[科普中国]-硐室爆破

硐室爆破形成缓冲垫层技术方案最小废石缓冲垫层厚度的确定

当采空区上部的岩体发生冒落时，冒落体的势能转化为对空区内部空气压缩做功和对采空区下部结构体的冲击做功。在采空区的底部保留一定厚度的废石缓冲垫层，可以起到消减风速风压和吸收冲击能的作用。

从消减风速风压和吸收冲击能两种角度分别进行了废石缓冲垫层厚度的理论计算，结合矿山900 m中段以上的空区实际，最终确定废石缓冲垫层厚度最小值为20 m。

硐室爆破方案根据采空区的形状和位置，基于强制诱导崩落的思路，提出了以空区本身作为自由面，采用硐室爆破崩落上盘围岩使空区顶板处于拉应力状态的技术方案。工程实施中将整个硐室由中心向两翼集中爆破分次完成，先形成散体中心垫层，以防止在空区最大拉应力处产生的零星冒落冲击下部采场顶柱。同时按照拱型冒落原理，选取980 m 水平、950 m 中段作为诱导空区冒落的主要水平，采用双层单排混合方式布置硐室1。

硐室爆破方案的评述(1) 相邻两侧硐室堵塞和清除任务繁重以首次3个硐室爆破为例，其爆区相邻两侧的2个硐室均位于爆破的地震波破坏范围内，为避免破坏，爆破前必须将其堵塞; 而下次爆破前又需将其堵塞料清除，然后再装药、堵塞，如此，加重了堵塞和清除任务。

(2) 缓冲垫层形成厚度不均，增加了矿石的贫化损失矿柱回收是在按自然安息角堆积成锥体形状废石缓冲垫层下进行的，采用单层单排几个硐室爆破时，间柱和底柱上部缓冲垫层存在着厚度和块度不均的情形。按照放矿规律，在回收这部分矿石时，同厚度均匀但高差相对较小的台体缓冲垫层相比，锥体形状废石缓冲垫层中块度较小的废石容易首先获得能量向放矿口移动，造成矿石贫化; 当矿石贫化到一定程度后放出的矿石品位小于截止放矿品位，导致放矿结束，这样不仅降低了矿石的回收率，也增加了矿石的损失。

(3) 施工组织频繁，缓冲垫层形成进度缓慢因硐室爆破使用炸药量较大，为确保爆破成功，从运药、装药、堵塞、模拟试验、安保、警戒等环节安全要求极高; 但由于空区处理工作的紧迫性，必须频繁组织实施爆破，势必会与矿山正常生产相互干扰;此外，由于单层单排几个硐室一次爆破时形成的缓冲垫层废石量较小，必将延长了缓冲垫层形成的进度。

正是因为以上不足，需要在后期的爆破实践中对硐室爆破方案进行改进2。

硐室爆破技术方案的改进1.将几个硐室爆破方案改进为硐室群爆破方案

(1) 采用群药包的联合微差爆破，进一步加强应力波的叠加作用，提高缓冲垫层形成的质量采用硐室群的爆破可充分利用微差爆破的原理，相邻、上下药包是在先爆药包的应力波尚未完全消失时起爆的，几组硐室的爆炸应力波相互叠加，形成了极高的复杂应力场，有利于岩石破裂并形成了很强的抛掷能力; 同时，岩块在空中相遇，相互碰撞作用加强，产生补充破碎作用。正是上述两种作用，岩石得到充分破碎，可改善爆破效果，降低岩石大块率，提高缓冲垫层形成的质量。

(2) 减少爆破次数，实现平行作业，加快缓冲垫层形成进度和前期的单层单排几个硐室爆破方案相比，双层单排硐室群集中爆破时，可减少爆破次数，不需对相邻的硐室进行频繁的堵塞和清除，能有效地降低作业强度; 同时，由于双层单排硐室群存在两个独立通道，可实现两个水平的运药和填塞工序平行作业。这样，不仅加快了整体缓冲垫层形成进度，而且有效促进矿山下部开采安全环境的形成。

2.采用纵向立体错位、同向诱导崩塌的硐室群爆破技术

硐室群爆破时，尽可能使爆破的硐室在纵向上形成立体错位，从而实现同一自由面方向上围岩的诱导崩塌，达到有效增加爆破散体岩量、提高横向上缓冲垫层厚度均匀分布的目的。

(1) 能充分发挥药包连心线上裂纹的产生和扩展作用，有利于增加爆破散体岩量。正是在以上分析的基础上，和纵向上下对应的硐室群布置方式相比，采用纵向立体错位的硐室群布置方式，裂纹沿药包连心线开裂和扩展的空间更大，裂纹作用发挥的更充分，有利于增加爆破散体岩量。

