有色金属工程杂志投稿格式参考范文：等延时螺旋逐孔起爆技术在巷道掘进中的应用

　　引言

　　我国经济的高速发展对矿产资源的需求在不断加大，巷道是地下矿山人员、机械和物料的主要运输途径，大型矿山地下巷道可达数十万公里。矿山深部巷道普遍采用爆破掘进，而掏槽爆破效果直接影响巷道成型，作业中，常采用直孔掏槽和斜孔掏槽两种形式，由于斜孔掏槽操作不便，易受到断面尺寸和岩层硬度限制，巷道爆破掘进常用直孔掏槽形式，但常遇到爆破效率低、巷道轮廓差等问题。由此衍生出直孔螺旋掏槽形式，螺旋掏槽布孔呈螺旋状，装药孔至空孔孔距依次增加，呈现螺旋线分布，具有成腔效果好，掏槽效率高等优点。郑祥滨等对单螺旋空孔直眼掏槽进行了数值分析，实现了掏槽成腔过程和压力传播可视化;谢飞鸿等对煤仓导硐采用长直眼螺旋掏槽分段爆破，取得了良好的效果。但采用螺旋掏槽对钻孔质量要求较高，工程中为提高钻爆效率，通常不使用螺旋掏槽形式，因此探索一套钻爆效率高、爆破效果稳定性强的直孔爆破法，是矿山工程建设的重点之一。

　　我国工业电子雷管具有产量高、精度高和安全性好等特点，凭借任意设置延期时间 (精度 1ms) 给逐孔起爆技术提供了便捷，与分段起爆不同，逐孔起爆通过工业电子雷管按照延期时间控制炮孔独立起爆，爆破过程可持续数秒，通过延期时间可精确调控多孔之间炸药能量使爆破效果达到最佳。对于延期时间的选择，20 世纪国外一些学者给出了范围，FISH B (美) 建议取 2~25ms，KOTIA (匈牙利) 建议取 2~25ms，WHITE (美) 建议取 5~25ms，POKROVISHYI (俄) 建议取 4~5ms，DANSELM (法) 建议取 25~50ms，KHQUKAYEV (俄) 建议取 20~60ms，但实际运用场景各有不同，无法直接运用于岩巷爆破掘进。而近年在爆破延期时间研究方面，王勉等提出可通过不断扩大的自由面来确定最小抵抗线从而确定延期时间;LI 等基于光滑粒子流体动力学来模拟逐孔起爆，得出逐孔起爆的关键在于合理延期时间;HOSHINO 等通过计算机程序模拟每个炮孔发出的振动波叠加计算来选择最佳延期时间;LI 等通过比较不同延时的两孔爆破振动信号在特征频率处的信号能量和波形持续时间，确定了两孔间延期时间;周文海等以自然状态下的潜在滑动面和静态安全系数为基础获得了边坡逐孔爆破最佳延期时间。

　　在逐孔起爆运用与机理研究中，李祥龙等采用高精度工业电子雷管开展了逐孔起爆工业试验;丁伟捷等建立了工业电子雷管逐孔起爆条件下的质点峰值振速预测模型，得出监测点距离与质点峰值振速为负相关;ZHOU 等借助 DIC 技术探究了逐孔起爆机理，发现两炮孔间力学属性随延期时间改变而变化。有专家学者提出，逐孔起爆中先爆孔形成单孔爆破漏斗，炮孔内滞留的高温高压气体在漏斗内扩散施压使炮孔附近产生大量裂隙，当延期时间恰当时，后爆孔利用新自由面并逐渐扩大自由面从而降低岩体的爆破夹制作用，炸药爆轰波传递至岩体中，先爆孔围岩从轴向自由面飞出，在抛掷过程中飞石又互相碰撞进一步发生破碎，使得爆堆不会四散分开而更加集中。

　　综上所述，逐孔起爆技术得益于工业电子雷管的出现，在现场运用和破岩机理方面快速发展，但在巷道掘进爆破方面研究较少，本文提出一种地下矿山全断面螺旋等间隔逐孔起爆技术，探究适用于地下矿山小断面巷道的安全、高效爆破方法。

　　1 螺旋掏槽与逐孔起爆破岩

　　1.1 螺旋掏槽破岩机理

　　螺旋掏槽结构由桶形掏槽演化而来，常采用大直径空孔作为爆破能量导向，装药孔起爆后，爆轰波随距离增加衰减为应力波传播，传至空孔时，作为自由面，其附近会形成两向拉伸应力，一是单孔爆炸应力波经空孔凸表面反射压缩波形成发散径向拉伸波，二是由于单孔至空孔距离不同，应力波衰减程度不一，应力波速度及方向差异导致各质点产生位移差和切向拉伸应力，空孔周围产生应力集中且爆生裂纹发育倾向空孔，对岩石破碎起到定向作用，此作用称为空孔 (又称控制孔) 效应。

