孔内延期分段起爆掏槽结构和方法与流程

本发明涉及隧道掘进技术领域，具体而言涉及孔内延期分段起爆掏槽结构和方法。

背景技术：

掏槽爆破是隧道掘进工程的首道工序，其主要作用是爆破出新的自由面,为其它炮孔创造有利爆破条件,它的爆破效果影响着全断面的爆破效果和炮孔利用率，掏槽质量决定了单次循环进尺的深度。

现有技术的掏槽中，一般利用微差起爆技术是在不同的孔之间进行，在相邻的孔周围形成新的自由面，如专利文献1提出的技术方案，虽然也公开了掏槽孔孔眼中采用顺序微差起爆，克服岩石的夹制作用，提高循环进尺深度；但是现有技术中的时间间隔固定，仅适应于皖北恒言地区的煤矿，而应用在不同的岩石硬度时，由于岩石被爆破的撕裂和解体时间不同，装药量以及爆破间隔时间不能被确定，则无法达到好的掏槽效果，另外，其技术方案在掏槽时岩块容易堆积，不利于整个作业面后续扩大临空面。

现有技术文献：

专利文献1：cn111256549a一种岩巷深孔多重楔直孔内分段微差掏槽爆破方法

技术实现要素：

本发明目的在于提供孔内延期分段起爆掏槽结构和方法，利用各段起爆间隔，使岩体在前端炸药的爆轰作用中已造成一定的破坏，形成了一定宽的裂隙和附加自由面，为后段装药药提供新的爆破自由面。

优选的，为了实现上述目的，本发明提供一种孔内延期分段起爆掏槽结构,包括：

中心孔，被设置在掘进作业面上；

装药孔，被设置在掘进作业面上并分布于所述中心孔的外围；

其中，所述装药孔内间隔的设置堵塞段和装药段，所述装药段被设置成由外至内的间隔起爆，所述堵塞段底部设有抛掷装药段，用于在装药孔内炸药爆炸后爆炸抛掷碎石。

优选的，所述中心孔的直径为100mm，所述装药孔的直径为45mm，中心孔和装药孔之间的间距满足1.5-1.7倍的中心孔直径。

优选的，所述装药孔被设置成四个呈菱形分布，所述中心孔位于四个装药孔的中心。

优选的，所述装药孔中设有自孔口向内间隔分布的堵塞段和装药段。

本发明提出另一种技术方案，一种根据上述的孔内延期分段起爆掏槽结构的掏槽方法，包括以下步骤：

步骤s1、在掘进作业面上钻出中心孔和四个装药孔；

步骤s2、在装药孔中依次填放炸药和堵塞物，使炸药被间隔分布；

步骤s3、使用电子雷管按预定的时间间隔由外至内依次引爆装药孔中的炸药。

优选的，位于同一装药孔内相邻的所述装药段的间隔起爆时间其中，td＝kh1；

式中，td是底盘岩体开始移动的时间，k是与岩性、药包直径以及药包抵抗线有关的常数，在岩石硬度系数f＝10-12的强蚀变千枚岩和花岗闪长斑岩内，k＝3.2ms/m，h1是药包底盘抵抗线，s是新的自由面形成所需的裂缝宽度，标志爆破体已脱离岩体，定义s＝10mm，vc是平均裂缝张开速度，在岩石硬度系数f＝10-12矿岩内，vc＝3.3-3.4m/s。

优选的，在中心孔的底部装药，使用电子雷管起爆，电子雷管的起爆时间设置晚于装药孔中炸药的起爆时间。

优选的，所述装药孔中的装药量q＝q*a*b*h，其中q＝0.5～1.0kg/m³，a为两个绕中心孔相对分布的装药孔之间的间距，b为两个绕中心孔相邻分布的装药孔之间的间距，h为装药孔深度。

优选的，定义中心孔周围依次分布的四个装药孔为装药孔a、装药孔b、装药孔c和装药孔d，装药孔a内的装药段由外至内的定义为a1、a2···an，装药孔b内的装药段由外至内的定义为b1、b2···bn，装药孔c内的装药段由外至内的定义为c1、c2···cn，装药孔d内的装药段由外至内的定义为d1、d2···dn，炸药被引爆的顺序为：a1、b1、c1、d1同时起爆，间隔预定时间，a2、b2、c2、d2同时起爆，···，间隔预定时间，an、bn、cn、dn同时起爆。

优选的，所述装药孔中每段炸药的长度段和堵塞物的长度段均为400mm。

本发明的优点在于：

由于岩石在爆破后被撕裂以及脱离岩体一定间距能形成临空面，本发明针对不同的岩石硬度特性，提出与适应于不同岩石的间隔起爆时间的计算公式，并设置了相应的装药量以及装药长度，能在前段起爆后岩石分离形成新的临空面后，后段进行起爆，如此，在不同硬度的岩层下均可以达到较深的掏槽深度；

同时对岩石的双向应力作用大，岩石的破碎效果好，也增加碎石之间的相互作用，使被爆破岩体碎化程度高，另外在中心孔的底部设置一段装药，在装药孔爆破之后，中心的底部装药可以将前段的岩块向外抛掷，有利于清孔和现场清理，降低工作量提高安全性；

