CN113124722B - 一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，涉及隧道工程爆破技术领域，解决了爆破飞石破坏掘进工作面设备的问题。该方法包括：在掘进工作面钻凿多排呈扇形布置的掏槽孔，每排掏槽孔确定的平面与底板平行。在扇形掏槽孔的首响炮孔相邻一侧钻凿预裂孔。在掏槽孔和预裂孔内装填炸药和雷管。在掘进工作面和保护设备之间放置碴堆，碴堆与扇形掏槽孔相对布置。预裂孔先于掏槽孔起爆，掏槽孔按照每列掏槽孔与掘进工作面所成锐角由小到大的顺序起爆。本发明通过预裂成型槽腔降低了岩石的夹制作用，保证了相邻辅助炮孔最小抵抗线的稳定，通过降低掏槽部位高度、设置碴堆等措施，实现了对掏槽爆破飞石抛掷方向和抛掷范围的控制。

Description

一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法

技术领域

本发明涉及隧道工程爆破技术领域，尤其是一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法。

背景技术

在隧道的开挖施工过程中，为了提高爆破效率，常需要加大掏槽部位的装药量，以达到良好的爆破效果。常规的掏槽方式和爆破方法产生的飞石抛掷距离通常距工作面20m～30m，个别飞石能达到40m～50m。爆破飞石会对掘进工作面附近的设备、设施产生较为严重的破坏。在煤矿岩巷掘进施工中，为提高巷道钻爆施工的机械化水平，在巷道掘进施工中开始使用钻装运一体机。这类一体机由于设备结构特点所致，爆破时一体机的机头只能撤至距掘进工作面15m～20m的位置。通常一体机及风筒、水管等需要保护的设备布置在隧道的一侧，另一侧需留出行人、设备通道。爆破时通道位置不放置需保护的装备和设施。为了避免爆破飞石对一体机机头及风筒、水管等需要保护的设备的破坏，需要在掘进工作面与一体机间搭设多重防护设施，增加了施工工序、施工成本，降低了施工效率。因此采取合理的爆破方法，控制飞石抛掷方向，有效降低爆破飞石的抛掷距离，降低爆破飞石对一体机及风筒、水管的破坏，可以有效提高隧道掘进效率，具有重要的应用价值。

《扇形掏槽一次爆破成巷技术在河北某铁矿的应用》(庞博等，现代矿业，2018年06期，第90～第92页)提供了一种扇形掏槽爆破方法。具体是采用扇形掏槽，先爆破炮孔为后爆破炮孔不断提供新的自由面和补偿空间以实现良好掏槽的技术效果。但是仍存在以下问题：(1)单边扇形掏槽具有飞石抛掷方向单一、爆堆集中，抛掷距离较远的特点。(2)为提高施工效率，在同一掘进工作面钻孔时，通常不变换钻杆长度。在钻杆长度一定的情况下，为取得最大的爆破循坏进尺，通常用钻杆将垂直工作面的炮孔钻至最深。这样，对于单边扇形掏槽，在倾斜炮孔的底部就产生了一个钻孔不能达到的盲区(图1)。由于岩石的夹制作用，掏槽孔起爆后，在这个盲区就容易形成岩坎。受岩石性质、钻孔角度、装药量等因素的影响，岩坎的大小、形态存在极大的不确定性。为了爆落这个岩坎，通常需要加大岩坎附近与槽腔相邻辅助孔的装药量Q。若装药量Q较小，则不能将岩坎爆落，从而影响爆破效果；装药量Q较大，则易产生飞石，且飞石的抛掷方向与单边扇形掏槽飞石的主抛掷方向相反(以下简称该方向为“反方向”)，加大了控制的难度。(3)对于首响炮孔，很容易将相邻一侧槽腔口部的岩石爆落，形成超挖区(图1)，使得与超挖区相邻辅助炮孔的最小抵抗线减小，也容易形成反方向的飞石。(4)如果在掏槽孔爆破时，就能消除孔底盲区的岩坎，同时避免槽腔口部形成超挖区，并形成形态规整的槽腔，那么与槽腔相邻辅助孔最小抵抗线的尺寸就是一个确定值，从而就可以确定辅助孔的最优装药量，有效降低反方向爆破飞石的抛掷距离和抛掷范围。(5)通常，为了方便钻孔，掏槽部位距离底板的最小高度在80cm左右，最大高度在180cm左右。掏槽部位偏高，加大了爆破飞石的初始抛掷高度，从而造成爆破飞石抛掷距离远、抛掷范围大的后果，加大了防护的难度。

