硐室爆破是指將大量炸藥集中裝填於設計開挖成的藥室內，達成一次起爆大量炸藥、完成大量土石方開挖或拋填任務的爆破技術。硐室爆破的主要特點是效率高，但對周圍環境和地質環境要求較高。通過形成緩衝墊層處理採空區的硐室爆破實踐，將單層單排幾個硐室爆破方案改進為雙層雙排層硐室群爆破方案，並拓展採用了縱向立體錯位、同向誘導崩塌的硐室群爆破技術，同時改進硐室工程布置和填塞形式，形成了條形藥包準空腔裝藥結構。
基本介紹
- 中文名：硐室爆破
- 外文名：Cavern blasting
- 主要特點：效率高
- 實例：白銀廠爆破工程
- 環境要求：較高
- 學科：冶金工程
技術方案,方案評述,方案改進,效果分析,總結,
技術方案
最小廢石緩衝墊層厚度的確定
當採空區上部的岩體發生冒落時，冒落體的勢能轉化為對空區內部空氣壓縮做功和對採空區下部結構體的衝擊做功。在採空區的底部保留一定厚度的廢石緩衝墊層，可以起到消減風速風壓和吸收衝擊能的作用。
從消減風速風壓和吸收衝擊能兩種角度分別進行了廢石緩衝墊層厚度的理論計算，結合礦山900 m中段以上的空區實際，最終確定廢石緩衝墊層厚度最小值為20 m。
硐室爆破方案
根據採空區的形狀和位置，基於強制誘導崩落的思路，提出了以空區本身作為自由面，採用硐室爆破崩落上盤圍岩使空區頂板處於拉應力狀態的技術方案。工程實施中將整個硐室由中心向兩翼集中爆破分次完成，先形成散體中心墊層，以防止在空區最大拉應力處產生的零星冒落衝擊下部采場頂柱。同時按照拱型冒落原理，選取980 m 水平、950 m 中段作為誘導空區冒落的主要水平，採用雙層單排混合方式布置硐室。
方案評述
(1) 相鄰兩側硐室堵塞和清除任務繁重以首次3個硐室爆破為例，其爆區相鄰兩側的2個硐室均位於爆破的地震波破壞範圍內，為避免破壞，爆破前必須將其堵塞; 而下次爆破前又需將其堵塞料清除，然後再裝藥、堵塞，如此，加重了堵塞和清除任務。
(2) 緩衝墊層形成厚度不均，增加了礦石的貧化損失礦柱回收是在按自然安息角堆積成錐體形狀廢石緩衝墊層下進行的，採用單層單排幾個硐室爆破時，間柱和底柱上部緩衝墊層存在著厚度和塊度不均的情形。按照放礦規律，在回收這部分礦石時，同厚度均勻但高差相對較小的台體緩衝墊層相比，錐體形狀廢石緩衝墊層中塊度較小的廢石容易首先獲得能量向放礦口移動，造成礦石貧化; 當礦石貧化到一定程度後放出的礦石品位小於截止放礦品位，導致放礦結束，這樣不僅降低了礦石的回收率，也增加了礦石的損失。
(3) 施工組織頻繁，緩衝墊層形成進度緩慢因硐室爆破使用炸藥量較大，為確保爆破成功，從運藥、裝藥、堵塞、模擬試驗、安保、警戒等環節安全要求極高; 但由於空區處理工作的緊迫性，必須頻繁組織實施爆破，勢必會與礦山正常生產相互干擾;此外，由於單層單排幾個硐室一次爆破時形成的緩衝墊層廢石量較小，必將延長了緩衝墊層形成的進度。
正是因為以上不足，需要在後期的爆破實踐中對硐室爆破方案進行改進。
方案改進
1.將幾個硐室爆破方案改進為硐室群爆破方案
(1) 採用群藥包的聯合微差爆破，進一步加強應力波的疊加作用，提高緩衝墊層形成的質量採用硐室群的爆破可充分利用微差爆破的原理，相鄰、上下藥包是在先爆藥包的應力波尚未完全消失時起爆的，幾組硐室的爆炸應力波相互疊加，形成了極高的複雜應力場，有利於岩石破裂並形成了很強的拋擲能力; 同時，岩塊在空中相遇，相互碰撞作用加強，產生補充破碎作用。正是上述兩種作用，岩石得到充分破碎，可改善爆破效果，降低岩石大塊率，提高緩衝墊層形成的質量。
(2) 減少爆破次數，實現平行作業，加快緩衝墊層形成進度和前期的單層單排幾個硐室爆破方案相比，雙層單排硐室群集中爆破時，可減少爆破次數，不需對相鄰的硐室進行頻繁的堵塞和清除，能有效地降低作業強度; 同時，由於雙層單排硐室群存在兩個獨立通道，可實現兩個水平的運藥和填塞工序平行作業。這樣，不僅加快了整體緩衝墊層形成進度，而且有效促進礦山下部開採安全環境的形成。
2.採用縱向立體錯位、同向誘導崩塌的硐室群爆破技術
硐室群爆破時，儘可能使爆破的硐室在縱向上形成立體錯位，從而實現同一自由面方向上圍岩的誘導崩塌，達到有效增加爆破散體岩量、提高橫向上緩衝墊層厚度均勻分布的目的。
(1) 能充分發揮藥包連心線上裂紋的產生和擴展作用，有利於增加爆破散體岩量。正是在以上分析的基礎上，和縱向上下對應的硐室群布置方式相比，採用縱向立體錯位的硐室群布置方式，裂紋沿藥包連心線開裂和擴展的空間更大，裂紋作用發揮的更充分，有利於增加爆破散體岩量。
