一种中空孔直眼掏槽三次爆破方法

技术领域

本发明涉及工程爆破技术领域，尤其是一种中空孔直眼掏槽三次爆破方法。

背景技术

交通隧道、矿山巷道开挖施工过程中，为了提高爆破效率，常需要通过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可以抛掷到距离工作面20m～30m的区域，个别飞石甚至能达到40m的区域，爆破飞石可能会破坏掘进工作面附近的掘进设备及支护设施。

目前，在煤矿岩巷掘进施工中，为提高岩巷开挖钻爆施工的机械化水平，在掘进施工中通常会使用钻、装、运一体机。爆破时因一体机设备结构特点，一体机机头只能撤至距掘进工作面15m～20m的位置。为了避免爆破飞石对一体机机头的破坏，需要在掘进工作面与机头间搭设多重防护设施，搭建防护设施的过程增加了施工工序从而增大了施工成本。

在可供使用的雷管段数受限条件下，如煤矿许用电雷管只有5段的情况，常采用分断面法施工，让下断面先行起爆，然后再起爆上断面。这样既降低了正台阶法掏槽部位偏高带来的飞石控制难度，又解决了倒台阶法带来的顶板安全问题。但是，下断面先行起爆技术也存在以下问题：(1)如果不能一次起爆完成下断面岩石的全部爆破任务，如分2～3次完成下断面的爆破，就会出现崩落的岩石散落在先起爆爆破断面的两侧，填埋两侧未爆破部位。必须在清除这些岩石后才能进行下断面两侧的后续工序，如钻孔、装药、连线、起爆等。这样就大大降低了施工效率。(2)如果能够一次起爆完成下断面岩石的全部爆破任务，由于爆破范围覆盖整个下断面，爆破飞石沿着整个下断面向外抛掷，很难对隧道工作面前方的设备进行有效的防护。

另外，由于大断面隧道爆破一次起爆药量大，特别是临空面条件差，无法释放多余的爆炸能量，造成爆破振动难以控制。

现有技术中：

期刊论文《水工隧道爆破进洞施工中爆破飞石的防护》(宋彧，黑龙江水利科技，2019年08期，第150～152页)公开了一种爆破飞石的防护技术。对场区内不便撤离的大型设备，使用橡胶软垫、棉垫或者厚重树枝等起到缓冲作用的防护用品对其进行遮挡覆盖，从而减小飞石动能，降低飞石弹射对设备的损坏。这种加强覆盖与遮挡的方法属于被动防护，不能完全避免飞石对设备的破坏，防护的工序多且劳动强度大，影响了掘进进度；另外对防护用品承载能力、质量的要求较高，成本增大。

中国专利公开号CN102914226公开了一种中空孔直眼菱形掏槽爆破减振方法。使用潜孔钻机在隧道掌子面中间位置钻一个直径为90mm至180mm的中空孔；使用凿岩机打多个炮孔，炮孔包括环绕中空孔展开的掏槽孔、辅助孔、周边孔和底板孔；按照炮孔布置顺序及雷管延期时间起爆炸药。该发明的目的是降低爆破振动对建筑物及居民生活的影响。

中国专利公开号CN109372509A公开了一种用于进路充填采矿中双空孔菱形掏槽孔的布置方法，该发明的目的是为了提高炮孔利用率，增加循环进尺长度，降低凿岩爆破成本，减少循环作业次数，缩短进路回采时间，提高充填采矿的生产能力和安全性。

中国专利公开号CN107218043 A公开了一种破碎围岩洞室开挖方法，其特征是导洞布置在主洞中部，采用风钻钻爆进行小导洞开挖，首先开挖一个循环进尺；之后进行主洞扩挖，由导洞中心向周边孔方向依次起爆，出渣；最后完成主洞支护。此专利存在的问题有：(1)导洞钻爆开挖过程中，未能对爆破飞石沿导洞轴线方向的抛掷距离及抛掷范围进行有效地控制，对掘进工作面与导洞相对位置的设备、设施造成破坏。(2)导洞爆破崩落的岩石散落在导洞爆破断面两侧，填埋两侧未爆破部位。必须在清除这些岩石后才能进行导洞两侧的后续工序，如钻孔、装药、连线、起爆等。这样就大大降低了施工效率。

