汪 平

（中国爆破行业协会，北京100070）

钻孔爆破法是地下金属矿山掘进作业的普遍适用方法，具有施工成本低、效率高、操作简单等优势。但是，如果爆破设计、施工不合理，容易产生超欠挖等现象，导致巷道轮廓成型差，且巷道壁挂电线、电缆和风水管后，巷道宽度变窄，施工设备作业受限，影响施工效率。掏槽眼爆破是掘进爆破中一个重要环节，对于整个掘进爆破的效率和质量发挥重要作用［1-2］。因此，需要优选合理的掏槽方式及爆破参数，以取得理想的爆破效果。

针对掏槽爆破技术难题，诸多专家学者从数值模拟、模型试验、现场试验等角度开展了大量研究工作。左进京等［3］通过模型实验研究了中心空孔直径对掏槽腔体的影响，随着空孔直径的增加，爆破掏槽深度加大，槽腔体体积减小。汪海波等［4］采用数值模拟方法研究了空孔附近的应力分布，指出空孔具有导向作用。龚敏等［5］研究了中心眼爆破对槽腔底部的形成发挥的作用，掏槽角度增加后，可以明显地降低掘进爆破进尺。张召冉等［6］研发了多阶段掏槽技术，与普通楔形掏槽爆破相比，二阶二段掏槽的爆破进尺和炮孔利用率更高。单仁亮等［7］提出了准直眼掏槽爆破技术，主掏槽孔的倾斜角度变化后，会引起掏槽爆破效果发生明显改变。

掏槽爆破质量是决定巷道掘进破岩效果和循环进尺大小的关键因素［8-9］。由于不同矿山的岩性条件等差异，掏槽方式不具有普遍适用性，为此本研究在直眼掏槽爆破原理和影响因素分析的基础上，以某地下矿山为例开展不同直眼掏槽方案的对比分析，优选适宜的掏槽方式，为矿山高效率掘进爆破提供指导依据。

1 直眼掏槽爆破原理及影响因素

1.1 直眼掏槽爆破原理

直眼掏槽也称为平行空孔直线掏槽，是所有炮眼互相平行、孔间距小且垂直于工作面，并留有1个或多个不装炸药的空孔［10］；对于只有1个自由面的掘进爆破而言，位于掘进断面中下部的掏槽孔首先起爆，崩落的岩石碎块抛掷出来形成1个槽腔，减小崩落孔爆破的岩石夹制作用，为后续崩落孔爆破创造自由面和补偿空间，为巷道快速掘进创造有利条件。

从爆破过程来看：首先，在爆炸冲击波作用下破碎的岩石向空孔创造的自由面运动；然后在爆生气体的作用下，破碎岩石沿槽腔向工作面方向发生抛掷运动。由于爆破后的碎石在炮孔口附近的抛掷速度最大、孔底部位抛掷速度最小，使得孔底碎石抛掷难度大，易于留存爆破后的碎石。同时，由于孔底夹制作用最大，若爆破参数不合理则易于留有残孔、产生根底，降低炮孔利用率。

1.2 主要影响因素

（1）岩石性质。岩石性质是掏槽爆破效果最重要的影响因素。不同岩石的力学性质、结构、构造差异明显，若采取同样的掏槽爆破参数势必产生大相径庭的掏槽质量。一般塑性岩石掏槽难度大于脆性岩石；若岩石为脆性且完整性好，同等条件下的掏槽质量就好，掏槽爆破效率和循环进尺就高。因此，必须高度重视岩石性质在合理选择爆破参数时的重要性。

（2）炸药性能。不同类型的炸药品种，炸药的密度、爆速、爆热、峰值压力等参数各不相同。根据波阻抗匹配理论，当炸药阻抗和岩石阻抗相匹配时，炸药能量利用率相对更高，可以取得更好的破岩效率。

（3）掏槽方式。合理的掏槽方式对于提高掘进效率、增强爆破效果具有不可或缺的作用。掏槽方式的选择时需要考虑因素众多，主要有岩石性质、掘进断面尺寸、工人操作难度、爆破循环进尺等。常见的直孔掏槽方式有平行龟裂掏槽、角柱掏槽、螺旋掏槽。

（4）炮孔深度。当岩石性质和炸药类型不变时，掏槽孔的深度越大，与自由面的距离越大，则炮孔底部岩石的夹制作用越强，越不利于掏槽爆破成腔，进而导致炮孔利用率势必降低。因此，为提高掘进爆破效果，炮孔深度不宜太浅但也不能太深，应根据现场爆破效果综合考虑。