目前常用的爆破飞石防护方法多采用钢板、橡胶板、防护网等构成防护层进行覆盖防护或采用覆盖橡胶轮胎、棉被的钢架台车等。采取覆盖防护或台车防护的防护方法属于被动防护，工序多，施工人员的工作强度大，劳动效率低。对防护用品的承载能力、质量要求较高，且不能完全避免飞石对设备的破坏。另外现有的阻挡飞石的结构或设备难以实现对飞石的完全阻挡，并且安装拆卸费时耗力，不利于提升掘进效率。

发明内容

现有的单边扇形掏槽爆破方法，其主要目的还是为了增加循环进尺，提高巷道掘进效率，并未考虑爆破飞石的控制问题。单边扇形掏槽爆破方法的爆破飞石主抛掷方向单一，爆破飞石的控制难度相对较低。本发明重点解决掏槽孔孔底遗留岩坎、槽腔口部形成超挖区的问题，使反方向爆破飞石的飞散距离和飞散范围就能够得到控制。同时，利用单边扇形掏槽主抛掷方向单一的特点，使主抛掷方向朝向隧道内无保护设施的方向，借助在掘进工作面和掘进设备之间放置的碴堆，控制碴石的抛掷方向和抛掷范围，较好地解决爆破飞石破坏工作面设备的技术难题。

为了降低爆破飞石对掘进工作面附近设备的破坏，减少用于防护的时间、人力、物力，降低防护成本，有效提高隧道掘进效率，本发明提供了一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法。具体的技术方案如下。

一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，步骤包括：

S1.在掘进工作面钻凿多排呈扇形布置的掏槽孔，每排掏槽孔确定的平面和底板平行；每列掏槽孔与掘进工作面的夹角由小到大布置。

S2.在扇形掏槽孔的首响炮孔相邻一侧钻凿预裂孔。

S3.在掏槽孔和预裂孔内装填炸药和雷管，每列与掘进工作面夹角相同的掏槽孔使用相同段别的雷管。

S4.在掘进工作面和掘进设备之间放置碴堆，碴堆与扇形掏槽孔相对布置。

S5.预裂孔先于掏槽孔起爆，掏槽孔按照每列掏槽孔与掘进工作面所成锐角由小到大的顺序起爆。

优选的是，掏槽孔均布置在掘进工作面垂直中心线的一侧，避开掘进工作面设备集中布置的另一侧，同一平面内的多个掏槽孔按照与掘进工作面所成锐角和炮孔长度逐渐增大的顺序布置。