中国专利公开号CN 102758633 B中公开了一种围岩情况较好的大断面隧道的施工方法，该方法包括：(1)在预定隧道的断面上确定中心导洞；(2)在中心导洞断面上确定炮孔的位置分布。(3)在中心导洞的断面上，开凿炮孔；(4)在炮孔中填充炸药雷管，依次起爆；(5)排烟并清除石碴；(6)对中心导洞以外、隧道以内的岩石进行爆破，以形成预定的隧道轮廓；(7)排烟并清除石碴；(8)支护；(9)重复上述步骤，直到隧道达到预定长度为止。该方法也未能对导洞爆破飞石的抛掷方向、抛掷距离及抛掷范围进行有效地控制。

中国专利公开号CN102914226、CN109372509A使用了中空孔直眼掏槽爆破技术。中空孔直眼掏槽的爆破飞石抛掷方向相对确定，与斜眼掏槽相比，对爆破飞石的控制相对容易。该技术存在以下缺点：

(1)随着直眼掏槽炮孔深度的增加，炮孔利用率大幅降低。《带有空孔的直眼掏槽的合理参数》(库图佐夫，陕西煤炭技术，1989年03期，第57～60页)一文指出：“当空孔直径一定时，随着孔深从1.5m增至3.2m，炮孔利用率几乎呈直线降低，炸药消耗量也出现相应增高，而爆破1m

(2)为了解决炮孔利用率低的问题，本发明人尝试采用下断面复式爆破法，以提高全断面的炮孔利用率，提高全断面的爆破循环进尺。但是由于下断面复式爆破法在整个下断面范围内进行，需要在下断面第一轮爆破后所有残留的炮孔中重新装填炸药和雷管，加之最小抵抗线方向不确定，又带来2个以下问题：①爆破飞石不易控制，②炸药用量增加30％左右、雷管用量增加100％。

(3)因为需要从直径较小的中空孔逐层爆扩出槽腔，因此与斜眼掏槽相比，需要起爆的雷管段数较多。雷管段数受限情况下，大断面隧道的一个掘进循环需要多次起爆才能完成。

(4)对于煤矿爆破，可供使用的雷管段数只有5段，爆破效率更低。以某煤矿断面积28m

发明内容

本发明目的是提供一种中空孔直眼掏槽三次爆破方法，以解决隧道掘进使用直眼掏槽爆破方法遇到的以下问题：(1)可供使用雷管段数受限，特别是使用煤矿许用电雷管条件下，下断面爆破次数过多的问题。(2)下断面多次爆破或导洞首次爆破崩落的岩石散落在工作面下部和导洞爆破断面两侧，填埋两侧未爆破部位，造成施工效率低下的问题。(3)中空孔直眼掏槽炮孔利用率低，由此造成全断面爆破掘进炮孔利用率低、循环进尺小的问题。(4)采用下断面复式爆破法带来的①爆破飞石不宜控制，②炸药、雷管用量激增的问题。(5)导洞爆破沿导洞轴线方向抛掷的飞石破坏工作面附近设备的问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种中空孔直眼掏槽三次爆破方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1.在掘进断面中心线一侧，且朝向工作面无保护目标的方向开挖一个导洞，导洞将掘进断面划分为超前导洞区和主爆区；

超前导洞的高度和宽度原则上越小越好，除满足作业人员、钻臂能进入之外，还应满足除碴设备的铲头能进入洞内除碴；

超前导洞的深度选取原则是：在追求大进尺前提下同时提高全断面炮孔利用率，其深度一般不会超过5m；

需要解释的是：首次成形的导洞虽然处在超前导洞区，并不是真正意义上的超前导洞。

S2.在超前导洞断面上钻凿中空孔、扩槽孔、辅助孔和槽边孔，其中，扩槽孔围绕中空孔均匀布置，槽边孔在导洞的轮廓线上布置，扩槽孔和槽边孔之间均匀布置辅助孔，要求扩槽孔、辅助孔和槽边孔的深度相同且小于中空孔深度，设扩槽孔、辅助孔和槽边孔的深度为T；

S3.在超前导洞炮孔内装入炸药和雷管，先进行第一次爆破，第一次爆破完成后清理覆盖在主爆区底部的岩渣；然后在超前导洞进行第二次装药爆破，两次爆破的总进尺为L；

两次爆破的进尺控制原则是：第一次爆破实现进尺最大化，第二次爆破只需将剩余的残孔爆落即可；

需要解释的是：最理想状态是L＝T，但在实际中很难做到炮孔利用率达到100％，所以现实中L是小于T的。

S4.在主爆区钻凿周边孔和辅助孔，辅助孔围绕超前导洞区；

S5.在主爆区装填炸药和雷管，按照距离超前导洞区由近及远的顺序完成第一循环的第三次爆破，第三次爆破的进尺等于超前导洞第一次爆破的进尺，第三次爆破后，在掘进断面上主动形成一个超前导洞，该超前导洞的深度等于第二次爆破的循环进尺，至此第一个爆破循环完成，经过第一个循环后，形成了新的超前导洞区和新的主爆区；