(2) 有利于增加新的自由面，充分实现硐室群间围岩的诱导崩塌，增加爆破散体岩量由于硐室工程设计时，考虑充分利用地下已有采矿工程和新实施硐室工程的排渣、通风、掘进等因素，选取的两层硐室工程高程相差为30m，最小抵抗线为15～19 m，但由于硐室剖面形态各异，无法实现两层药包的上下破裂半径方向上相切贯通，导致爆破岩量不能大幅度增加。但分析几个错位对应的硐室剖面，由于其破裂半径之间相互叠加，可利用上层硐室爆破后新形成的爆破漏斗侧边及漏斗体外的裂纹来增加下层后爆硐室的自由面，从而增加爆破散体岩量; 此外，由于爆破应力波和爆生气体的作用，错位对应的硐室群间围岩已形成了不同程度的贯穿裂纹，随着时间的推移，这部分围岩已被诱导将会产生失稳冒落，也必然会增加散体岩量。

(3) 可提高缓冲垫层横向上厚度分布的均匀性，为覆岩下矿柱的回收创造良好条件由于高程的不同，相同药量条件下，上层硐室群比下层硐室群爆破后岩石抛掷距离远，这将对于缓冲垫层在空区上、下盘间的形成十分有利。但由于硐室间隔的存在和岩石按自然安息角形态堆积的影响，在空区横向上会存在缓冲垫层厚度不连续的情形，而采用纵向立体错位布置硐室群恰好弥补了这一缺陷，可提高缓冲垫层在横向上厚度分布的均匀性，满足放矿时对覆盖层的要求，为矿柱的回收创造良好条件。

3.改进硐室工程布置和填塞形式，形成条形药包准空腔装药结构

条形药包因具有爆破方量多，能量分布均匀，相对地减少矿岩大块率和过粉碎等特点被广泛采用。由于硐室布置在空区的上盘，为保证施工安全和堵塞方便，无法采用标准的条形药包布置形式。通过改进硐室工程布置，将爆破硐室平行于平巷设计，在横巷和硐室间增加联络道，并将前期的“T”形堵塞改进为“L”形堵塞，可达到有效减少填塞工作量的目的; 同时通过控制堵塞长度，达到条形药包的最优空腔比，即硐室体积与药室体积之比达到4～5之间(相当于不耦合系数为2～2.24) ，这样便形成了条形药包准空腔装药结构。改进后的条形药包准空腔装药结构在爆破作用过程中，一方面降低了爆炸冲击波的峰值压力，避免了对围岩的过破碎; 另一方面延长了应力作用时间，由于冲击波往返的多次作用，使得应力场增强的同时，获得了更大的爆破冲量，提高了爆破有效能量利用率; 同时在爆炸作用过程中产生二次和后续系列应力波，使岩体裂隙得到进一步扩展。因此，采用条形药包准空腔装药结构能使岩石块度更加均匀，为进一步提高缓冲垫层质量创造了有利条件3。

硐室爆破效果分析(1) 硐室爆破自实施以来，按照“精心设计、严格施工、精细化管理”的要求，没有发生任何事故，爆破有害效应得到了严格的控制。

(2) 根据爆破实际散体量统计，900m中段以上已形成了约26m厚的缓冲垫层，大于设计厚度20m。分析散体岩量增大的原因主要有两点: 一是爆破后应力重新分布造成围岩零星冒落。爆破后，由于硐室群药包的作用，距离炸药作用较远区域的围岩会产生部分未完全扩展到围岩断裂的微裂隙，随着时间推移，围岩应力重新分布达到新的平衡，在此过程中，这部分围岩会在重力作用下，产生零星冒落，从而增大散体岩量。二是硐室群空腔布药推动其间围岩移动。炸药爆炸后，上下药室的高压气体独自膨胀，在一定的时间内，气腔膨胀有可能击穿其间的岩石迅速连通成整体气腔，继续推动错位布置硐室间岩石向空区方向做功、移动，不仅改善了爆破质量，还诱导增加了围岩的崩落量。这两点在现场980m水平28和950m中段26、28号硐室爆破，表现较为明显。

(3) 改进后的硐室群爆破从2012年开始，经历了3 次较大规模的爆破，目前整个工程已基本完成。现场通过放矿统计，大块率基本控制在7%～10%之间; 缓冲垫层的堆积形状在横向、纵向和空区宽度方向上相对比较平整; 900m中段下盘穿脉口已被废石完全堵塞，这些技术要素均达到了构建空场开采安全工程体系的要求，也为消除空区灾害隐患，营造矿山下部开采安全环境奠定了良好的基础3。

总结通过形成缓冲垫层处理采空区的硐室爆破实践，将单层单排几个硐室爆破方案改进为双层双排层硐室群爆破方案，并拓展采用了纵向立体错位、同向诱导崩塌的硐室群爆破技术，同时改进硐室工程布置和填塞形式，形成了条形药包准空腔装药结构。实践证明，这些技术改进不但改善了爆破效果，增加了围岩的崩落量，提高了缓冲垫层形成的质量，也丰富了硐室爆破技术体系，具有一定的推广价值2。