在平巷的开挖过程中,在掘进工作面上总是首先钻少量炮孔,起爆后形成一个适当的空间,形成新的自由面,使周围其余部分的岩石都按顺序向这个空间方向崩落,以获得较好的爆破效果,形成这个空间的过程通常称为掏槽。掏槽孔爆破是处于一个自由面的条件下,破碎岩石的条件非常困难,而掏槽的好坏又直接影响了其他炮孔的爆破效果,因此必须合理选择掏槽形式和装药量,使岩石完全破碎形成掏槽空间和达到较高的掏槽孔利用率。
掏槽爆破炮孔有多种不同的布置形式,归纳起来可分为两大类:斜孔掏槽和直孔掏槽。
1斜孔掏槽
斜孔掏槽是掏槽孔与自由面(掘进工作面、掌子面)倾斜成一定角度。斜孔掏槽有多种不同的形式,各种掏槽形式的选择主要取决于围岩地质条件和掘进掌子面大小。常用的主要有以下几种形式:
(1)单向掏槽。单向掏槽由数个炮孔向同一方向倾斜组成。适用于中硬(f <4)以下具有分层节理或软夹层的岩层。可根据自然弱面赋存条件,分别采用顶部、底部和侧部掏槽(见图8-3)。掏槽孔的角度可根据岩石的可爆性取45°- 65°,间距在30 - 60cm范围内。掏槽孔应尽量同时起爆,这样效果更好。
图8-3 单向掏槽
(a)顶部掏槽;(b)底部掏槽;(c)侧部掏槽
(2)锥形掏槽。锥形掏槽由数个共同向中心倾斜的炮孔组成(见图8-4),爆破后掏槽空间呈锥形。锥形掏槽适用于f>8的坚韧岩石,其掏槽效果较好,但钻孔困难,主要适用于竖井掘进,其他巷道很少采用。
(3)楔形掏槽。楔形掏槽由数对(一般为2-4对)对称、相向倾斜的炮孔组成,爆破后形成楔形掏槽空间(见图8-5)。楔形掏槽适用于各种岩层,特别是中硬以上的稳定岩层。这种掏槽方法爆力比较集中,爆破效果较好,形成的掏槽体积较大。掏槽炮孔两孔底部相距0.2 -0.3m,炮孔与工作面相交角度通常为60°- 75°,根据炮孔角度可分为水平楔形、垂直楔形。当岩石特别坚硬、难爆或孔深超过2m时,可增加2-3对初始掏槽孔,形成双楔形复式掏槽。
图8-4 锥形掏槽
(a)三角锥形;(b)四角锥形;(c)圆锥形
斜孔掏槽的优点有:
(1)适用于各种岩层并能获得较好的掏槽效果;
(2)所需掏槽孔数目较少,单位耗药量少;
(3)槽孔位置和倾角的精确度对掏槽效果的影响较小。
斜孔掏槽的缺点有:
(1)钻孔方向难以掌握,要求钻孔工人具有熟练的技术水平;
(2)炮孔深度受井巷断面的限制,尤其在小断面井巷中更为突出;
图8-5 楔形掏槽
(a)垂直楔形;(b)水平楔形;(c)双楔形复式
(3)全断面井巷爆破下,岩石的抛掷距离较大、爆堆分散,容易损坏设备和支护。
2直孔掏槽
直孔掏槽的掏槽孔与工作面垂直且相互平行,有时为了增加辅助自由面和破碎的补偿空间,可在其中钻几个空孔,空孔的作用是给装药孔创造自由面和作为破碎岩石的膨胀空间。通常,直孔掏槽又分为龟裂掏槽、桶形掏槽和螺旋形掏槽,如图8-6所示。
(1)龟裂掏槽。龟裂掏槽的掏槽孔布置在一条直线上且相互平行,隔孔装药,各孔同时起爆,爆破后在整个炮孔深度范围内形成一条稍大于炮孑L直径的条形槽口,为辅助孔创造了爆破自由面。根据掏槽方向,可分为水平和垂直两种,适用于中硬以上或坚硬岩石和小断面巷道。炮孔间距视岩层性质而定,一般取1-2倍空孔直径,装药长度一般不小于炮孔深度的90%。在多数情况下,装药孔与空孔的直径相同。