S6.在新的超前导洞区和新的主爆区上分别按照S2和S4所述的方法钻凿炮孔；通常为方便施工，在完成第一循环爆破之后，步骤S2和S4中装药孔的钻凿可同时完成。

S7.按照S3所述的爆破方法对新的超前导洞区进行两次爆破，之后按照S5所述的方法对新的主爆区进行爆破，要求新的主爆区爆破进尺为L；

至此，第二个爆破循环完成，重复第二个爆破循环的爆破方法直至完成所有断面的爆破。

优选的，当断面围岩条件为软弱围岩条件时，每次人员在进入超前导洞区工作比如钻孔、装药等时对超前导洞区进行被动支护，所述的被动支护就是将一个形状尺寸与超前导洞区轮廓相适应的支撑架置于超前导洞区内。

优选的，在掘进工作面和需要保护的设备之间放置挡碴堆或者挡碴板，挡碴堆或者挡碴板与超前导洞区相对的布置；挡碴堆或者挡碴板的高度大于扩槽孔与底板之间的最大距离，挡碴堆或者挡碴板的宽度大于超前导洞区的最大开口宽度。较佳的，所述挡碴堆或者挡碴板与掘进工作面之间的距离为2.0m～8.0m。

优选的，所述超前导洞区的宽度为1.0m～2.0m，高度为1.5m～2.0m。

优选的，所述的三次爆破均使用1～5段煤矿许用电雷管。

本发明的积极效果是：

(1)本发明采用下断面导洞先行方法和中空孔直眼掏槽技术，通过控制导洞断面尺寸，使用较少的雷管段数，一次起爆方法完成导洞断面的第一次爆破。导洞超前掘进解决了下断面多次爆破时，导洞爆破崩落的岩石散落在导洞爆破断面两侧，填埋两侧未爆破部位，造成施工效率低下的问题。

(2)本发明在导洞内充分利用残余炮孔实施第二次爆破，达到设计的炮孔利用率和导洞预定的掘进循环进尺。采用小断面的导洞复式爆破法替代下断面复式爆破法，解决了下断面爆破次数多致使雷管和炸药用量大的问题，为导洞外其他断面的爆破创造出良好的自由面，提高了全断面的炮孔利用率和循环进尺。

(3)本发明借助导洞侧壁控制了飞石的抛掷方向，通过选择导洞位置避开工作面需要保护的设备。

(4)通过设置挡碴堆或者挡碴板，使挡碴堆或者挡碴板尺寸与导洞尺寸、中空孔的位置相匹配，控制飞石的抛掷距离和抛掷范围。

(5)通过导洞复式爆破法两次爆破达到的循环进尺，为全断面的第三次爆破创造出良好的自由面条件，保证了全断面爆破的炮孔利用率和循环进尺，降低了雷管和炸药的消耗量。

(6)长期以来，在对设有导洞的主爆区爆破时，本领域技术人员往往采取主爆区的循环进尺等于导洞爆破区的循环进尺，这是因为大家都形成了固有思维，认为循环进尺大施工效率就高，岂不知，这样做会带来以下两个缺陷，一是导洞爆破崩落的岩石散落在导洞爆破断面两侧，填埋两侧未爆破部位，需要重复清理导洞爆破崩落的岩石，反而降低了施工效率；二是在进行第二个循环爆破时需要再次开挖导洞，要想不开挖导洞，就得加大导洞深度，导洞深度加大势必需要用锚杆等进行支护，再次降低施工效率。为了提高施工效率，发明人采取逆向思维，仅在初次循环时开挖一个小尺寸的导洞，即便是遇到软弱岩断面，只需将支撑架推进去对导洞进行被动支护，然后将导洞分两次爆破，为导洞外主爆区的爆破创造出良好的自由面，提高了全断面炮孔的利用率，经现场试验，主爆区炮孔利用率基本能达到100％；然后降低主爆区初次循环进尺，为第二循环进尺主动预留导洞，这样从第二个循环开始，就可以按照正常的循环进尺爆破，且不会出现初次循环导洞爆破后岩渣覆盖在主爆区底部的情形，为所有断面的爆破提供了更加快捷的方式，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1是全断面炮孔布置示意图；