还优选的是，呈扇形布置的最下排掏槽孔与底板孔相邻。

还优选的是，呈扇形布置的掏槽孔最上排与底板距离小于120cm。

还优选的是，预裂孔连成的预裂面垂直于隧道底板。

还优选的是，预裂孔与掏槽孔的孔位在工作面上交错布置，预裂孔形成的预裂缝与掏槽孔的孔底留设10cm～20cm的间距。

还优选的是，最上端预裂孔与最下端预裂孔的距离大于最上排掏槽孔与最下排掏槽孔的距离。

进一步优选的是，碴堆的高度大于最上排掏槽孔与底板之间的距离，碴堆的宽度大于掏槽孔和预裂孔之间的最大水平距离。

进一步优选的是，碴堆与掘进工作面之间的距离为300cm～500cm。

进一步优选的是，碴堆由矸石堆积而成，或者是由金属板、木材搭建而成，或者是由沙土堆积而成。

本发明提供的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法有益效果包括：

1.通过采用单边扇形掏槽，控制飞石的抛掷方向，使飞石朝无保护目标的方向运动。

2.通过降低掏槽部位的高度，降低爆破飞石的初始抛掷高度，从而有效控制飞石的抛掷距离。

3.通过设置预裂孔，在首响炮孔孔底一侧形成与一条与底板垂直的裂缝，消除了岩石夹制的作用。由于有预裂缝的存在，在掏槽孔依次起爆的过程中：(1)限制了首响炮孔爆破的破坏范围，避免在槽腔口部形成超挖区。(2)炸药爆炸的能量就可以将盲区岩石爆落并带出槽腔，并沿预裂缝形成一个轮廓规整的槽腔。轮廓规整的槽腔，使得预裂缝外侧辅助孔的最小抵抗线尺寸确定，从而可以通过试炮确定稳定的装药量，达到控制反方向飞石抛掷距离和抛掷范围的目的。

另外，预裂孔与掏槽孔的孔位在工作面上交错布置，以避免预裂孔起爆时将掏槽孔内的炸药殉爆。使用碴堆阻挡爆破飞石，就地取材、成本低廉。采用低位掏槽方式，有效降低了碴堆尺度和碴石用量，降低了堆碴和清运的工作量，挡碴效果稳定。

附图说明

图1是单边扇形掏槽形成盲区的示意图(Z为主抛掷方向，F为反方向)；

图2是掘进工作面炮孔及碴堆布置示意图；

图3是图2的A-A截面示意图；

图4是掘进工作面的炮孔布置示意图；

图中：1-掏槽孔；2-盲区；3-预裂孔；4-超挖区；5-辅助孔；6-周边孔；7-碴堆；8-钻装运一体机；9-风筒。

具体实施方式

结合图1至图4，对本发明关于一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法的具体实施方式进行说明。

实施例1

一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，步骤包括：

S1.在掘进工作面钻凿多排呈扇形布置的掏槽孔1，每排掏槽孔1确定的平面和底板平行；每列掏槽孔1与掘进工作面的夹角由小到大布置。

掏槽孔1均布置在掘进工作面垂直中心线的一侧，避开掘进工作面设备集中布置的另一侧，同一平面内的多个掏槽孔按照与掘进工作面所成锐角和炮孔长度逐渐增大的顺序布置。呈扇形布置的最下排掏槽孔与底板孔相邻。呈扇形布置的掏槽孔最上排与底板距离小于120cm。通过降低掏槽部位的高度，降低爆破飞石的初始抛掷高度，从而有效控制飞石的抛掷距离；另外通过采用单边扇形掏槽，控制飞石的抛掷方向，使飞石朝无保护目标的方向运动。

S2.在扇形掏槽孔1的首响炮孔相邻一侧钻凿预裂孔3。

其中，首响炮孔为第一个起爆的炮孔，预裂孔连成的预裂面垂直于隧道底板。预裂孔与掏槽孔的孔位在工作面上交错布置，预裂孔形成的预裂缝与掏槽孔的孔底留设10cm～20cm的间距。最上端预裂孔与最下端预裂孔的距离大于最上排掏槽孔与最下排掏槽孔的距离。

通过设置预裂孔，在首响炮孔孔底一侧形成与一条与底板垂直的裂缝，消除了岩石夹制的作用。由于有预裂缝的存在，在掏槽孔依次起爆的过程中，限制了首响炮孔爆破的破坏范围，避免在槽腔口部形成超挖区。