（5）空孔。地下掘进爆破时自由面有限，在工作面方向仅有一个；空孔可以增加爆破自由面，并为岩石破碎和膨胀提供补偿空间。研究表明［11-12］，空孔具有明显的应力集中和导向作用，可以延长爆炸应力波的作用时间，改善岩石破碎效果。地下爆破的空孔直径一般为75～120 mm，数量1～4个。

（6）空孔与装药孔的距离。空孔与掏槽装药孔的距离要适宜。若二者的距离过大，则空孔壁面上的应力波反射拉伸强度不足以破坏岩石；反之，若距离过小，槽腔内碎石空隙体积大，易于导致爆炸气体外泄，抛掷效果不佳。文献［4］根据弹性理论得到空孔与装药孔的距离计算公式如下：

式中，σθ为岩石抗拉强度，MPa；rA为装药孔半径，m；rB为空孔半径；p为孔壁处透射压力，MPa；α为应力波衰减系数；λ为侧压力系数。

（7）炮孔偏斜率。直眼掏槽的炮孔需要保证相互平行。由于受到钻孔人员水平、钻孔设备性能、岩体特性、钻孔深度等因素的影响，钻孔难免产生一定的偏斜，因此应将炮孔偏斜率控制在最低水平，以保证取得最佳掏槽爆破效果。

（8）装药结构。对于不同的炮孔装药结构，炸药在炮孔中的分布不同，炸药起爆后作用在孔壁上的荷载也不相同。采用耦合装药结构时，炸药与孔壁直接接触，爆炸应力波未经衰减可直接作用在孔壁上，炸药爆破破岩更为充分；采用不耦合装药结构时，爆炸冲击波和爆生气体存在一定的衰减，爆炸能量利用率减小，不利于掏槽爆破破岩，所以应尽量减小不耦合系数。

（9）堵塞长度。适宜的掏槽炮孔堵塞长度和优良的堵塞质量对于提高掏槽爆破效果具有积极作用［13-16］。通过采取适宜的堵塞长度，提高炮孔堵塞密实度，可以避免爆炸能量的过早外泄，进而延长炮孔内爆炸应力和爆生气体的作用时间，改善岩石爆破破碎质量。一般而言，浅孔堵塞长度为10～20 cm，深孔堵塞长度20～40 cm。

（10）地应力。不同的地应力下掏槽爆破效果存在一定差异。随着地应力的增加，地应力的夹制作用逐渐显现，导致掏槽爆破的破坏范围减小，即反映出地应力对掏槽爆破的抑制作用。

2 直眼掏槽爆破试验

2.1 试验方案

综合考虑试验地点岩性的代表性，在不影响矿山正常生产的前提下，确定试验地点为1 310～1 322 m采准斜坡道，巷道断面尺寸为4.2 m×3.5 m。试验分为单空孔直眼掏槽爆破、三空孔直眼掏槽爆破和三空孔直眼掏槽爆破改进共3个方案，其中后面2个方案只是炮孔间距参数不同（图1～图3）。通过不同方案的爆破效果对比，确定适宜的掏槽方案，指导矿山高效率掘进爆破。

采用凿岩台车钻孔，炮孔垂直掘进工作面。试验炮孔深度3 m；空孔直径ϕ100 mm，空孔不装药；其他掏槽孔ϕ40 mm，采用ϕ32 mm的乳化炸药，装药长度2.85 m；采用连续装药结构，孔底起爆方式；每个装药炮孔1发毫秒导爆管雷管。每个掏槽方案爆破完成后，经现场检查确保安全后，清理爆破碎石并测量掏槽深度和体积。单空孔掏槽和三空孔直眼掏槽爆破参数见表1和表2。

2.2 试验结果分析

爆破后测量试验结果如表3所示。

由表3可以看出，对于单空孔直眼掏槽爆破，掏槽深度为1.81 m，按照炮孔长度3 m计算的炮孔利用率较低，仅为60.33%，爆破效果不理想，且炸药单耗高达37.65 kg/m3，明显高于常规掏槽爆破炸药消耗量，不利于高效率掘进爆破。分析认为，该方案仅有1个空孔，空孔数量少，掏槽爆破补偿空间小，不能为爆破孔提供足够的岩石破碎膨胀空间；同时，炮孔间距参数布置不妥当，在炮孔底部较大的岩石夹制作用下，孔底槽腔形成十分困难，导致炮孔利用率不高，每次爆破的循环进尺有限，造成不可避免的钻孔和炸药浪费。