另外延期爆破时，爆破产生的震动波会相互干扰而削弱，降低整体爆破的震动强度，对周边环境的友好，有利于爆破作业的安全开展。

为了减少孔眼靠近内部的药包爆炸时岩石受到的阻力，改变药包底盘抵抗线，通过孔内间隔分段起爆，在前端装药向后段装药传播的应力波未完全消失时，同时前段爆破的岩石与后段岩石已经分离出一段间距后，起爆后段装药，使靠近内部的岩石整体阻力小，能充分受到药包爆破能量而破碎移动，有利于向内达到更深的进尺深度；

由于前段爆破冲击波并未消失，被爆岩体受到双向应力，从而改善破碎效果，也增加碎石之间的相互作用，使岩石松碎，岩块尺寸较小，且由于双方向受力，使碎岩不会蹦飞较远的距离，便于后期装载碎石，提高安全性；

另外采用延期爆破时，爆破产生的震动波会相互干扰而削弱，从而降低了对周边环境的震动作用，有利于爆破作业的安全开展。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明孔内延期分段起爆掏槽结构的结构示意图；

图2是本发明孔内延期分段起爆掏槽结构的装药结构示意图；

图3是孔内同时起爆掏槽的掏槽孔形成示意图；

图4是孔内延期分段起爆掏槽的掏槽孔形成示意图；

图5是孔内同时起爆掏槽的起爆损伤云图；

图6是孔内延期分段起爆掏槽的起爆损伤云图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意孔内延期分段起爆掏槽结构和方法来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

在孔内炸药起爆时，会产生爆破漏斗，由于掏槽爆破中岩石的挟制作用，越靠近内部，最小抵抗线越长，爆破效果越差，制约了单次掘进深度，本发明旨在实现，能通过孔内分段延期爆破的方式，不断的产生新的自由面，为内部装药爆破产生有利的条件，提高掏槽效果。

结合图1和图2所示，本实施例中提供一种孔内延期分段起爆掏槽结构，包括中心孔3和装药孔2，中心孔3被设置在掘进作业面1上；装药孔2被设置在掘进作业面1上并分布于中心孔3的外围。

如此，中心孔3提供周围岩石被压溃时的缓冲空间，装药孔2内部的炸药爆炸后，爆轰产物开始作用于岩壁，岩壁在爆轰波作用下首先发生塑形变形。岩壁会产生的较强约束作用使得爆轰产物粒子向外膨胀受阻，且在爆轰产物与岩壁界面发生应力波的反射与透射。最终在爆轰产物的推动下，预爆岩石向掘进作业面移动，产生爆破槽。

进一步的，装药孔2内间隔的设置堵塞段21和装药段22，装药段22被设置成由外至内的间隔起爆，堵塞段21底部设有抛掷装药段，用于在装药孔内炸药爆炸后爆炸抛掷碎石。

如此，利用各段起爆间隔，使岩体在前端炸药的爆轰作用中已造成一定的破坏，形成了一定宽的裂隙和附加自由面，为后段装药提供新的爆破自由面。改变后段装药起爆的最小抵抗线方向，使爆破宽度有效增加，可以达到更深的循环进尺深度。

为了能形成更好的自由面，当前段药包爆破后，破碎体脱离原岩体，新的自由面形成，但是前段药包爆轰产物的准静态压力所建立的残余应力尚未消失之前，后段药包应起爆，如此，既可以利用前段药包所产生的新的自由面，另外，通过前后两段药包的应力相叠加，达到好的爆破效果，优选的，相邻的装药段22的间隔起爆时间其中，td＝kh1；

式中，td是底盘岩体开始移动的时间，k是与岩性、药包直径以及药包抵抗线有关的常数，在岩石硬度系数f＝10-12的强蚀变千枚岩和花岗闪长斑岩内，k＝3.2ms/m，h1是药包底盘抵抗线，s是新的自由面形成所需的裂缝宽度，标志爆破体已脱离岩体，定义s＝10mm，vc是平均裂缝张开速度，在岩石硬度系数f＝10-12矿岩内，vc＝3.3-3.4m/s。在本实施例中，间隔起爆时间为12ms。

在岩石硬度系数f＝16-18的含铁石英岩内，k＝2.8ms/m，vc＝的数值是10m/s，时间间隔为10ms。

k是与岩性、药包直径以及药包抵抗线有关的常数，一般为2～4ms/m，k的数值具体是通过观测确定的。vc是平均裂缝张开速度。

在本实施例中，中心孔3的直径为100mm，装药孔2的直径为45mm，中心孔3和装药孔2之间的间距满足1.5-1.7倍的中心孔3直径，本实施例中取1.5倍的中心孔3直径，为150mm。装药孔2被设置成四个呈菱形分布，中心孔3位于四个装药孔2的中心。

根据单循环进尺，评估每段装药所要承担的爆破负载，从而确定孔内分段方案。本实施例为三级围岩下的单次循环2.4m的进尺，孔内分为三段装药每段装药填塞0.4m药柱长0.4m，并在中心孔3底部放置一抛掷药包，将前三段爆破产生的堆积的碎石进行抛掷，其中中心孔3的长度为2.8m。中心孔3分为抛掷抛掷装药段32和空腔段31。