(2)桶形掏槽。桶形掏槽的掏槽孔按各种几何形状布置,使形成的槽腔呈角柱体或圆柱体,装药孔和空孔数目及其相互位置与间距是根据岩石性质和井巷断面来确定的。空孔直径可以采用等于或大于装药孔的直径。大直径空孔可以形成较大的人工自由面和膨胀空间,孔的间距可以扩大。各种形式如图8-7所示。
图8-6 部分直线掏槽形式
(a)垂直龟裂掏槽;(b)水平龟裂掏槽;(c)桶形掏槽;(d)空孔螺旋形掏槽
图8-7 桶形掏槽孔的布置形式
(a),(e)三角柱掏槽;(h)四角柱掏槽;(c)单空孔菱形掏槽;(d)双空孔菱形掏槽; (f)六角柱掏槽;(g),(h)大空孔菱形掏槽;(i)五星掏槽;(j)复式三角柱掏槽
○ -空孔;●一装药孔;1-3-起爆顺序
(3)螺旋形掏槽。螺旋形掏槽的所有装药孔围绕中心空孔呈螺旋状布置(见图8-8),并从距空孔最近的炮孔开始按顺序起爆,使掏槽空间逐步扩大。此种掏楷方法在实践中取得了较好的效果。其优点是可以用较少的炮孔和炸药获得较大体积的掏槽空间,各后续起爆的装药孔易于将碎石从掏槽空间抛出。但是,若延期雷管段数不够,就会限制这种掏槽的应用。空孔距各装药孔的距离可依次取空孔直径的l -1.8倍、2-3倍、3-4.5倍、4-4.5倍等。当遇到特别难爆的岩石时,可以增加1-2个空孔。为使掏槽空间内岩石抛出,有时将空孔加深300 - 400mm,在底部装入适量炸药并使之最后起爆,这样可以将掏槽空间内的碎石抛出。装药孔的药量约为炮孔深度的90%。
当需要提高掘进速度时,可采用如图8-9所示的双螺旋掏槽方式,装药孔围绕中心大空孔沿相对的两条螺旋线布置,其原理与螺旋形掏槽相同。中心空孔一般采用大直径钻孔,或采用两个相互贯通的小直径空孔(形成“8”字形空孔)。为了保证打孔规格,常采用布孔样板来确定孔位。此种掏槽适用于坚硬、密实、无裂缝和层节理的岩石。
图8-8 螺旋形掏槽炮孔布置(单位:mm)
图8-9 双螺旋形掏槽炮孔布置 (单位:mm)
(1)~(12)起爆顺序
实验表明,直孔掏槽的孔距(包括装药孔到空孔间距和装药孔之间的距离)对掏槽效果影响很大。孔距是影响掏槽效果最敏感的参数,与最优孔距稍有偏离就可能会出现掏槽失败。孔距过大,爆破后岩石仅产生塑性变形而出现“冲炮”现象;孔距过小,会将邻近炮孔内的炸药“挤死”使之拒爆,或使岩石“再生”。围岩不同,装药孔与空孔之间的距离也不同。装药孔直径与空孔直径均为32 - 40mm时,装药炮孔与空孔距离一般为:软的石灰岩、砂岩等,取150 - 170mm;硬的石灰岩、砂岩等,取125 - 150mm;软的花岗岩、火成岩,取110 - 114mm;硬的花岗岩、火成岩,取80 -110mm;硬的石英岩等,取90 - 120mm。
(4)混合掏槽。混合掏槽是将上述两种方法混合使用,如图8-10所示。
直孔掏槽的优点有:
(1)炮孔垂直于工作面布置,方式简单,易于掌握和实现多台钻机同时作业和钻孔机械化:
(2)炮孔深度不受井巷断面限制,可以实现中深孔爆破;当炮孔深度改变时,掏槽布置可不变,只需调整装药量即可;
(3)有较高的炮孔利用率;
(4)全断面井巷爆破岩石的抛掷距离较近,爆堆集中,不易崩坏井筒或巷道内的设备和支架。
直孔掏槽的缺点是:
(1)需要较多的炮孔数目和较多的炸药;
(2)炮孔间距和平行度的误差对掏槽效果影响较大,必须具备熟练的钻孔操作技术。
图8-10 混合掏槽形式
(a)桶形和楔形;(b)复式楔形