刘 活

(广西锡山矿业有限公司，广西 南宁 530022)

0 前 言

光面爆破技术是在各种类型的工程施工中运用频繁且能对爆破进行有效控制的技术，是一种人工介入对每一个周边眼炸药量进行有效控制的爆破技术。他能在对周边围岩破坏性极小的情况下，使开挖后的巷道表面光滑平整的一种成熟技术。该技术适用软质岩、硬质岩等地质条件下基建巷道的开挖，有利于保持围岩的强度。目前在广西大新锰矿基建开挖工程中大力推广采用。

1 原理和特点

1.1 技术原理

采用一种炸药能量释放控制技术，通过在掏槽眼及崩落眼先行一次爆破出现很好的自由面后，再通过在轮廓线上加密布置的周边眼中进行二次起爆，达到爆破开挖成型的目的。极大地减少周边围岩对光爆眼爆破时的夹制作用，提高炸药威力，减少了炸药消耗，获得平整光滑的岩壁表面，最大程度保持岩石原生强度和稳固性，避免了对围岩的较大破坏，更好地防止冒顶和坍塌的发生[1]。

1.2 裂缝成型机理分析

在周边眼中应用不耦合装药的结构[2]，特点是在药包之间、药包与孔壁之间充满着空气，空气垫充层对冲击波的破坏起到缓冲作用，致径向压力小于岩石的动态抗压强度，孔壁不能发生粉碎性破坏，消灭了炮眼粉碎区。经缓冲消减后的爆炸压力，使孔壁避免了爆炸性压缩破坏；当周边眼的切向拉伸应力大于岩石的动态抗拉强度时，炮孔周边产生径向小裂隙；当周边眼的切向拉伸应力小于岩石的动态抗拉强度时，原有的裂隙不再扩张，并在裂隙处反射出方向相反的向心拉伸应力波，岩石被拉断。在径向拉伸力大于岩石的动态抗拉强度时，岩石产生环向的小裂隙。在径向和切向两种应力的共同作用下，产生纵横交错的裂隙。并且各孔之间有相互聚能的作用，当孔与孔间连线中点瞬时有相位相同的应力波叠加时，叠加共振产生最大的切向拉力，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，小裂纹扩张为裂隙，且超高压气体对裂隙有着气楔劈开作用，致裂隙再次遭到扩张，使全部裂隙贯穿成一体裂缝，岩渣的膨胀作用又使裂缝再次发展，最终形成整齐光滑的壁面。可见成缝机理[3]是一个复杂的过程，是多种因素相互作用的结果。

1.3 技术特点

1)与普爆法比较，光爆法的巷道断面成型整齐划一，断面符合设计要求，若在松软破碎岩层中应用，更能大显身手，表现出光面爆破的优越性，半孔成型率较高，痕迹清晰可见，超挖量降低，出渣量减少，可提高掘进速度。

2)对不同的围岩等级，可通过调整光爆施工参数，使围岩保持稳定，不产生或少产生炮震裂隙；不破坏岩石原有的裂隙构造，避免了对围岩自承载能力的损伤；应用于破碎松软的岩层开挖时，效果更明显，施工更安全。

3)经过长期实践发现，光爆效果在块状围岩，穿层巷道效果比较好，在顺层、缓层、薄层、围岩破碎的巷道，效果不太理想。

2 不耦合装药理论

光爆技术在矿山基建施工中，其理论是不耦合理论[4]，即装药时采用轴向不耦合和径向不耦合两种组合技术，空气充当媒介质，可以称为空气不耦合装药技术。对于不同等级的岩石则要通过调整不耦合系数的值来控制光爆效果，抗压强度越低，取值越大，成反比关系。在大新锰矿基建中统一使用Φ32的柱状乳化炸药，不采用小径炸药，因此主要通过调整轴向不耦合系数来达到控制光爆效果的目的。

2.1 破岩过程分析

由于药柱直径比炮孔直径小很多，炮孔充满空气介质，炸药爆炸时，作用力不直接在孔壁上，而是因空气垫层被压缩，直接对压力起到了缓冲作用，效果是消除了炮孔粉碎区，减少了对岩层的破坏。

