倾斜分支溜井单段爆破成井技术研究与应用

《Results in Engineering》：Technology for single-stage blasting of inclined branched ore pass: research and application

　　

摘要：分支溜井通常在受限地下空间内施工，传统爆破方法效率低、安全风险高且成本昂贵。在此类条件下实现精准的单段爆破成井并减少对围岩扰动是一项重大挑战。本研究针对云南大屯锡矿倾斜分支溜井工程，采用LS-DYNA数值模拟，系统分析了掏槽孔数量及其间距对筒形掏槽爆破空腔形成效果的影响。通过对六种方案的对比分析发现，在给定掏槽面积下，存在一个最优的掏槽孔数量，可使爆后补偿空间接近设计值；超过该数量后收益递减。其中，五孔掏槽方案在间距为200 mm时表现出最佳空腔形成效果。基于模拟结果，研究人员在断面2 m × 2 m、深度10 m的倾斜分支溜井中进行了单段爆破成井现场试验，成井轮廓符合规范要求，壁面平整，并与主溜井系统实现精准贯通。该成功应用为小断面倾斜溜井的单段爆破成井提供了关键设计参数与实践依据。

论文解读：

本研究发表于《Results in Engineering》，针对地下金属矿山分支溜井施工效率低、风险高的问题展开。传统施工需多次掘进与爆破循环，人员在井口高处作业，效率与安全难以兼顾。单段爆破成井技术（single-stage blasting raise sinking）结合中深孔爆破与分段毫秒延时（segment millisecond-delay blasting）技术，可显著缩短工期，但其在小断面及复杂地质条件下的适应性仍待优化。特别是在高应力、节理发育的倾斜溜井施工中，掏槽爆破的补偿空间与自由面控制是决定成败的关键。为此，研究人员以云南大屯锡矿为工程背景，围绕石灰岩地质条件，开展了数值模拟与现场验证相结合的系统研究。

关键技术方法方面，研究人员首先采集现场石灰岩试样，进行单轴压缩、巴西劈裂及波速测试，获得静态力学参数，并结合原位地应力测量结果（恒定围压10 MPa）校准RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）本构模型参数。炸药材料采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN配合JWL状态方程描述，空气与堵塞材料分别采用MAT_NULL与*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。基于补偿空间理论，设计了四孔、五孔、六孔三种掏槽方案，并在间距200 mm与300 mm两种条件下开展LS-DYNA准三维截面模型模拟，分析动态损伤演化、有效应力分布及空腔形成规律。最终在现场实施最优方案的工业性试验，验证其工程可行性。

研究结果分为三部分：

1. 1.
   掏槽爆破岩石动态破坏机制：模拟显示，爆炸应力波首先在孔壁产生拉伸破坏，随后爆生气体推动裂纹沿最小抵抗线方向扩展，并在掏槽孔与空孔连线中点形成应力集中区，促进径向裂纹贯穿，最终形成完整空腔。
2. 2.
   截面应力影响规律：监测点数据分析表明，掏槽孔数增加会提升特征点的峰值有效应力，而孔距增大则因补偿系数降低导致应力下降。200 mm孔距下，五孔方案可在不过度粉碎围岩的前提下提供足够的补偿空间。
3. 3.
   空腔形成规律：空腔面积随孔数增加而增大，但过度增加孔数会导致破碎区面积呈指数增长，消耗过多能量并损害围岩稳定。五孔200 mm方案在空腔体积、裂纹区范围及施工难度之间达到最佳平衡。

现场试验采用ZDY3500LPS型全液压凿岩台车钻孔，布置30个炮孔，直径分别为75 mm（装药孔）与110 mm（空孔），使用一号岩石乳化炸药连续不耦合装药，分段毫秒延时起爆。爆后检查显示，溜井轮廓完整、壁面平整，与主溜井精准贯通，满足出矿倾角要求。

讨论部分指出，掏槽中心作为自由面的创建环节，必须严格控制钻孔精度并保持空孔与装药孔的平行度，建议采用带导向或随钻测量系统的钻机，执行“钻孔—测斜—纠偏”动态施工流程。分段延时起爆可降低单段振动，按“由内向外、由下向上”的顺序起爆，并在爆破边界外布置预裂孔以隔离应力波传播。

结论部分总结：

(1) 空孔在掏槽爆破中具有双重作用——提供岩石碎胀所需的补偿空间，并通过改变应力波路径在装药孔与空孔连线中点产生高达96.7 MPa的应力集中，引导径向裂纹定向扩展。

(2) 孔距减小至200 mm可促进裂隙连通，裂纹发育程度较300 mm提升58.9%；但破碎区面积随孔距增大呈指数增长，六孔200 mm方案的破碎区比五孔200 mm方案增加114%，不利于围岩稳定。

(3) 五孔200 mm方案可形成0.56 m²的理想空腔，其裂纹区范围与六孔方案相差不足7%，且能有效降低小断面布孔中的穿孔风险，兼具技术与经济优势。现场试验验证了该方案可形成规整的溜井轮廓，为类似条件下的倾斜溜井高效开挖提供了可靠设计依据。

本研究局限于单一石灰岩地质条件，未来将拓展至多种岩石类型，并结合三维地质建模与动态监测技术，实现施工前与施工中的精准预测与控制，进一步提升成井质量与安全性。