李芹涛，李明辉，杨建明，周 阳，杨 乙

(莱州汇金矿业投资有限公司)

引 言

随着浅部资源的日渐枯竭，国内外金属矿山陆续进入深部开采。竖井井筒作为整个矿井的咽喉，是深部资源与地面连接的唯一通道，其安全高效的建设在矿山建设中占据重要地位。目前，竖井掘进主要采用中深孔爆破法。与浅部岩层不同，深部岩层存在地应力大、地层岩温高、涌水量大等恶劣地质环境，给深竖井安全高效建设带来一系列挑战。

国内外学者从理论、数值模拟、现场试验等角度对深部岩层爆破技术进行了大量研究，并取得了丰硕成果。白羽等[1]通过数值模拟软件研究了不同地应力条件对双孔爆破的影响。付玉华等[2]考虑深部高地应力对光面爆破效果的影响，提出了爆破参数确定的计算方法。杨建华等[3]采用SPH-FEM耦合数值模拟方法，研究了深部地应力场对岩石爆破开裂范围、裂纹开裂速度及爆炸地震波能量的影响。赵建平等[4]采用隐-显式序列算法，综合分析了深部高地应力下埋深、侧压系数、炮孔间距对爆破损伤规律的影响。LU等[5]研究了高应力场对爆炸后裂纹形成规律的影响。戴俊等[6]研究发现高地应力环境下应减小炮孔间距。陈迎军等[7-11]结合实际矿山建设，研究了深竖井成井中钻孔机具、起爆方式、爆破参数、装药结构、掏槽形式等因素对爆破效果的影响。

综上研究成果发现，光面爆破成井技术在竖井掘进中得到广泛应用，但大部分爆破参数设计没有考虑深部地应力影响，导致炮孔利用率低、井壁成形质量差，间接导致施工效率低。本文以山东某金矿副井掘进为工程背景，研究采用中深孔爆破法形成大直径超深竖井，结合现场施工出现的矸石块度大、超挖严重等现象，进行了起爆方式、雷管类型和周边孔设计等爆破参数设计优化，确保了大直径深竖井顺利掘进。

1 工程概况

该金矿位于山东省莱州市金城镇与朱桥镇境内，极值地理坐标为东经120°04′28″～120°05′58″，北纬37°22′31″～37°24′46″，面积6.65 km2。矿区所在区域地形为东高西低、南高北低，地势平缓。矿区的东及东南部是以剥蚀作用为主的丘陵区，分布面积20 km2，西北部为山前冲积平原，分布面积22 km2。该区域濒临渤海，为海洋和内陆特征气候，属暖温带季风区大陆性气候。历年平均气温12.5 ℃(-17 ℃～38.9 ℃)，平均年降雨量为595.77 mm。区域内有朱桥河和滚龙河从矿区西南部和中部通过，在矿区西部汇集。

该金矿采用“一主一副两风井”方式开拓，其在建副井井口标高18.5 m，井底标高-1 450.5 m，井深1 469.0 m，净断面直径为8.2 m，断面面积为4条在建竖井中最大的，在掘进钻爆中遇到工程问题也尤为凸显。本文以副井层位800～1 000 m段掘进为例，分析深部地质环境对爆破参数的影响，并将爆破优化参数成功应用于现场。

2 工程水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据工勘地质资料，67.47～1 122.90 m(厚度1 055.43 m)岩层岩石为变辉长岩、黄铁绢英岩化碎裂岩。岩石呈灰绿色，鳞片-柱粒状、纤状变晶结构，条带状、块状构造；主要由角闪石、长石、高岭土、绿泥石等矿物组成。岩体坚硬完整，整体上裂隙不发育，岩石普氏硬度系数f平均值为6.49，岩体质量等级为Ⅱ类，整体结构，岩体的稳定性好。

67.47～1 122.90 m岩层线裂隙率3～7条/m，夹角以与岩芯轴呈35°～45°和65°～75° 2组为主，裂面平直光滑，附着少量碳酸盐，伴有绿泥石等蚀变矿物充填，弱富水性。岩芯以长柱状、柱状为主，少量呈块状、碎块状，RQD值平均为78 %，岩石为坚硬岩。878.40～881.00 m岩层岩石物理力学性质见表1。

表1 岩石物理力学性质

2.2 工程水文条件

根据工勘地质资料，67.47～1 209.60 m岩层为上下盘弱含水层，位于基岩风化裂隙弱含水层之下。该层的透水性、富水性随裂隙发育程度有较大变化，富水性不均匀特点显著。岩层的地质年代久远，经历了多次构造变动，裂隙比较发育，但多为扭性、压扭性裂隙，裂隙闭合，连通性较差。因此，含水层的总体透水性、富水性弱，最大单位涌水量0.032 471 L/s·m，渗透系数0.001 974 79 m/d，属弱富水含水层。

该含水层与上覆基岩风化带弱富水含水层呈过渡关系，地下水水位埋深也与上覆含水层相同，属潜水，略具微承压性，水位埋深19.80 m，地下水主要接受风化裂隙含水层的补给，受所处地形地貌、含水层透水性、富水性等条件控制，自然条件下循环速度很慢，地下水的水质一般，矿化度1.26 g/L，水化学类型ClHCO3·SO4—Na·Mg。

3 初始爆破掘进设计及存在问题

3.1 初始爆破掘进设计

副井掘进凿孔采用的机械设备为YSJZ6.12型液压伞钻，配B32中空六角钢、长5.7 m钎杆，直径55 mm柱齿合金钻头钻孔，二阶直孔掏槽。爆破采用2#岩石卷装乳化炸药，高强塑料袋装药卷、药卷直径42～45 mm、药卷长度400～500 mm，毫秒非电雷管引爆、磁电雷管起爆，全断面光面控制爆破。