2.2 内壁压力分析

空气不耦合装药技术使孔壁表面周围充满了空气垫层。爆炸时，内壁面几乎均分了相同的压力，起到了极大的缓冲作用，从而内壁面承受的压力相对变小，对围岩的破坏程度也相对较小。

2.3 破坏区域

炸药爆炸时，瞬间产生超高温高压的爆轰气体，其作用于内壁上，由于空气垫层的缓冲作用，粉碎区已消除，爆炸冲击波在向外层传播途中做功。当做功压力值大于岩石动态抗压强度时，岩石经受不住会被压碎，形成压碎区，因炮孔内空气的存在，以及传播范围的不断扩大，爆破力的强度迅速减小，消减了威力后变成了压缩应力波，其作用力强度已经小于岩石的动态抗压强度，岩石虽已不能直接被压碎，但不可避免地遭受到猛烈的径向压缩，使原本处在平衡状态中的岩石质点发生径向位移。共同作用力的结果是出现与径向呈∠45(°)的剪切裂隙，从而形成纵横交错的裂隙区。压缩波再进一步衰减后成为地震波直至消失，过程中效果范围很大。因岩石的软硬特性差异，若岩石为软岩和硬土之类的可塑性材质，炮孔被压缩形成周边致密的空腔。若是弹脆性的岩石，则会形成压碎区[1]，所以一般可认为光面爆破有3种破坏区域：压碎区、裂隙区、震动区。

3 在不稳固的岩层中进行光面爆破方法分析

3.1 原因

对于地质等级在Ⅳ、Ⅴ级的不稳固岩层中进行光面爆破法施工，其原因是通过科学控制开挖过程[3]，使爆破对周边围岩的破坏降至最低。在断层或破碎带中，岩石本身有构造裂隙，稳固性差，如果按普通爆破法施工或光爆法药量过多，都会出现超挖的后果，导致光爆法失败。而某些破碎的地质条件下可能还需要先行超前杆的支护才能确保顺利完成光爆施工作业，因此要科学设计，严格按技术规定施工才能减轻对围岩的破坏。

3.2 破坏性分析

一般情况下，破碎带或断裂带的大小决定着光爆法施工的难易程度，越破碎越难达到光爆效果。

3.3 裂缝导向分析

岩石有节理和层理特点，爆破后形成的裂缝有与原生裂缝一致的方向性，却又受到岩石层理的约束，从而出现不平整的表面。

3.4 地质结构条件对爆破效果的影响

破碎带结构的地质条件下，岩体都是非连续均匀介质(多向不同性)的地质结构体，结构面内常有充填物，如砂、黏土、角砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物。胶结的结构面强度高低不同，抗水性大小有异，有的结构面及组合错综复杂，岩体大多表现出块状、层状、碎屑状等结构，稳定性较差或很差，甚至会出现断层、断层破碎带等地质构造，因此不稳固岩层的岩体是由多种地质结构面切割而成的。

不同成因的结构面对爆破的影响更加明显，当结构面产状与光爆设计面产状不同时，对光爆效果也有着不同程度的影响。

人们通过长期生产实践、总结，得出结构面对爆破的影响可归纳为以下5种作用：①泄能作用，若冲击波与软弱带能够相通时，爆破能量会以“冲炮”方式泄出；②楔入作用，当爆炸气体或冲击波与软弱带相通侵入时，会使岩体沿着软弱带发生气楔劈开作用；③软弱面应力集中作用，在岩石软弱面较发育部位，应减少装药量消减集中的应力；④能量吸收作用，软弱带的压缩变形或破裂，使爆破能量被吸收或减弱；⑤应力波反射增强作用，反射波与紧后传来的应力波在相位相同时有叠加增强作用，可造成破坏。

4 光爆法较普通爆破法的优缺点

4.1 优点

1)光爆法围岩几乎不产生或很少产生爆震裂缝，围岩完整性好，自身承载力提高，为后续支护工序创造了更好的条件，在松软或断层破碎带的岩层中，光面爆破技术和其他支护技术联合应用，支护的作用明显增强。

