0 引 言
钻爆法是岩石井巷掘进的主要工法之一，在岩巷施工中占95%以上[1]，而岩巷钻爆法掘进水平常年维持在70～80 m/月[2-3]，岩巷钻爆法掘进速度处于低位水平是造成我国煤矿“采掘失衡”矛盾的重要因素之一。
提高炮孔利用率甚至是百分之百利用一直是爆破学术界为之努力的目标，提高炮孔利用率的关键在于掏槽，掏槽孔爆破后新形成的槽腔为后续辅助孔爆破提供新自由面。所以，对于如何提高炮孔利用率，加快岩巷掘进速度，学术界围绕掏槽技术开展了大量的研究。如张文魁[4]比较系统地介绍了国内外直眼掏槽的各种方法，并比较了它们的技术效果；王文龙等[5]认为选择恰当的掏槽方法和掏槽参数是提高爆破效率的关键，并评价了8种直眼掏槽的效果；王树仁[6]认为毫秒雷管的出现促进了平行龟裂、螺旋掏槽、筒形等直眼掏槽技术的推广应用,炮眼深度能达到1.5～1.8 m；张奇等[7]研究表明，炮孔深度、孔距及空孔直径是影响直眼掏槽爆破效果的主要因素；杨仁树等[8]将双楔形掏槽技术应用于硬岩爆破，爆破效果良好；宗琦等[9]探讨了影响炮孔深度的主要因素及合理确定炮孔深度的方法，并推荐了合理的掏槽形式和掏槽参数；龚敏等[1]研究了楔形掏槽孔角度、中心孔等因素对掏槽效率的影响；单仁亮等[10]提出了准直眼掏槽技术；张召冉等[11]提出了“多阶段”掏槽技术，现场应用效果良好；杨国梁等[12]运用数值模拟对复式楔形掏槽破岩机理进行研究。
从以上研究成果可以看出，学术界关注重点在于掏槽技术和掏槽参数，而对于掏槽孔超深深度(掏槽孔深度与其他炮孔深度之差)与其他炮孔利用率之间关系没有引起足够的重视。因此，笔者在文献检索的基础上系统分析掏槽深度与其他炮孔深度关系，探讨分析目前掏槽爆破参数存在的问题及解决思路。
1 数据样本及整体分析
以中国知网为数据样本获取平台，检索“岩巷”、“爆破”、“掏槽”、“掘进”等关键词，搜索期刊包括《煤炭学报》《岩石力学与工程学报》《煤炭科学技术》《中国矿业》《中国煤炭》《煤炭工程》《建井技术》等行业期刊，搜集有工程实际案例的论文82篇(其中，文献中报道不同爆破参数案例共计91个(有炮孔利用率参数的工程实例69个))，具体见表1。表1中是1980年以来公开发表的有关煤矿岩巷爆破施工论文，按照文献报道时间、巷道名称、岩性、掏槽孔深度、炮孔深度、掏槽形式等指标进行整理。
表1 岩巷样本数据
Table 1 Rock roadway sample data
矿名及文献来源炮孔深度/m发表年份断面面积/m2普氏系数掏槽方式掏槽孔深度/m掏槽孔超深/m炮孔利用率/%文献[14]1.2019955.00—斜眼掏槽1.400.2090.50天河煤矿[15]1.2020057.30—直眼掏槽1.400.2083.00加福煤矿[16]1.3019945.406.0斜眼掏槽1.500.20—洽溪煤矿[17]1.4020106.606.0斜眼掏槽1.600.20—苏桥煤矿[18]1.4020146.505.0斜眼掏槽1.600.2085.80245回风巷[19]1.4020155.6210.0斜眼掏槽1.600.2091.40东曲矿14241工作面[20]1.5020198.40—斜眼掏槽1.700.20—岱河煤矿[21]1.5020069.175.0斜眼掏槽1.700.2093.00四矿己三东专回岩巷[22]1.50201317.908.0斜眼掏槽1.700.2085.00四矿己三东专回岩巷[22]1.55201417.909.0斜眼掏槽1.700.1596.00黄峰寺矿区[23]1.6019808.406.0斜眼掏槽1.700.10—刘桥二矿[24]1.6019987.282.0斜眼掏槽1.800.20—刘桥二矿[25]1.6019997.28—斜眼掏槽1.750.15—淮北矿区芦岭煤矿[26]1.602001——直眼掏槽1.800.20—芦岭煤矿二水平西大巷[26]1.602001—4.0直眼掏槽1.800.20—
续表