炮孔布置：同心圆布置，辅助掏槽孔5个，掏槽孔13个，辅助孔14个，崩落孔69个，周边孔63个，总计164个，采用大并联方式连线。预期爆破效率为87 %，每循环工作面进尺4.5 m，原岩炸药消耗量2.505 kg/m3，井筒炸药消耗量169.60 kg/m。初始爆破参数见表2，基岩段炮孔初始布置见图1。

表2 初始爆破参数

图1 基岩段炮孔初始布置示意图

3.2 存在问题

采用初始爆破掘进设计参数进行爆破时发现，爆破后矸石块度大、周边出现超欠挖等现象，这主要是由于：

1)矸石块度大，主要与炸药的引爆位置和传爆方向密切相关。初始爆破设计采用连续正向装药，孔口起爆方式引爆，其孔口起爆时破碎岩块在较短时间内到达孔口，导致大量爆炸冲击能在空气中转化为冲击波而损失。而且爆炸冲击波向孔底传爆时，受膨胀波影响，使得爆炸冲击能迅速衰减，孔内压力快速下降。其次，采用半秒延期导爆管雷管爆破，爆破间隔较长，即第一排药包爆炸完成后第二排药包才开始爆破，在这期间第一排药包产生的爆轰物动能部分用于孔壁做功损失，减小了与第二排药包所产生爆轰物间的碰撞能量，进而降低二次破碎效果。初始爆破参数爆破后效果见图2。

图2 初始爆破参数爆破后效果

2)超挖严重。初始爆破参数爆破后超挖系数统计见图3，根据数据统计工程，平均超挖系数超过1.6，其周边孔设计是主要影响因素。由于在竖井掘进期，井筒掘砌施工为井壁连续浇筑，即每模掘进结束后便进行井壁浇筑，滑动模板紧随工作面，导致伞钻作业空间受限。初始设计周边孔炮孔中心线与工作面垂直线间的倾角为89°，而实际周边孔最大倾角为88°，孔口圈径9.1 m，孔底圈径9.5 m，此时孔底已超出掘进断面轮廓线300 mm，导致超挖较大。

图3 初始爆破参数爆破后超挖系数统计

4 爆破参数优化及应用

4.1 起爆方式

与孔口起爆不同，孔底起爆冲击波向孔口传播时，受孔壁和装药的束缚，使得爆轰碎岩不能向四周飞散，而将大量的爆炸冲击能用于周边岩块做功。同时在爆轰波后会形成一个高压区，直至传播到孔口，这可以大大降低爆炸冲击波衰减，致使孔压下降缓慢，高压持续时间长，为此将孔口起爆改为孔底起爆。同时将半秒延期雷管更换为毫秒延期雷管，由于毫秒延期雷管起爆间隔时间短，连续起爆可使岩石受到叠加振动[12-14]，岩石易于破裂，可以有效改善爆炸冲击能作用于邻段炮孔现象。

4.2 “双周边孔”爆破

根据现场工作面条件，伞钻最大作业角度为88°，将周边孔孔底放在掘进断面轮廓线上会导致掘进段上半部欠挖较多。因此对周边孔进行优化，在上半部欠挖位置，新增1圈炮孔，从而由单周边孔改为“双周边孔”，即最外圈周边孔钻浅孔，孔底落在井筒掘进轮廓线上，爆破上部；内圈周边孔全段高钻进，孔底落在井筒掘进直径的轮廓线上，爆破底部。“双周边孔”炮孔布置剖面见图4。

图4 “双周边孔”炮孔布置剖面示意图

由于周边孔炮孔间距的布设直接影响光面爆破的效果，因此对周边孔炮孔间距重新进行了计算。根据爆破施工工程经验，炮孔间距一般为炮孔直径的10～15倍，即：

E=(10～15)dp

(1)

式中：E为周边孔炮孔间距(mm)；dp为炮孔直径(mm)，取55 mm。考虑岩体整体结构，稳定性好，且较为坚固，式(1)中常数宜取较小值。

根据现场试验，统计超挖系数和查看半孔率发现，周边孔炮孔间距取值为11～12倍的炮孔直径时，可以明显改善超挖现象，其超挖系数基本稳定在1.3左右。最终确定次外圈炮孔间距599 mm，最外圈炮孔间距642 mm，双圈周边孔倾角84°，设计炮孔布置见图5。

图5 优化后炮孔平面布置示意图

爆破参数优化后超挖情况和岩石块度施工效果见图6和图7。从图6、图7可以看出：采用“双周边孔”控制爆破后，半孔率90 %，有效控制了井筒周边超欠挖，且块度大小适中，有效提高了井筒的成形质量和施工效率。

图6 设计优化后井壁爆破效果

图7 设计优化后破碎岩石块度

5 结 论

1)施工现场爆破效果表明，孔底起爆优于孔口起爆，孔底起爆充分利用了炸药的能量，有利于克服孔底岩石的夹制作用，在一定程度上减少正向爆破造成的邻近炮孔的“挤死”或“带炮”现象，提高岩石爆破的破碎率。

2)利用毫秒雷管连续起爆，在短微差时间内使爆破能量迅速释放，可使岩石受到叠加振动，岩石易于破裂，因此爆下的岩石量多块度小。这既可以提高爆破效果，又可以减少爆破地震效应、冲击波和飞石危害。

3)当井筒掘进采用中深孔爆破配合大段高模板砌壁时，可利用“双周边孔”爆破技术，能有效解决由于伞钻不能以较大的垂向角度钻周边孔，以致于爆破后形成模板位置下欠挖而孔底超挖的问题。