2)光爆法技术在裂隙发育的岩层中应用，可避免裂隙扩大和产生新的裂缝，提高了围岩的稳定性，能基本消除冒顶事故。

3)巷道壁面没有凹凸不平的情况出现，在煤矿上消除了瓦斯聚集的条件，而在巷道上通风阻力减小。

4)若用在过水隧洞的开挖应用上，可以更好降低水阻力损耗。

5)光爆法对围岩的干扰震动小，消除了岩壁上的应力集中现象，特别是在地压突出的深部掘进中，可使岩壁表面消除岩爆隐患，利于巷道使用安全。

6)光爆法壁面整齐光滑有利于筑砼支护，节约材料支出。

7)巷道成型后极大降低后期的维护成本。

8)工艺简单易学，无须通透高深理论，通过简单的培训即可掌握。

4.2 缺点

1)光爆法周边眼数量多：随岩石性质及特征采用不同的密集系数，有时甚至比普爆法多上一倍的数量。

2)光爆法周边眼钻眼技术要求高：眼口要布置在轮廓线上，炮眼要“平、直、齐”，即平行于中心线，顺直钻进，炮眼深度一致，还要控制一致的外倾角度，要求钻工有熟练的操作技能，打钻时钻杆钻机要稳固不晃动不跑钻。因此对人的技术要求较高。

3)对炸药的要求高：周边眼适用低密度、低猛度、低爆速、高爆力的炸药，为此要选用安全性能高，敏感度适中，爆破有害气体少，低猛度、低爆速、高爆力、与岩体匹配系数高的炸药。

4)装药技术上要求高：周边眼必须按照计算的数据进行不耦合装药；对周边眼采用毫秒雷管和导爆索同时起爆，当炸药用量较多时，还要分段起爆；而对其余炮眼装药时，采用毫秒雷管跳段使用，程序较多，要求严格。

5)与普爆法比成本高：周边眼中增加了导爆索及竹片的材料成本；钻孔数量多，钻孔时间长，时间成本高；效率低下，人力成本增加较明显。

4.3 实施光爆法施工中的问题及对策

1)要保证光面爆破的效果，不仅要采用合理的装药结构，而且要积累经验优化光面爆破参数。

2)严格控制周边孔的装药量，同时通过多打孔少装药来控制裂隙的发展，使岩壁完整性和稳固性不受破坏。

3)严格按照设计的不耦合参数装药。

4)需要对施工人员进行培训，规范作业人员的操作技能，持证上岗。

5)爆破施工时要进行现场监督，发现问题及时处理。

光面爆破有着众多的优点，但缺点较为突出，有时经济效益不明显，但相对于安全效益在无形中得到了提高而言，社会、经济效益会逐渐显现出来，故光爆法还是很值得在各行各业大力推广。

5 技术应用实例

5.1 工程应用实例

大新锰矿深部2号胶带平巷掘支是南方锰业集团大新锰矿分公司南部矿段100 万t/a扩能工程，项目位于大新县下雷镇大新矿区东部。该工程分正、反掘两部分相向施工贯通，主要概况如表1所述。

表1 主要工程特征概括

正掘部分先延伸1号胶带平巷28 m，在2号与1号两平巷中心轴线交叉点处开口做一个斜巷上山措施工程，斜巷上山与2号平巷切入点为2号平巷起点，底板标高为177.3 m。按方位261(°)，坡度-3‰，正掘638 m处与反掘上山贯通,掘进工程量9 040.5 m3。采用锚网喷砼、U25支架、C25钢筋砼等支护中的一种或多种联合支护方法，特殊地段需要超前小导管注浆，支护量3 969.5 m3。

正掘井筒布置简况如图1所示。

图1 正掘井筒布置

井筒平面图整体似“一”字形，每300 m设置一个巷道硐室，斜井部分与平巷部分通过半径100 m的圆弧线过渡衔接；巷道净宽3.0 m，净高2.9 m；断面采用1/3B三心拱，净断面直线段8.96 m2；平巷段全长638 m,工程量5 716 m3，斜井段320 m,工程量2 867 m3。合计开挖工程量8 583 m3。

反掘部分从东部斜井160 m中段东主巷联络道尽头与2#胶带井相交点(测点2～18向东约10 m处：X=2 534 746.301 9,Y=36 367 982.006 7)起，方位81(°)，倾角11.2(°)，上掘进长度50 m与2号胶带正掘贯通，工程量460 m3，U25+锚网喷砼支护量56 m3，再调头正掘斜井部分250 m，总掘进方量为2 295 m3，锚网喷砼支护280 m3，斜井部分掘进总长度为300 m,然后再掘进2#胶带斜井底平巷部分43 m，掘进方量385.3 m3，锚网喷砼支护量38.7 m3，完成反掘部分工程。反掘井筒布置简况如图2所示。