　　1.2 逐孔起爆破岩机理

　　逐孔起爆孔可以认为是单孔爆破并形成单孔爆破漏斗，当相邻炮孔的延期时间选择合理时，后爆孔利用先爆孔形成的新自由面并逐渐扩大自由面。其破岩过程可以细分以下三个阶段：

　　在炸药爆炸破碎岩体运移的 150ms 内，爆轰波和高压气体对岩体的作用效果达到顶点，先爆孔在矿岩中形成单孔爆破漏斗为后爆孔提供新自由面;

　　爆炸应力波传播至异质界面 (空气与岩体界面) 被完全反射，受反射拉伸波与压缩波、爆生气体等因素影响，漏斗内部产生更多密集交叉裂隙，岩体经强化挤压碰撞后，使二次破碎更充分;

　　前一个炮孔爆炸引起的爆破碎石尚未落地，而后续炮孔产生的碎石飞向新增自由面时，这些碎石之间会因动能作用发生碰撞和挤压，进一步对岩体造成粉碎。

　　起爆孔形成爆破漏斗时，在岩体内会形成粉碎区、裂隙区和弹性振动区，其中对于粉碎区和裂隙区范围，刘泽功等基于理性爆轰理论推导相关公式。

　　1.3 巷道爆破掘进方案构想

　　掏槽爆破是决定巷道掘进效率的关键，为后续炮孔起爆提供新自由面和补偿空间，螺旋掏槽结构具有破岩效率高、钻孔进尺率高等特点，但钻孔形式复杂难以操作，依托螺旋掏槽结构破岩的优越性，参照此结构形式结合工业电子雷管的精确短延时性，将螺旋掏槽 (同段起爆) 破岩空间顺序变为破岩时间顺序，提出一种六空孔辅助掏槽结构 (逐孔起爆)，并将此形式进一步扩大至全断面，进而提出一种基于工业电子雷管的全断面逐孔起爆方法。

　　2 掏槽爆破参数确定

　　中心装药孔四周环绕着六空孔，中心孔起爆后，空孔与装药孔之间的岩体会发生变形、贯穿、破碎、抛掷 4 种现象。理想情况下，六空孔辅助掏槽的各空孔与装药孔的间距必须在 “抛掷带”，使岩石充分破碎抛出槽腔。

　　文献 [30] 根据弹性力学理论得出孔壁附近的切向峰值应力状态，得出爆破后空孔孔壁处拉应力最大峰值应大于岩石的抗拉强度，由此，可得到装药孔与空孔的间距计算公式。

　　实际工程中掏槽孔装填 Φ32mm 的标准 Ⅰ 号岩石乳化炸药，炸药密度为 1150kg/m³、爆速为 4500m/s，代入上式可得，L≥0.12m，即中心装药孔与空孔距离 0.12m。

　　中心装药孔最先起爆将六空孔辅助掏槽结构中的空孔连通，由于底部岩石所受夹制作用较强，破碎岩石在爆破强荷载作用下向自由面抛出形成初步空腔，此时空腔所形成的自由面还尚小，为了保证良好的掏槽效果，其余掏槽孔离空腔距离 rt 必须控制在爆破裂隙圈范围内，裂隙圈扩展半径可根据相关公式得出，代入参数，计算得 rt=0.388m，取 rt=0.4m。

　　3 等延时螺旋逐孔起爆模拟研究

　　基于螺旋掏槽结构所提出的六空孔辅助掏槽并扩大到巷道的全断面逐孔起爆法中掏槽结构和布孔参数较为重要，且延期时间对全断面巷道爆破的影响不明，以及所提出的全断面逐孔起爆法是否可行也有待考究，为避免在现场试验失败，有必要对掏槽结构参数和全断面结构参数进行逐孔起爆数值计算。

　　近年来，有限元软件广泛应用于爆破工程领域，可以模拟围岩在爆炸应力场中的损伤演化过程，进而指导爆破参数设计。本文采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件模拟不同等间隔延时起爆条件下巷道岩体的爆破损伤情况受计算时限限制，仿真计算的间隔延期时间选择微秒量级。

　　3.1 岩石本构与模型参数

　　HJC 本构模型常用于模拟岩石、混凝土等材料在高应变率下变形损伤特性，它综合考虑了压实压碎效应、应变率效应、损伤演化效应以及围压效应的影响更适用于地下岩石爆破损伤变化，因此本文采用了 HJC 本构模型描述地下围岩，大屯锡矿遍布大量花岗岩巷道，围岩选用花岗岩，HJC 本构模型参数参考文献 [31] 得出，选用 cm-g-µs 单位制。