(2) 有利於增加新的自由面，充分實現硐室群間圍岩的誘導崩塌，增加爆破散體岩量由於硐室工程設計時，考慮充分利用地下已有採礦工程和新實施硐室工程的排渣、通風、掘進等因素，選取的兩層硐室工程高程相差為30m，最小抵抗線為15～19 m，但由於硐室剖面形態各異，無法實現兩層藥包的上下破裂半徑方向上相切貫通，導致爆破岩量不能大幅度增加。但分析幾個錯位對應的硐室剖面，由於其破裂半徑之間相互疊加，可利用上層硐室爆破後新形成的爆破漏斗側邊及漏斗體外的裂紋來增加下層後爆硐室的自由面，從而增加爆破散體岩量; 此外，由於爆破應力波和爆生氣體的作用，錯位對應的硐室群間圍岩已形成了不同程度的貫穿裂紋，隨著時間的推移，這部分圍岩已被誘導將會產生失穩冒落，也必然會增加散體岩量。
(3) 可提高緩衝墊層橫向上厚度分布的均勻性，為覆岩下礦柱的回收創造良好條件由於高程的不同，相同藥量條件下，上層硐室群比下層硐室群爆破後岩石拋擲距離遠，這將對於緩衝墊層在空區上、下盤間的形成十分有利。但由於硐室間隔的存在和岩石按自然安息角形態堆積的影響，在空區橫向上會存在緩衝墊層厚度不連續的情形，而採用縱向立體錯位布置硐室群恰好彌補了這一缺陷，可提高緩衝墊層在橫向上厚度分布的均勻性，滿足放礦時對覆蓋層的要求，為礦柱的回收創造良好條件。
3.改進硐室工程布置和填塞形式，形成條形藥包準空腔裝藥結構
條形藥包因具有爆破方量多，能量分布均勻，相對地減少礦岩大塊率和過粉碎等特點被廣泛採用。由於硐室布置在空區的上盤，為保證施工安全和堵塞方便，無法採用標準的條形藥包布置形式。通過改進硐室工程布置，將爆破硐室平行於平巷設計，在橫巷和硐室間增加聯絡道，並將前期的“T”形堵塞改進為“L”形堵塞，可達到有效減少填塞工作量的目的; 同時通過控制堵塞長度，達到條形藥包的最優空腔比，即硐室體積與藥室體積之比達到4～5之間(相當於不耦合係數為2～2.24) ，這樣便形成了條形藥包準空腔裝藥結構。改進後的條形藥包準空腔裝藥結構在爆破作用過程中，一方面降低了爆炸衝擊波的峰值壓力，避免了對圍岩的過破碎; 另一方面延長了應力作用時間，由於衝擊波往返的多次作用，使得應力場增強的同時，獲得了更大的爆破衝量，提高了爆破有效能量利用率; 同時在爆炸作用過程中產生二次和後續系列應力波，使岩體裂隙得到進一步擴展。因此，採用條形藥包準空腔裝藥結構能使岩石塊度更加均勻，為進一步提高緩衝墊層質量創造了有利條件。
效果分析
(1) 硐室爆破自實施以來，按照“精心設計、嚴格施工、精細化管理”的要求，沒有發生任何事故，爆破有害效應得到了嚴格的控制。
(2) 根據爆破實際散體量統計，900m中段以上已形成了約26m厚的緩衝墊層，大於設計厚度20m。分析散體岩量增大的原因主要有兩點: 一是爆破後應力重新分布造成圍岩零星冒落。爆破後，由於硐室群藥包的作用，距離炸藥作用較遠區域的圍岩會產生部分未完全擴展到圍岩斷裂的微裂隙，隨著時間推移，圍岩應力重新分布達到新的平衡，在此過程中，這部分圍岩會在重力作用下，產生零星冒落，從而增大散體岩量。二是硐室群空腔布藥推動其間圍岩移動。炸藥爆炸後，上下藥室的高壓氣體獨自膨脹，在一定的時間內，氣腔膨脹有可能擊穿其間的岩石迅速連通成整體氣腔，繼續推動錯位布置硐室間岩石向空區方向做功、移動，不僅改善了爆破質量，還誘導增加了圍岩的崩落量。這兩點在現場980m水平28和950m中段26、28號硐室爆破，表現較為明顯。
(3) 改進後的硐室群爆破從2012年開始，經歷了3 次較大規模的爆破，目前整個工程已基本完成。現場通過放礦統計，大塊率基本控制在7%～10%之間; 緩衝墊層的堆積形狀在橫向、縱向和空區寬度方向上相對比較平整; 900m中段下盤穿脈口已被廢石完全堵塞，這些技術要素均達到了構建空場開採安全工程體系的要求，也為消除空區災害隱患，營造礦山下部開採安全環境奠定了良好的基礎。
總結
通過形成緩衝墊層處理採空區的硐室爆破實踐，將單層單排幾個硐室爆破方案改進為雙層雙排層硐室群爆破方案，並拓展採用了縱向立體錯位、同向誘導崩塌的硐室群爆破技術，同時改進硐室工程布置和填塞形式，形成了條形藥包準空腔裝藥結構。實踐證明，這些技術改進不但改善了爆破效果，增加了圍岩的崩落量，提高了緩衝墊層形成的質量，也豐富了硐室爆破技術體系，具有一定的推廣價值。