矿名及文献来源炮孔深度/m发表年份断面面积/m2普氏系数掏槽方式掏槽孔深度/m掏槽孔超深/m炮孔利用率/%文献[27]1.60199711.40—斜眼掏槽1.800.2095.10姚桥矿[28]1.60199811.404.8斜眼掏槽1.800.2095.10文献[29]1.60201514.5315.0斜眼掏槽1.800.2085.00金家渠煤矿11采区车场[30]1.60201923.105.5斜眼掏槽1.800.20100.00华丰矿-1 010 m西岩巷[31]1.70201115.766.0斜眼掏槽1.800.1088.00华恒矿-1 000水平副暗斜井[32]1.70201214.707.0斜眼掏槽1.800.1070.50华恒矿-1 000水平副暗斜井[32]1.70201314.707.0斜眼掏槽1.850.1582.30华恒矿-1 000水平副暗斜井[32]1.70201414.707.0斜眼掏槽1.900.2094.10长平煤矿[33]1.802018——斜眼掏槽2.000.20—淮南矿区[34]1.8020078.0311.0斜眼掏槽2.000.20—峰峰矿务局羊渠河矿二坑[35]1.80199612.405.0斜眼掏槽2.000.2094.00赵各庄矿十三水平东翼电车道[36]1.80200414.097.0斜眼掏槽2.000.2085.00宁煤集团二矿车场大巷[37]1.80200516.836.0斜眼掏槽2.000.2094.00许厂煤矿1160 轨道大巷[38]1.80200710.116.0斜眼掏槽2.000.2095.00新发煤矿西三主运输道[39]1.80200814.2010.0斜眼掏槽2.000.2095.00柳泉-700 m水平轨道下山[40]1.80201110.506.0斜眼掏槽2.000.2095.00陈四楼矿[41]1.80201413.70—斜眼掏槽2.000.2089.00文献[42]1.802018——直眼掏槽2.000.2089.00孔庄煤矿[43]1.852010—2.5直眼掏槽2.000.15—大山矿区[44]2.0019893.6012.0直眼掏槽2.200.20—杨村煤矿[45]2.00199914.506.0—2.200.20—蒋庄煤矿[46]2.00201816.00—斜眼掏槽2.000—许楼井北一采区集中皮带巷[47]2.0020017.505.0直眼掏槽2.00097.00岱河煤矿[21]2.00200714.159.0斜眼掏槽2.200.2090.50马河五号井[48]2.0020075.005.0斜眼掏槽2.200.2090.00海孜煤矿Ⅲ 101 回风巷[49]2.00200717.139.0斜眼掏槽2.200.2090.00文献[50]2.0020095.775.0直眼掏槽2.200.2093.00轩岗煤电焦家寨矿1010轨道运输大巷[51]2.00201216.815.0斜眼掏槽2.200.2089.00文献[52]2.0020133.6013.0斜眼掏槽2.200.2088.50文献[53]2.00201316.2011.0斜眼掏槽2.200.2090.00卧龙湖煤矿[54]2.00201312.6813.0直眼掏槽2.200.2092.00新发镇野猪洞[55]2.00201418.2811.0直眼掏槽2.200.2087.00团杉木树煤矿[56]2.00201410.856.0斜眼掏槽2.200.2091.00唐口煤矿[57]2.002015—5.0斜眼掏槽2.200.2090.00桃园煤矿Ⅱ1回风上山[58]2.00201514.009.0斜眼掏槽2.200.2090.50常村煤矿[59]2.00201912.907.5斜眼掏槽2.200.2097.00阳煤一矿[60]2.00201910.92—斜眼掏槽2.200.2083.00潘三煤矿1482(3)底板抽排巷[61]2.1020048.0311.0斜眼掏槽2.200.1090.00淮南矿区[34]2.102007——斜眼掏槽2.200.1091.00
续表