在可选的实施例中，结合图2所示，装药孔2中设有自孔口向内间隔分布的堵塞段21和装药段22。炸药选用乳化炸药，采用不耦合装药方式。

在可选的实施例中，装药孔2中的装药量q＝q*a*b*h，其中q＝0.5～1.0kg/m³，硬岩及底板眼取大值，距掏槽眼近的先起爆的炮眼取大值，相反取小值，但每孔最大装药量不得超过掏槽眼，均采用孔底集中装药，孔口堵塞。a为两个绕中心孔相对分布的装药孔之间的间距，b为两个绕中心孔相邻分布的装药孔之间的间距，h为装药孔2深度。

本发明提供另一种技术方案，一种孔内延期分段起爆掏槽方法，利用上述方案的孔内延期分段起爆掏槽结构，包括以下步骤：

在掘进作业面1上钻出中心孔3和四个装药孔2；

在装药孔2中依次填放炸药和堵塞物，使炸药被间隔分布；

使用电子雷管按预定的时间间隔由外至内依次引爆装药孔中的炸药。

优选的，在中心孔3的底部装药，使用电子雷管起爆，电子雷管的起爆时间设置晚于装药孔中炸药的起爆时间。相邻的装药段22的间隔起爆时间其中，td＝kh1；

式中，td是底盘岩体开始移动的时间，k是与岩性、药包直径以及药包抵抗线有关的常数，在岩石硬度系数f＝10-12的强蚀变千枚岩和花岗闪长斑岩内，k＝3.2ms/m，h1是药包底盘抵抗线，s是新的自由面形成所需的裂缝宽度，标志爆破体已脱离岩体，定义s＝10mm，vc是平均裂缝张开速度，在岩石硬度系数f＝10-12矿岩内，vc＝3.3-3.4m/s。在本实施例中，间隔起爆时间为12ms。

在岩石硬度系数f＝16-18的含铁石英岩内，k＝2.8ms/m，vc＝的数值是10m/s，时间间隔为10ms。

k是与岩性、药包直径以及药包抵抗线有关的常数，一般为2～4ms/m，k的数值具体是通过观测确定的。vc是平均裂缝张开速度。

如此，通过控制起爆时间，在前端装药向后段装药传播的应力波未完全消失时，起爆后段装药，使被爆岩体收到双向应力，从而改善破碎效果，也增加碎石之间的相互作用。

在优选的实施例中，定义中心孔周围依次分布的四个装药孔为装药孔a、装药孔b、装药孔c和装药孔d，装药孔a内的装药段由外至内的定义为a1、a2···an，装药孔b内的装药段由外至内的定义为b1、b2···bn，装药孔c内的装药段由外至内的定义为c1、c2···cn，装药孔d内的装药段由外至内的定义为d1、d2···dn，炸药被引爆的顺序为：a1、b1、c1、d1同时起爆，间隔12ms，a2、b2、c2、d2同时起爆，···，间隔12ms，an、bn、cn、dn同时起爆。

在可选的实施例中，还可以使用螺旋爆破的方式，即a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2···an、bn、cn、dn顺序起爆的方式，每个起爆点间隔12ms。

结合图2所示，装药孔a、装药孔b、装药孔c和装药孔d内的装药均为三段。装药孔2中每段炸药的长度段和堵塞物的长度段均为400mm。

结合图3和图4所示，所示分别为分段装药同时起爆(图3)和延时起爆(图4)下的掏槽形成演化历程。由图4可知，炸药起爆后，爆腔开始膨胀，靠近临空面一侧的岩体开始向外运动，在临空面最外层和堵塞段斜向拉裂，随着爆腔继续膨胀，临空面岩体和堵塞段出现密布的裂纹，随着裂纹的继续迅速扩展，靠近临空面和堵塞段的岩体以块体的形式被抛出，在保留岩体中存在不同密度的裂纹分布。

各段药柱起爆后，产物粒子向岩壁轰击，形成一股很强的爆轰产物粒子流，爆轰产物粒子膨胀轰击作用于孔壁，炮孔壁承受载荷开始产生损伤破坏。随着掏槽空内爆轰产物的继续膨胀，内部粒子作为产物粒子流的后续补充继续拉断向前运动，自由面方向岩体进一步受到破坏。

结合图5和图6所示，图5和图6分别为同时起爆和分段起爆掏槽爆破的最终成腔，分段起爆掏槽爆破面积相较于同时起爆增加了百分之20％-30％。可见分段延时爆破实际起到明显的扩腔作用，岩石的毁伤相对于同时起爆也更加集中于掏槽腔内。

结合以上实施例，由于进行孔内的分段装药，单段药柱承载的预爆岩体减少，前端装药可为后端装药提供新的自由面，减小了掏槽爆破中岩石的挟制作用，掏槽效果显著由于等药量连续装药爆破。后端装药的延期起爆相较多段装药同时起爆显著降低了外层岩体的最大抛掷速度，有效减小抛掷距离。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。