具：手持式凿岩机2m；伞形钻架3.54m。掏槽形式：我国多采用直孔掏槽，最大孔深4.4m，国外5m。炸药性能： 32mm 药卷，药卷过长，会引起爆轰不稳定，甚至拒 爆。中深孔和深孔爆破，应改善炸药的爆炸性能或采用电力起爆和导 爆索起爆的复式起爆网路。炮孔深度可按月进度计划要求来计算：心 L n24 - n 耳耳1L为计划月进度进尺，m； n为每月掘进的天数，d； n1为每循环小时数；耳为炮孔利用率，0.80.9；耳循环率，80%90%。1（3）炮孔数目（N）根据单位炸药消耗量对炮孔数目进行估算的公式：n=qSm（X Gm每个药包的长度，m； G每个药包的质量，kg； a炮孔的平均装药系数（32mm 药卷 0.60.72，35mm 药卷 0.60.65）。（4）单位炸药消耗量主要影响因素：岩石坚固性、岩石结构构造、炸药威力等。由于 井筒断面积较大， q 与断面积大小关系不大（和平巷的区别）。确定方法：1）参照标准定额； 2）试算法； 3）类比法（参照类 似工程，表 9-10）。试算法：根据经验先布置炮孔，并选择各类炮孔的装药系数，分 别计算各炮孔的装药量、每循环的炸药量和单位炸药消耗量。（5）辅助孔（崩落孔）参数 圈距、孔距、装药系数和炮孔数目。圈距W：崩落孔圈距即最小抵抗线。孔距E：圈距确定后，按公式E = mW确定。炮孔密集系数一般为 1.01.2，紧靠周边孔的崩落孔为 0.81.0。 装药系数：装药长度与炮孔深度的比值，一般取 0.450.6。 炮孔数目：各圈炮孔数目的总和。（6）周边孔参数9.2.3 立井掘进起爆网路 多采用电雷管起爆网路和导爆管雷管起爆网路。 （1）电雷管起爆网路 串联网路易产生拒爆极少采用，广泛采用并联网路和串并联网 路。并联网路分为：闭合反向并联、闭合正向并联和反向并联。 （2）导爆管雷管起爆网路 接力式簇联起爆网路。9.2.4 斜井掘进爆破斜井即倾斜的井筒，是在地层中开凿的直通地面的倾斜巷道。为 开凿斜井而进行的掘进工程称为斜井掘进。坡度小于810时，爆 破方法与水平巷道基本相同；坡度大于35时，爆破方法基本与立井 相同。1）斜井掘进爆破特点1）钻具、工序与平巷相同；但通常采用抛渣爆破；单位炸药消 耗量比平巷大。2）炮孔排列类似于平巷，平巷的掏槽方式适用于斜井爆破；工 作面是倾斜面，各炮孔要有一定角度。3）底孔倾角比斜井倾角大510，孔深加大200300mm,孔底低于底板200mm,加大底孔装药量。4）工作面有积水，使用防水炸药和起爆器材。5）通风比较容易，运输和排水比较困难。6）采用耙斗装岩机和气腿式凿岩机，机械化程度受到限制。7）大断面斜井地面设动力起爆电源，斜巷可采用放炮器在躲避 硐起爆。9.3 隧道掘进爆破隧道是铁路、公路等建设的重点和关键工程。比较常用的开挖方 法有钻爆法、盾构法和掘进机法三种。由于钻爆法对地质条件的适应 性强、成本低，特别适合于坚硬岩石隧道和破碎岩石隧道的施工。所 以，钻爆法仍然是当前国内外常用的隧道开挖方法。9.3.1 隧道爆破施工特点与矿山巷道爆破同属于只有一个临空面的爆破，开挖原则基本相 同，但隧道爆破具有以下特点：1）断面尺寸大；2）地质条件复杂； 3）服务年限长，造价昂贵；4）钻孔质量和精度要求高，确保隧道方 向的准确性。由于隧道爆破的特殊性，各部位的炮孔比一般巷道有更加细致的划分：掏槽孔、扩槽孔、边墙孔、拱顶孔、周边孔、底板孔、二台孔、崩落孔。拱顶孔崩落孔周边孔掏槽孔扩槽孔边墙孔二台孔底板孔图 9-18 隧道爆破各部位炮孔名称9.3.2 隧道开挖方法1）全断面开挖法（简答题 52）全断面开挖法是在地质条件较好的隧道施工中，以手风钻或凿岩 台车钻孔、装药、填塞、起爆网路连接，一次完成整个断面开挖，并 以装渣、运输机械完成出渣作业的方法。（2）半断面开挖方法半断面开挖法是以上半断面或弧形导坑快速贯通或掘进到一定 距离后停止前进，然后用大型机械一次扩大为全断面的开挖方法。（3）分部开挖方法（简答题 53）在隧道断面上，先以小型断面进行导坑掘进，然后分成若干部位 逐步扩大到设计断面的开挖方法。分部开挖各部分的位置、尺寸、顺 序及开挖前后间距需根据围岩情况、机械设备、施工习惯等灵活掌握。分部开挖法由于工序繁多，围岩多次扰动，开挖面长时间暴露， 隧道塌方经常发生；作业空间狭小，半机械化作业，环境差，工效低， 目前隧道施工中已很少采用。9.3.3 隧道施工的掏槽形式（1）楔形掏槽楔形掏槽是隧道掘进爆破的主要形式，循环进尺较大时宜采用多 级复式楔形掏槽。（2）小直径中空直孔掏槽3）大直径中空直孔掏槽9.4 平巷（隧道）周边孔光面爆破和预裂爆破 9.4.1 光面和预裂爆破参数（确定方法见 P360）360光面爆破的主要参数有：孔径d、孔距E、光爆层厚度W光、周 光边孔密集系数m、不耦合系数D和线装药密度q。l预裂爆破的主要参数除没有光爆层厚度外，其他和光面爆破参数 相同。9.4.2 光面和预裂爆破效果评价（见 P362）362超欠挖、两炮衔接台阶尺寸、炮孔眼痕率（半孔率）、炮孔利用 率。