矿名及文献来源炮孔深度/m发表年份断面面积/m2普氏系数掏槽方式掏槽孔深度/m掏槽孔超深/m炮孔利用率/%邢东矿[62]2.20201013.946.0斜眼掏槽2.400.20—陶二矿南大巷[63]2.20200725.955.0斜眼掏槽2.500.3090.00陶二矿中央变电所[63]2.20200722.165.5斜眼掏槽2.500.3090.00赵家寨煤矿[64]2.20200817.6713.0斜眼掏槽2.400.2088.50陈四楼矿[65]2.20200916.8710.0斜眼掏槽2.400.2081.00百善煤矿[66]2.202009——直眼掏槽2.400.2095.00某煤矿880轨道大巷[67]2.20201319.009.0斜眼掏槽2.400.2095.00谢桥矿东二C组-450～-610 m运输上山[68]2.20201420.109.0斜眼掏槽2.500.3090.00兴隆庄煤矿[69]2.302000—5.0斜眼掏槽2.500.20—兴隆庄煤矿[70]2.302010—5.0斜眼掏槽2.500.20—文献[71]2.302018——直眼掏槽2.500.20—淮北刘店煤矿北翼东回风大巷[72]2.30201017.307.0直眼掏槽2.500.2090.20刘店煤矿[73]2.30201217.304.0直眼掏槽2.500.2090.20平煤二矿三水平庚一采区西翼回风上山[74]2.30201321.206.0斜眼掏槽2.500.2085.00许疃煤矿[75]2.40201119.397.0斜眼掏槽2.600.20—潘西煤矿[76]2.402011—6.0斜眼掏槽2.600.2094.00马家沟煤矿[77]2.5019829.44——2.700.20—龙固煤矿七五开拓大巷[78]2.50200913.005.0斜眼掏槽2.600.1090.00南屯煤矿-432 m水平总回风巷[79]2.50200912.285.0斜眼掏槽2.700.2092.00华丰矿-1 010 m西岩巷[31]2.50201115.766.0斜眼掏槽2.700.2094.00平煤二矿三水平庚一采区西翼回风上山[80]2.50201421.207.0斜眼掏槽2.700.2088.24某煤矿开采区东翼带式输送机大巷[81]2.50201519.0210.0斜眼掏槽2.700.2090.00九里山矿16121底抽巷[82]2.5020194.206.0直眼掏槽2.700.2089.00平煤八矿-693水平丁戊组西大巷[83]2.60200417.405.0直眼掏槽2.800.2088.50口孜东矿-967 m水平西翼轨道大巷[84]2.60201330.88斜眼掏槽2.800.2088.50城郊煤矿轨道大巷及运输大巷[85]2.60201415.705.0直眼掏槽2.800.2088.50潘三矿[86]2.70201420.709.0斜眼掏槽2.900.2092.00汾西矿业[87]2.80201211.96—斜眼掏槽2.900.10—大同矿务局马脊矿运输大巷[88]2.80199612.397.0直眼掏槽3.000.2098.00文献[89]2.802010——直眼掏槽3.000.2090.00淮南潘一矿[90]2.802012—7.0斜眼掏槽3.000.2085.70东滩煤矿三采区轨道大巷[91]3.00200218.175.0斜眼掏槽3.000—西主运道[92]3.00199217.195.0直眼掏槽3.200.2090.00卸载重车道[92]3.00199225.045.0斜眼掏槽3.200.2090.00平煤八矿二号井运输上山[93]3.00201513.908.0直眼掏槽3.00089.38平煤十三矿-185 m总回风[94]3.20200110.155.0直眼掏槽3.400.2086.88东一岩石集中巷[95]3.60199712.105.0直眼掏槽3.800.2085.00
注：1.为便于处理将单楔形、双楔形等掏槽技术统一归为斜眼掏槽；角柱式掏槽、菱形掏槽等统一归为直眼掏槽。2.“—”表示文献中没有报道相关信息。