S3.在掏槽孔1和预裂孔3内装填炸药和雷管，每列与掘进工作面夹角相同的掏槽孔使用相同段别的雷管。

S4.在掘进工作面和掘进设备之间放置碴堆7，碴堆7与扇形掏槽孔1相对布置。

其中碴堆的高度大于最上排掏槽孔与底板之间的距离，碴堆的宽度大于掏槽孔和预裂孔之间的最大水平距离。碴堆与掘进工作面之间的距离为300cm～500cm。使用碴堆阻挡爆破飞石，就地取材、成本低廉。

S5.预裂孔3先于掏槽孔1起爆，掏槽孔1按照每列掏槽孔与掘进工作面所成锐角由小到大的顺序起爆。

炸药爆炸的能量就可以将盲区岩石爆落并带出槽腔，并沿预裂缝形成一个轮廓规整的槽腔。轮廓规整的槽腔，使得预裂缝外侧辅助孔的最小抵抗线尺寸确定，从而可以通过试炮确定稳定的装药量，达到控制反方向飞石抛掷距离和抛掷范围的目的。

另外，预裂孔与掏槽孔的孔位在工作面上交错布置，以避免预裂孔起爆时将掏槽孔内的炸药殉爆。

实施例2

一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，在某煤矿北二辅助运输巷道爆破掘进施工过程中实施。掘进工作面的基本情况为：北二辅助运输巷道掘进工作面开挖高度375cm，开挖宽度540cm，开挖面积17.1m²，岩性为粉砂岩。采用煤矿许用三级水胶炸药，其做功能力为220ml，爆速为3000m/s，猛度为10mm，药卷直径35mm，长度40cm，质量为400g/卷。使用钻装运一体机8钻孔，钻杆长度200cm，钻凿的最大炮孔长度185cm。采用1～5段煤矿许用电雷管。爆破前将钻装运一体机8撤至距离掘进工作面15m处，在巷道面向工作面的左侧停靠，右侧用于行人、设备通道。

具体的施工步骤为：

步骤1，掏槽孔1施工。在掘进工作面垂直中心线右侧按照扇形掏槽方式钻出3排倾角和长度逐渐增大的炮孔。每排4个炮孔，每排掏槽孔构成的平面与底板平行，排距H₁为30cm。每排对应位置的3个炮孔组成一列，共4列。每列炮孔均垂直于巷道底板。4列炮孔的编号依次为1#、2#、3#和4#，与掘进工作面的夹角α分别为45°、60°、75°和90°。炮孔长度随夹角α的增大而加长，依次为145cm、160cm、185cm和185cm。掏槽孔在工作面上的列间距L₁为25cm，4#炮孔位于掘进工作面垂直中心线上，最下排掏槽孔与底板距离H₂为35cm，最上排掏槽孔与底板距离H₃为95cm。

步骤2，预裂孔2施工。在槽腔右侧，钻凿一列与掘进工作面垂直的孔深为185cm的预裂孔2，预裂孔孔数为4个，孔间距H₄为30cm，下部的预裂孔与底板距离H₅为20cm。预裂孔2连成的预裂面垂直于底板，与掘进工作面夹角为90°。4#掏槽孔与预裂孔2的水平距离L₂为190cm，预裂孔2与掏槽孔1的孔位在工作面上交错布置，以避免预裂孔2起爆时将掏槽孔1内的炸药殉爆，其中1#掏槽孔的孔底与预裂孔间距L₃为10cm。

步骤3，辅助孔5和周边孔6的施工。周边孔6沿掘进工作面的设计轮廓线均匀布置，辅助孔由槽腔从内到外逐层布置。

步骤4，清理炮孔，装填炸药、雷管。预裂孔每孔装入炸药0.4kg，使用1段雷管起爆。编号为1#、2#、3#和4#的4列炮孔每孔分别装药0.8kg、1.2kg、1.6kg、1.6kg，雷管段别分别为2段、3段、4段和5段。孔口使用炮泥填塞；掏槽孔按照雷管段别从小到大的顺序起爆。