　　炸药爆炸是一个复杂的过程，会产生瞬时压力作用于周围物体。可选择状态方程来求炸药内部单元的压力，炸药采用 HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型结合 JWL 状态方程，该模型能较为真实地反映出炮孔的膨胀过程，并给出其状态方程。

　　空气模型需要采用MAT_NULL 材料 (空材料) 模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 线性多项式状态方程描述联合计算，在计算过程中可以不考虑偏应力，并给出其压力计算公式，式中，C₀=C₁=C₂=C₃=C₆=0，C₄=C₅=0.4，E=2.5e5Pa，密度为 1.225kg/m³。

　　为阐明等间隔延时对全断面逐孔起爆的影响，选取 1.8m×1.8m 巷道模型进行计算，全断面共 17 个 Φ40mm 装药孔，6 个 Φ40mm 空孔不装药，模型四周施加了 20MPa 地应力 (800m 上覆岩层重量)，设置了无反射边界条件。整个模型计算范围为 3m×3m 矩形，网格划分采用映射网格，网格数为 54391，节点数为 109656。对全断面等间隔延时 (此处主要为探究延期时间对爆破效果的影响，但由于制约无法进行 ms 级全断面计算) 选择了 50、100、150、200µs 进行了计算，并提取了 4 种等间隔延时下最终损伤演化云图。

　　3.2 数值计算结果

　　四种等间隔延期下，六空孔辅助掏槽爆后损伤云图，模型损伤在一定程度上能够反映逐孔起爆的爆破效果，模拟过程中通常用损伤值 D (0

　　装药孔起爆后，迅速向外传爆，分别经过 250、500、750 和 1000µs 完成掏槽起爆，爆炸荷载作用在岩体上，爆轰波由炮孔径向发散形成粉碎区、裂隙区和弹性区。对比四种等间隔延期爆后云图，粉碎区范围高度相似，但裂隙区差别较大，50µs 等间隔下，红色完全损伤区域呈现 “十字” 状，相邻炮孔间几乎未出现贯穿裂纹，未能形成掏槽空腔;100µs 等间隔下，红色完全损伤区域在掏槽上半部分形成，少数裂纹向辅助区域发育，形成上大下小空腔;150µs 等间隔下，掏槽区域完全形成空腔，掏槽孔之间相互贯穿抛掷岩体，近 7 条裂纹向辅助区域发育;200µs 等间隔下，掏槽区域完全贯穿，空腔更大，红色区域占比更多，近 11 条裂纹由掏槽区域向辅助区域发育，甚至达到了周边区域，在四种等间隔延期中，炸药能量利用率最大，破碎岩体最充分。

　　四种等间隔延时逐孔起爆全断面损伤演化云图，为增强岩石完全损伤 (即 D=1) 红色区域对比，描绘了 (50、100、150、200µs) 等间隔延时逐孔起爆爆后轮廓。

　　将四种等间隔延期下爆后断面 (即 D=1) 红色区域进行勾画，统计勾画区域面积分别为 2.65、2.98、3.45、3.53m²，爆破设计三心拱断面面积为 3.23m²，定义爆破断面损伤面积比 W，给出计算公式，式中，W 为爆破损伤面积比;P 为爆后完全损伤断面面积;S 为设计断面面积。

　　据定义的四种等间隔延时逐孔起爆爆后断面损伤面积比 W 分别为 82%、92%、106%、109%。从趋势上看爆后断面面积随等间隔延时的增加而增大，四种等间隔延时总爆破时间分别为 850、1700、2550 和 3400µs，总爆破时间长更有利于碎石发生充分碰撞从而增强爆破效果。

　　大屯锡矿属于地下矿山，最深处可达数 km，随开采深度增加，高地应力问题开始凸显，高地应力下巷道断面面积非常重要，过大造成巷道顶板暴露面积过大，有垮塌冒顶风险，过小则不利于人员、机械设备的流动，因此，爆后断面应与设计断面最接近杜绝超欠挖现象才是最优解。

　　从爆破损伤角度来看，100µs 和 150µs 等间隔延期下爆破断面损伤面积比为 92% 和 106%，线性拟合，在 100µs 和 150µs 等间隔延期下存在一个最佳延期时间，可使爆破断面面积率达到 100%，数值仿真结果表明，掏槽结构参数和全断面逐孔起爆方法是合理的，且存在一个最佳孔间延时，使得每个炮孔的爆炸能量彼此协作，完成掘进进尺的同时，减弱对围岩损伤。

