时浩然 李晓东

（河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿，河北 唐山 064200）

摘要： 针对地下金属矿山硬岩巷道（普氏硬度系数f＞12）掘进爆破中存在的炮孔利用率低、超挖严重、轮廓成型质量差等技术难题，提出了一种耦合装药与不耦合装药相结合的联合装药方法。该方法采用现场混装药车进行机械化装药，在掏槽孔、辅助孔及底孔中采用散装乳化炸药耦合装药以保障爆破能量供给，在光爆孔（顶孔和边孔）采用直径30mm的胶卷状2#岩石乳化炸药不耦合装药以实现轮廓控制。通过两次爆破循环的断面炮孔布置优化调整，实现了炮孔利用率稳定在90%以上、巷道轮廓平整光滑的工程效果。本文从岩石爆破机理出发，分析了装药结构对爆破效果的影响规律，结合石人沟铁矿现场工业试验，系统阐述了联合装药方法的参数设计、施工工艺及应用效果。研究结果表明，该联合装药方法同时兼顾了硬岩巷道掘进的高效率与高质量，有效降低了超挖量和围岩损伤，为同类工程提供了可靠的技术参考。

关键词： 硬岩巷道；联合装药；耦合装药；不耦合装药；光面爆破；炮孔利用率

0 引言

金属矿山地下开采中，巷道掘进是采矿准备工程的核心环节，其施工效率与质量直接影响矿山整体生产效益。随着大中型地下金属矿山机械化水平的不断提高，液压掘进凿岩台车已在巷道钻孔施工中得到广泛应用，现场混装药车等机械化装药设备也逐步推广。然而，在硬岩巷道（岩石普氏硬度系数f＞12）掘进爆破中，如何兼顾掘进效率与巷道成型质量，始终是采矿工程领域亟待解决的难题。

传统的2#岩石乳化炸药药卷不耦合装药方式，在硬岩条件下存在炮孔利用率低的问题，试验表明当f＞12时炮孔利用率仅约50%。而采用散装乳化炸药耦合装药虽可将炮孔利用率提升至90%左右，但全断面耦合装药导致超挖严重、围岩损伤加剧，巷道轮廓凹凸不平，增加了支护难度和安全风险。针对这一矛盾，田欣等提出了一种联合装药方法，即在掏槽孔和辅助孔采用耦合装药以提高破岩能力，在周边光爆孔采用不耦合装药以控制轮廓成型，取得了良好的工程效果。

本文以石人沟铁矿为工程背景，系统研究联合装药技术在硬岩巷道掘进中的爆破参数设计、施工工艺优化及应用效果，旨在为同类工程提供理论依据和技术参考。

1 工程背景与问题分析

1.1 工程概况

石人沟铁矿位于河北省遵化市，为河钢集团矿业有限公司所属的地下金属矿山。该矿三期工程主要采用分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法，主要采准巷道断面设计为净断面4.5m×3.8m，呈三心拱布置，拱高1.5m，断面面积约15.67m²。巷道穿过的岩层主要为磁铁石英岩和混合花岗岩，岩石普氏硬度系数f=12~16，属于典型的硬岩巷道。

1.2 硬岩巷道爆破存在的技术难题

在硬岩巷道掘进爆破实践中，主要存在以下技术难题：

（1）传统小药卷不耦合装药方式的炮孔利用率低。当岩石硬度系数f＞12时，采用2#岩石乳化炸药药卷进行不耦合装药，巷道断面炮孔利用率仅维持在50%左右，严重制约了掘进效率。造成这一问题的原因主要有两方面：一是钻孔深度较大（3～4m），从爆破理论分析，孔深越大爆破效果越差；二是液压掘进凿岩台车穿孔时受操作水平、台车大臂摆位与抖动、断面凹凸不平及长钻杆变形等因素影响，孔底位置偏差超出设计允许范围，导致装药孔无法提供足够的能量使岩石充分破碎。

（2）全断面耦合装药方式的超挖与围岩损伤问题。采用现场混装药车实施全断面散装乳化炸药耦合装药，虽可将炮孔利用率提升至约90%，但爆破后超挖现象严重，顶板与两帮超挖量可达10%以上，增加了铲运和支护成本。同时，周边围岩受耦合装药爆破冲击破坏严重，岩石裂隙发育，轮廓凹凸不平，增加了排险难度和顶板安全风险。

（3）效率与质量难以兼顾的矛盾。传统装药方式无法同时满足硬岩巷道掘进对高效率和高质量的并行要求，亟须探索一种新型装药方法，以在保证较高掘进效率的同时，实现良好的巷道成型质量。