图2 反掘井筒布置

1号转运站工程待正反掘全线贯通后再另行方案施工。

5.2 工程地质、水文条件

围岩主要为半风化硅质灰岩，碳质泥岩，泥质灰岩，碳酸盐含量丰富的可溶性岩石，呈薄层状，陡倾斜，顺层掘进，岩层风化、氧化、泥化严重，遇水可膨化成泥状，全段处于破碎地带，拉张裂隙数量多，属裂隙发育透水性风化岩层，整体稳固性差，容易出现片帮、冒顶等不良工程地质问题，涌水量在30 m3/h，断层单点涌水有可能达到60 m3/h，峰值将达到100 m3/h，该区域水文地质条件中等复杂，根据围岩特征分类，0～638 m为Ⅳ～Ⅴ弱稳定岩层，638～981 m为Ⅲ类中等稳定岩层。因此该工程必须优先采用光面爆破工程技术。

5.3 原始条件及炸药参数

详细数据见表2～3。

表2 2号岩石乳化炸药性能技术指标

表3 爆破原始条件简括

5.4 技术设计

根据围岩破碎程度和光面爆破法计算的参数进行方案选择，确定施工方法。具体方法见图3～5。

图3 2号胶带巷炮孔布置

图4 2号胶带巷轮尺

图5 2号胶带巷连线起爆

1)掏槽眼：为浅孔凿岩爆破，采用直眼掏槽，在1号孔的周围钻进8个平行的、呈柱状的临空孔，再在临空孔的周围布置4个呈菱形状的掏槽孔，孔距500 mm，孔深2.2 m，孔径42 mm。

2)辅助眼：分2圈布置，在掏槽眼的顶部间隔500 mm布置2轮辅助眼，孔深2.2 m，孔径42 mm。

3)光爆眼：眼距(E)300 mm，孔深2.0 m，孔径42 mm，光爆层厚度(W)分别为顶板600 mm，边壁550 mm，周边眼密集系数K=E/W,计算得K值为0.5～0.55。

4)底眼：眼距550 mm，孔深2.0 m，孔径42 mm。

5)循环进尺：2.0 m，炮孔利用率90%。

5.5 装药结构

掏槽孔、辅助孔采用连续装药结构见图6，周边孔采用轴向不耦合分段装药见图7。

图6 掏槽孔、辅助孔装药结构

图7 周边孔装药结构

5.6 爆破参数

爆破参数见表4，光面爆破与普通爆破技术指标效果对比见表5。

表4 爆破参数

表5 光面爆破与普通爆破技术指标效果对比

大新锰矿的100 万t/a扩能工程基建施工为多点同时施工，穿过的地质条件复杂，很大一部分都处在Ⅲ级以上的围岩中，开挖的断面为三心拱巷道，关键线路掘进的断面积都在10～15 m2。揭露的围岩为Ⅱ级时，采用周边眼孔距为500 mm的光面爆破效果良好，如东部斜井、副井斜坡道、12线斜井的部分线路炮眼半孔成型率在95 %以上；遇到Ⅲ级围岩时，则缩小周边眼孔距为400 mm,也可取得满意的结果，半孔成型率在80 %以上；在2号胶带井Ⅲ～Ⅳ级的围岩时，则需采用缩小周边眼孔距的办法,孔距定为300 mm，炮眼半孔成型率在75 %以上；当炮孔所处位置有软层或裂缝通过，应取消该孔装药并适当减少相邻内圈孔的用药量，也可达到光爆目的；有些地段可采用加密周边眼后，隔孔装药的办法来达到用周边眼控顶的目的。

6 结 论

推广使用光面爆破技术后，从各基建施工点的光爆法施工的效果来看，炮眼半孔成型率普遍在90%以上，在破碎层中使用，半孔成型率也在75%以上，实践表明，光面爆破技术的应用能更快提高爆破进尺，降低炸药消耗量，解决巷道冒顶片帮问题，减少排险量，降低穿越断层破碎带的支护难度，效果非常明显。