　　4 工业现场试验

　　4.1 工程背景

　　高松矿田位于个旧锡铜多金属矿集区东区中北部，夹持于个松断裂、背阴山断裂 EW 向和甲界山断裂、个旧断裂 SN 向之间，NE 向五子山复式背斜中部。矿区内断裂构造十分发育，纵横交错，在大箐 - 阿西寨向斜构造的基础上，形成貌似 “棋盘” 格式的构造框架。其中大屯锡矿 1.8m×1.8m 运输巷道围岩均为三叠系中统个旧组 (T2g) 碳酸盐类岩石，岩性主要大理岩、硫化矿、花岗岩等，并给出其主要岩体力学参数结果。

　　4.2 掏槽爆破试验

　　为保证掏槽爆破效果，装药系数按 0.8 计算 (即装药长度为炮孔长度 0.8 倍)，孔深 1.5m，单孔装药量 Q1=1.2kg，装药 4 卷，填塞 0.2m，孔间延时设置为 50、100、150ms 等间隔。并给出六空孔辅助掏槽爆破参数，以及掏槽区域布孔情况。

　　爆后使用钢钎将碎石掏出，50ms 等间隔掏槽试验出现一发雷管拒爆，150ms 等间隔掏槽试验槽腔成型不佳，100ms 等间隔起爆掏槽试验效果，可见槽腔轮廓呈现孔口大孔底细小的喇叭状，槽腔宽度为 0.6m，深度为 1.3m，爆后碎石块度尺寸平均为 4.0cm，最终槽腔进尺率为 87%，可为后续起爆炮孔提供足够自由面和碎胀空间，验证了 100ms 等间隔延期下六空孔辅助掏槽方式的可行性。

　　4.3 全断面逐孔起爆现场试验

　　大屯锡矿小断面巷道开挖断面底宽 1.8m，直墙加拱高共 1.8m，顶部 1/5 三心拱，钻孔施工时采用手持式 YT29 凿岩机，试验巷道围岩为花岗岩，整体性较好裂隙不发育。

　　逐孔起爆技术已有先例并成功运用于工程中，本文应用研究选择埋深 800m 花岗岩小断面巷道(3.1m²)，布置了 17 个装药孔，螺旋逐孔起爆方式(炮孔序号即为起爆顺序)，选择 t=50ms、t=100ms 和 t=150ms 开展不同孔间延时现场试验，并给出爆破参数。

　　注：1.8m×1.8m 巷道每立方米平均炸药消耗量为 3.7kg/m³。

　　4.4 爆后效果分析

　　t=50ms 时，全断面逐孔爆破效果，爆后进尺 1.32m，炮孔利用率为 88%，周边轮廓平整度一般;t=100ms 时，爆后进尺 1.42m，炮孔利用率为 95%，爆堆高度为 0.9m，顶板几乎无浮石，轮廓光滑掌子面平整，有利于铲装;t=150ms 时，爆后进尺 1.3m，炮孔利用率为 87%，周边轮廓平整度一般。

　　对三次现场试验的爆堆使用 Split-Desktop 软件进行块度识别处理，边铲装边拍摄，获取爆堆中的实际块度分布数据，统计中去掉了块度小值与大值，选择了过筛率在 40%~60% 内的块度作为每次现场试验的爆堆平均块度。

　　三次试验选择了岩性一致区域进行，爆破参数仅孔间延期时间不同。t=50ms 时，相邻炮孔相互作用强，为应力波强作用阶段，爆后碎石块度整体较均匀，爆堆平均块度为 40cm，偶有大块需要二次破碎，爆堆高度为 0.7m，顶板有浮石，需用钎杆修整;t=100ms 时，相邻炮孔相互作用弱，应力波弱作用阶段，爆后碎石小且均匀，爆堆平均块度分别为 12cm;t=150ms 时，相邻炮孔几乎不干扰，为应力波不作用阶段，整体为单炮孔爆破形式，爆堆平均块度分别为 19cm，爆堆高度为 0.6m，碎石块度均匀，轮廓平整度一般。并给出爆后效果统计。

　　5 结论

　　数值模拟表明，等间隔延时增加可以提升爆破断面损伤面积比(W=82%~109%)，说明存在一个等间隔延时，使掘进爆破效果最佳。

　　掏槽试验采用平行六空孔桶形逐孔掏槽方式，空孔和装药孔直径相同，掏槽孔不超深，采用逐孔起爆方式，炮孔利用率超过 87%，可满足后续起爆孔所需自由面和碎胀空间。

　　在大屯锡矿某小断面巷道掘进中选择 100ms 等延时逐孔起爆中，单循环炮孔利用率达 95%，爆后轮廓平整，块度均匀集中在 12cm 附近，验证了等间隔逐孔延期起爆在地下矿山巷道爆破掘进的适用性，可为地下巷道掘进爆破的起爆网路设计提供参考。

李进华;徐培良;吴建峰;杨智勇;雷露刚;王建国,昆明理工大学国土资源工程学院;云南锡业股份有限公司;中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院;云南省教育厅爆破新技术工程研究中心,202505