2 联合装药方法原理

2.1 装药结构对爆破效果的影响机理

装药结构是影响爆破效果的关键因素之一。从炮孔直径与药卷直径的关系来看，装药结构可分为耦合装药与不耦合装药两种基本形式。

耦合装药是指炸药直径与炮孔直径相同，药包与炮孔壁之间不留间隙的装药方式。其特点是爆炸产物直接作用于孔壁，初始孔壁压力峰值高，冲击波能量集中，能够在炮孔近区形成较大的破碎区。研究表明，耦合装药时孔壁峰值压力显著大于不耦合装药，且峰值压力先于不耦合装药出现，炸药能量利用率高，有利于坚硬致密岩石的破碎。然而，过高的孔壁压力也容易导致炮孔周围岩石过度破碎，引起超挖和围岩损伤。

不耦合装药是指炸药直径小于炮孔直径，药包与炮孔壁之间留有空气间隙的装药方式。空气间隙的存在使爆炸产物首先膨胀压缩空气，经空气介质传递后再作用于孔壁，从而降低初始孔壁压力峰值，减小对围岩的冲击破坏。不耦合装药的应力衰减速度较慢，作用时间较长，有利于形成平整的断裂面，是实现光面爆破的关键技术手段。

数值模拟研究表明，在炮孔近区，耦合装药的峰值压力明显大于空气不耦合装药，且耦合装药的振速明显低于不耦合装药，安全性更高。耦合装药使炮孔近区的破碎程度增大，大量吸收炸药爆炸能量，加快冲击波衰减，从而减小了对远区围岩的扰动。

2.2 联合装药方法的技术思路

基于上述机理分析，联合装药方法的核心技术思路是：根据不同炮孔的功能定位，差异化选择装药结构，实现“分区控制、协同破岩”的爆破效果。

具体而言，在巷道断面爆破中，不同炮孔承担着不同的爆破功能：

因此，联合装药方法的基本原则是：在掏槽孔、辅助孔及底孔中采用耦合装药，利用散装乳化炸药的高能量密度和强破碎能力，保障硬岩的高效破碎；在光爆孔（顶孔和边孔）中采用不耦合装药，利用小直径药卷的空气间隔装药结构，降低孔壁压力峰值，实现轮廓的精准控制。

3 爆破参数设计与施工工艺

3.1 爆破参数确定

3.1.1 炮孔直径与深度

凿岩台车钻凿孔径分为两种类型：小孔径Φ45mm，大孔径Φ102mm。大孔径仅用于掏槽孔布置，为掏槽爆破提供补偿空间和自由面；小孔径则为装药爆破的布孔主体。台车使用4m钻杆，除去钎尾部分长度，实际可钻凿孔深3.6～3.7m。

3.1.2 炮孔数目

根据爆破工程经验公式计算炮孔数目：

式中，N为炮孔数目（个），f为岩石坚固性系数（取f=12），S为巷道掘进断面面积（15.67m²），d为炮孔直径（m）。经计算，选定N=48个。

3.1.3 最小抵抗线与孔距

据经验公式计算：

式中，W为最小抵抗线（m），d为炮孔直径（m），a为炮孔间距（m）。

小孔径Φ=45mm时，W=1.0～1.3m。当f≥12时，岩石属坚固性岩石，最小抵抗线取小值1m，炮孔间距上限取1m。各类炮孔的具体参数如下：

3.2 装药结构设计

根据联合装药方法的技术原则，各类炮孔的装药结构设计如下：

（1）掏槽孔：孔径Φ102mm，采用现场混装药车装入现场混制的乳化炸药，实现耦合装药。孔底装入单发雷管和起爆药包，上部用炮泥填塞。

（2）辅助孔：孔径Φ45mm，采用现场混制乳化炸药耦合装药，孔底装入单发雷管和起爆药包。

（3）底孔：孔径Φ45mm，采用现场混制乳化炸药耦合装药，与掏槽孔、辅助孔同步装药。

（4）光爆孔（顶孔和边孔）：孔径Φ45mm，采用直径30mm、长度约300mm的胶卷状2#岩石乳化炸药进行不耦合装药，不耦合系数为1.5。孔底装入单发雷管和起爆药包，炸药卷之间用空气间隔，上部用炮泥填塞。

3.3 起爆网路设计

起爆采用数码电子雷管，按照掏槽孔→辅助孔→周边孔的顺序依次起爆。具体起爆顺序为：掏槽孔1→掏槽孔2→辅助孔3→辅助孔4→辅助孔5→辅助孔6→辅助孔7→周边孔8→周边孔9→周边孔10。为保证起爆可靠性，在掏槽孔和周边孔孔底采用双雷管装药。单次掘进爆破共使用73发数码电子雷管。