相比单空孔掏槽爆破，三空孔掏槽爆破的空孔体积增大了2倍；掏槽深度由1.81 m提高到2.32 m，增幅达到28.73%；炮孔利用率可以提高到77.67%。同时，炸药单耗由37.65 kg/m3降低至14.59kg/m3，降低幅度为61.25%。可见，该方案的掏槽爆破效果明显改善，爆破炸药成本大幅度降低，然而在炮孔利用率方面尚有很大的提升空间。

为此，在三空孔掏槽爆破的基础上进行了改进，形成了三空孔掏槽爆破改进方案。试验结果表明，该方案的掏槽深度可以达到2.67 m，炮孔利用率提高到89.00%，达到很好的预期效果。虽然该方案的炸药单耗比三空孔掏槽爆破方案增加43.73%，但可以明显提升掘进爆破循环进尺；同时，更好的掏槽爆破效果，可以较好地降低崩落孔爆破的炸药单耗，实现断面掘进爆破炸药总消耗量的均衡。因此，在注重掘进效率的前提下，该方案在提升掘进爆破循环进尺方面具有显著优势。

2.3 现场应用效果

根据前文现场试验结果，采用三空孔掏槽爆破改进方案开展了10次现场应用工作。现场应用效果（图4、图5）表明，10次爆破的炮孔利用率为88.55%～91.53%，平均炮孔利用率达到90.12%。该方案的掏槽爆破效果十分显著，循环进尺提升幅度明显，槽腔内的碎石可以全部抛掷出来，为掘进断面崩落孔和周边爆破创造了有利条件，适宜在矿山掘进爆破作业中进行推广。

3 主要控制措施

掏槽爆破效果直接影响断面掘进效率，需采取有效的控制措施保证掏槽爆破质量。

（1）选择适宜的掏槽爆破方案。掏槽爆破方案是影响爆破效果的关键因素之一。应根据现场岩性条件、爆破效果等，综合考虑选择适宜的掏槽爆破方案，提供富裕的破碎岩体膨胀的自由空腔，合理控制炮孔间距和起爆微差间隔，提高炮孔利用率和爆破循环进尺，进而加快地下巷道的掘进速度。

（2）严格控制掏槽孔位置和偏斜率。掏槽孔的位置不合适将会导致炮孔间距发生变化，进而影响掏槽爆破效果。对于直眼掏槽，保证掏槽孔与掘进断面的垂直度，确保炮孔相互平行，对于提高掏槽爆破效果十分关键。若炮孔向内偏斜率过大，易于导致相邻炮孔贯穿；若炮孔向外偏斜率过大，将会增大相邻炮孔在孔底处的间距，增加了孔底掏槽爆破的难度，无法清除炮孔根底，影响每次掘进爆破的进尺。为此，需要提高现场炮孔布置的测量定位精度，最大程度减小钻孔偏斜率。

（3）加强钻孔操作人员的技能培训。钻孔作业人员的水平直接影响掏槽孔成孔质量。由于从业人员的素质和技能水平层次不齐，势必导致成孔质量千差万别。因此，需要加强现场操作人员的理论知识和技术培训工作，优选高效的钻孔作业设备，提高钻孔作业人员的操作水平和责任心，保证掏槽孔的钻孔质量。

（4）建立标准化操作流程，提高现场管理水平。建立标准化掏槽爆破操作流程。每次爆破作业时，安排专业技术人员进行现场指导，确保严格按照操作流程进行作业，保证每个炮孔的装药量，同时确保炮孔堵塞长度和堵塞质量。

4 结论

（1）掏槽爆破是影响掘进爆破循环进尺的关键环节。应综合考虑掏槽爆破的各个影响因素，在现场试验基础上优选适宜的掏槽爆破方案以提高掘进爆破效率。

（2）试验结果表明，单空孔直眼掏槽方案的炮孔利用率最小，为60.33%；三空孔掏槽方案的炮孔利用率居中，为77.67%；三空孔掏槽爆破改进方案的炮孔利用率最高，为89.00%。适当增加空孔的数量，增大掏槽爆破的补偿空间，有助于克服孔底夹制作用、改善爆破槽腔形成质量，提高爆破循环进尺。

（3）现场应用后，三空孔掏槽爆破改进方案的炮孔利用率为88.55%～91.53%，平均炮孔利用率达到90.12%，掏槽效果较为理想，可以达到矿山高效率掘进爆破的要求，对于类似条件矿山具有一定指导借鉴价值。