图2是超前导洞区的布置示意图；

图3是掘进过程示意图；

图4a是碴堆布置示意图，图4b是图4a的A-A剖视图；

图5是实施例中全断面炮孔布置示意图。

图6是用于对超前导洞进行被动支护的示意图。

图中：1-超前导洞区，2-主爆区，3-中空孔、4-扩槽孔、5-超前导洞区辅助孔，6-槽边孔，7-周边孔，8-主爆区辅助孔，9-支撑架。

①～⑤分别对应1～5段雷管。

具体实施方式

结合图1至图6所示，对本发明提供的一种中空孔直眼掏槽三次爆破方法的具体实施方式进行说明。

以某煤矿的辅助运输巷道为例，对一种中空孔直眼掏槽三次爆破方法进行说明。该巷道为直墙半圆拱断面，掘进宽度5.40m、高度3.75m，断面面积15.53m

具体的施工步骤包括：

S1.在掘进断面朝向工作面无保护目标的一侧开挖一个导洞，将掘进断面划分为超前导洞区1和主爆区2，导洞宽a＝1.70m、高h＝1.70m。当掘进断面为软弱围岩时，将图6所示的支撑架9推进超前导洞区1对其进行被动支护，以保护作业人员的安全。

S2.在超前导洞区1上按照附图5钻凿直径为d

S3.在超前导洞区1正前方4.0m处布置挡碴堆(见图4a和4b)，挡碴堆宽度W＝1.9m、高度H

S4.在超前导洞区1掘进工作面进行第二次爆破，第一循环的第二次爆破的炮孔利用率为η

S5.在主爆区钻凿周边孔7和主爆区辅助孔8，主爆区辅助孔8围绕超前导洞区1布置。主爆区辅助孔8的孔、排间距为0.45m、0.55m，周边孔7孔间距为0.40m。周边孔7和主爆区辅助孔8的深度为T

S6.在主爆区2装填炸药和1～5段雷管，按照距离超前导洞区由近及远的顺序起爆，完成第一次循环的第三次爆破，第三次爆破的进尺也即第一次循环的爆破进尺等于超前导洞区1第一次爆破进尺L

这样经过第三次爆破后，在掘进断面上主动形成一个真正意义上的超前导洞，该超前导洞的深度等于第二次爆破的循环进尺L

S7.在新的超前导洞区按照步骤S2-S4操作实施两次爆破；

S8.在新的主爆区按照S5-S6方案进行爆破，要求爆破进尺为L＝L

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、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

本说明书涉及的术语的定义：

(1)槽边孔：在超前导洞区开挖轮廓线上布置的炮孔，与周边孔的作用相同，主要用以形成超前导洞区开挖轮廓。

(2)正台阶法，将隧道开挖断面按高度划分成2个或多个开挖工作面，上部的开挖工作面超前下部开挖工作面一定距离的施工方法。

(3)倒台阶法，将隧道开挖断面按高度划分成2个或多个开挖工作面，下部的开挖工作面超前上部开挖工作面一定距离的施工方法。

(4)分断面法，将隧道开挖断面划分成2个或多个爆破断面，通过分次起爆不同断面上的岩石，完成一个掘进循环的施工方法。

(5)下断面复式爆破法，下断面先行爆破的分断面法施工工艺中，针对下断面炮眼利用率低的情况，在下断面第一轮爆破完成之后，继续利用原有的炮孔，在下断面残留炮孔中重复装药、连线、起爆作业，完成第二轮爆破，将残留围岩爆落；从而使下断面达到较深的开挖深度，为上断面爆破创造较好的临空面。这种方法能够有效提高全断面的炮孔利用率，提高全断面的爆破循环进尺。

(6)导洞复式爆破法，导洞超前掘进爆破的分断面法施工工艺中，针对导洞采用直眼掏槽时第一次爆破炮孔利用率低的情况，在导洞第一次爆破完成之后，继续利用原有的炮孔，在导洞断面残留炮孔中重复装药、连线、起爆作业，完成第二次爆破，将残留围岩爆落；从而使导洞达到较深的开挖深度，为全断面爆破创造较好的临空面。这种方法能够有效提高全断面的炮孔利用率，提高全断面的爆破循环进尺。与下断面复式爆破法相比，可以有效降低第二次爆破的雷管和炸药消耗量，提高爆破作业的安全性。