3.4 施工工艺流程

联合装药方法的施工工艺流程如下：

第一步：初次爆破循环

（1）采用爆破工程经验公式设计断面炮孔布置，确定炮孔数目和位置；

（2）使用掘进凿岩台车按照设计断面炮孔布置图完成穿孔，穿孔深度3～4m；

（3）利用现场混装药车进行装药，掏槽孔、辅助孔及底孔装入现场混制乳化炸药（耦合装药），光爆孔装入2#岩石乳化炸药胶卷（不耦合装药）；

（4）按照设计的起爆顺序实施爆破；

（5）采用铲运机出渣。

第二步：炮孔布置优化调整

出渣完毕后现场查看断面爆破效果，根据爆破效果调整断面炮孔布置方式，主要调整内容包括：

将光爆孔与最外圈辅助孔间距缩短2/3；

顶孔间距调整为0.8～0.9m，边孔间距调整为0.9m，底孔间距调整为0.7～0.8m；

辅助孔间距调整为0.5～0.8m。

第三步：优化后爆破循环

（1）按照调整后的炮孔布置图进行穿孔，穿孔深度3～4m；

（2）利用现场混装药车进行装药，装药结构与第一步相同；

（3）实施爆破，出渣后即可获得平整光滑的巷道断面。

4 工程应用与效果分析

4.1 试验方案

在石人沟铁矿-180m水平采准巷道中开展联合装药方法工业试验。试验巷道断面15.67m²，岩石普氏硬度系数f=12~14，采用凿岩台车穿孔，现场混装药车装药。试验共完成50个爆破循环，系统记录各循环的炮孔利用率、超挖量、轮廓平整度等指标。

4.2 爆破效果分析

4.2.1 炮孔利用率

工业试验结果表明，采用联合装药方法后，巷道断面炮孔利用率稳定在90%以上，平均炮孔利用率达到91.5%，较传统2#岩石乳化炸药药卷不耦合装药方式（约50%）提高了约40个百分点。与全断面耦合装药方式（约90%）相比，炮孔利用率基本持平，未因光爆孔采用不耦合装药而明显降低。

4.2.2 巷道轮廓成型质量

联合装药方法在保证高炮孔利用率的同时，显著改善了巷道轮廓成型质量。采用优化后的炮孔布置参数，巷道爆破后顶板和两帮的超挖量控制在5%以内，较全断面耦合装药时的10%以上降低了一半以上。巷道轮廓面平整度与光滑度良好，半孔率可达85%以上，围岩裂隙发育程度明显减轻，有效降低了排险工作的难度和顶板安全风险。

4.2.3 炸药单耗

联合装药方法的炸药单耗约为1.8kg/m³，较全断面耦合装药方式（约2.0kg/m³）降低了10%。这主要得益于光爆孔不耦合装药减少了周边区域的炸药用量，以及炮孔布置优化后主体区域炸药能量利用率的提高。

4.3 综合效益评价

综合来看，联合装药方法在石人沟铁矿硬岩巷道掘进中取得了显著的综合效益：

1.效率效益：炮孔利用率稳定在90%以上，单循环进尺达3.3～3.5m（孔深3.6～3.7m），掘进效率较传统方法提高约80%；

2.质量效益：超挖量由10%以上降至5%以内，巷道轮廓平整光滑，围岩损伤显著减轻，支护成本降低约15%；

3.安全效益：顶板平整度提高，浮石减少，排险工作量降低，巷道顶板本质安全性增强；

4.经济效益：炸药单耗降低10%，出渣量减少，综合施工成本降低约12%。

5 结论

1.针对地下金属矿山硬岩巷道（f＞12）掘进爆破中效率与质量难以兼顾的技术难题，提出了耦合装药与不耦合装药相结合的联合装药方法。该方法在掏槽孔、辅助孔及底孔采用散装乳化炸药耦合装药以保障破岩能量，在光爆孔（顶孔和边孔）采用小直径药卷不耦合装药以实现轮廓控制，从机理上兼顾了掘进效率与成型质量。

2.通过两次爆破循环的断面炮孔布置优化调整，实现了炮孔数目最少、炮孔位置最优的布孔目标。优化后的布孔参数为：光爆孔与最外圈辅助孔间距缩短2/3，顶孔间距0.8～0.9m，边孔间距0.9m，底孔间距0.7～0.8m，辅助孔间距0.5～0.8m。

3.石人沟铁矿工业试验表明，联合装药方法的炮孔利用率稳定在90%以上，超挖量控制在5%以内，巷道轮廓平整光滑，半孔率达85%以上。与全断面耦合装药相比，在保持高效率的同时显著改善了成型质量，降低了炸药单耗和综合施工成本，增强了巷道顶板本质安全性。

4.联合装药方法充分发挥了机械化装药设备的优势，实现了装药结构与炮孔功能的精准匹配，为硬岩巷道掘进爆破提供了一种兼顾效率与质量的技术方案，具有重要的工程推广应用价值。

参考文献

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