步骤5，使用钻装运一体机8的扒渣臂设置碴堆7，碴堆7置于掘进工作面与被保护设备之间，碴堆7与扇形掏槽位置对应布置，碴堆7与掘进工作面距离S₁为320cm，碴堆7高度H₆为120cm，长度L₄为270cm，底部宽度S₂为120cm；

步骤6，掘进工作面按照预裂孔3→掏槽孔1的顺序进行第一次爆破；利用第一次爆破形成的槽腔提供的自由面，按照辅助孔5→周边孔6的顺序对掘进工作面进行第二次爆破。

结合上述的实施例对主要术语进行说明：

(1)工作面，俗称“掌子面”，系垂直隧道轴向的掘进开挖面。

(2)盲区，对于单边扇形掏槽，在倾斜掏槽孔孔底形成的钻孔不能达到的区域。由于岩石的夹制作用，掏槽孔起爆后，在这个盲区就容易形成岩坎。

(3)超挖区，对于单边扇形掏槽，首响炮孔爆破超过预设槽腔范围多爆落围岩的区域。通常会在槽腔口部形成喇叭口，改变相邻辅助炮孔的最小抵抗线，造成反方向飞石。

(4)主抛掷方向，对于单边扇形掏槽，垂直于掏槽孔轴线且朝向自由面的方向。该方向是单边扇形掏槽爆破飞石的主要抛掷方向。

(5)反方向，对于单边扇形掏槽，与主抛掷方向相反的岩石抛掷方向。通常为了爆落盲区岩坎，需要加大与槽腔相邻辅助孔的装药量，由此产生与主抛掷方向相反的飞石抛掷。

(6)排，对在同一水平面上按顺序依次布置的2个以上炮孔的称谓。

(7)列，对在垂直于隧道底板的立面上按顺序依次布置的2个以上炮孔的称谓。

(8)底板，隧道开挖的底部轮廓面，为平行于隧道轴线的平面。

需要注意的是，在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，步骤包括：

S1.在掘进工作面钻凿多排呈扇形布置的掏槽孔，每排掏槽孔确定的平面和底板平行；每列掏槽孔与掘进工作面的夹角由小到大布置；

S2.在扇形掏槽孔的首响炮孔相邻一侧钻凿预裂孔；

S3.在掏槽孔和预裂孔内装填炸药和雷管，每列与掘进工作面夹角相同的掏槽孔使用相同段别的雷管；

S4.在掘进工作面和掘进设备之间放置碴堆，碴堆与扇形掏槽孔相对布置；

S5.预裂孔先于掏槽孔起爆，掏槽孔按照每列掏槽孔与掘进工作面所成锐角由小到大的顺序起爆；

所述掏槽孔均布置在掘进工作面垂直中心线的一侧，避开掘进工作面设备集中布置的另一侧，同一平面内的多个掏槽孔按照与掘进工作面所成锐角和炮孔长度逐渐增大的顺序布置；

所述呈扇形布置的最下排掏槽孔与底板孔相邻；所述预裂孔连成的预裂面垂直于底板；所述预裂孔与掏槽孔的孔位在工作面上交错布置。

2.根据权利要求1所述的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，所述呈扇形布置的掏槽孔最上排与底板距离小于120cm。

3.根据权利要求1所述的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，预裂孔形成的预裂缝与掏槽孔的孔底留设10cm~20cm的间距。

4.根据权利要求3所述的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，最上端预裂孔与最下端预裂孔的距离大于最上排掏槽孔与最下排掏槽孔的距离。

5.根据权利要求4所述的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，所述碴堆的高度大于最上排掏槽孔与底板之间的距离，碴堆的宽度大于掏槽孔和预裂孔之间的最大水平距离。

6.根据权利要求5所述的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，所述碴堆与掘进工作面之间的距离为300cm~500cm。

7.根据权利要求6所述的一种预裂成形槽腔的低位扇形掏槽爆破方法，其特征在于，所述碴堆由矸石堆积而成，或者是由金属板、木材搭建而成，或者是由沙土堆积而成。

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