从表1可以看出，斜眼掏槽技术和直眼掏槽技术是岩石巷道钻爆法掘进的2大主流掏槽形式，分别占据73%和25%，如图1所示。1965年我国引入国外岩巷掘进的先进经验，开展掏槽技术研究[13]，而后在我国煤矿中得到大规模应用，2大技术广泛应用于不同岩性(以岩石普氏系数f表征)断面的巷道中。整体上看(图2a)，炮孔深度(非掏槽炮孔深度)由浅到深占比依次递减。按年代划分来看，炮孔深度的发展随时间的推移而有较为明显的变化，20世纪80—90年代，炮孔深度以2.0 m以下为主(占56.25%，图2b)，2.0～2.2 m仅占比12.5%；到2001—2010年，2.0 m以下爆破方案占比下降明显(占比仅33.33%，图2c)，而2.0～2.2 m占比则上升到44.44%，2.2～2.5 m爆破方案增长约1倍，占比11.11%；2010年以来，2.0 m以下爆破方案占比进一步下降至34.69%，2.0～2.2 m占比降至28.57%，而2.2～2.5 m爆破方案增至22.45%，是2001—2010年的2倍余，是20世纪的约4倍，2.5 m以上爆破方案，由20世纪80—90年代的25%，降至2000—2009年的11.11%后，2010年以来(图2d)略有增长至14.29%。
从报道的文献看，20世纪90年代以来(所收集90年代以前文献因未报道炮孔利用率，故此处只统计20世纪90年代及以后数据)，岩巷爆破炮孔利用率维持在85%～95% ，如图3所示。由于文献报道的特殊性(均为优秀案例)，炮孔利用率指标应普遍高于行业平均水平，虽然不能反映整个行业的情况，但也具有一定的代表性，代表了岩巷掘进发展的趋势。
图1 掏槽技术分布
Fig.1 Distribution of cut technology
图2 炮孔深度变化统计
Fig.2 Statistic chart of variation of blasthole depth
图3 炮孔利用率统计
Fig.3 Blasthole utilization ration statistics
从以上分析可以看出，我国从20世纪80—90年代推广中深孔爆破技术以来，煤炭行业对循环进尺的要求随着时代的发展而发生变化。首先，该年代行业内普遍采用炮孔深度2.0 m以下爆破方案，虽然炮孔深度大于2.5 m的爆破方案也占较大比例，但是从21世纪前10年看，占比反而下降，说明炮孔深度大于2.5 m爆破方案并没有大规模应用，主要原因为机械装备较为落后，深孔爆破凿岩工作量大，一次排矸量多，支护量大，完成一个正规循环占用时间长，反而不如炮孔深度小于2.0 m爆破方案，能够在不打破正规循环的基础上保证较高的进尺水平。其次，2000年以后，从炮孔深度的变化还可以看出，炮孔深度变化的时期正处于中国煤炭“黄金十年”，巨量煤炭资源的开采带来岩巷掘进量的剧增，同时，随着施工装备的进步及新的施工技术的出现，解决了凿岩、支护、排矸问题，炮孔深度2.0 m以上爆破方案才在岩巷施工中得到广泛应用。 随着井巷工程技术、装备等不断进步，有理由认为，在我国岩石巷道掘进的接下来发展中，炮孔深度2.0 m以下爆破方案占比将进一步下降，2.2 m以上乃至2.5 m以上的深孔爆破方案占比将大幅上升。
2 不同维度下掏槽孔超深深度分析
2.1 时间维度与掏槽孔超深深度
关于掏槽孔与其他炮孔深度关系，整体上看，如图4所示，从20世纪90年代至今，炮孔利用率基本维持在80%以上，个别达到95%以上，甚至100%。可以看出炮孔利用率并没有随着时间的推移发生大的变化，而是趋于稳定，即90%左右，即使2013年个别岩巷的炮孔利用率仅为70%，炮孔利用率的振荡幅度高达20%左右，但仅为个例，不影响整体趋势。而从掏槽孔与其他炮孔的深度关系来看，20世纪90年代以来，掏槽孔超深深度一直维持在200 mm，个别为100或300 mm。可以认为从时间维度上，整个行业普遍认同掏槽孔超深200 mm的设计。
图4 时间维度下炮孔利用率与掏槽孔超深深度
Fig.4 Utilization ratio of blasthole and extra-depth of blasthole in time aspect
以年代来划分，在2000年以前，炮孔利用率在85%以上，掏槽孔超深深度也开始以200 mm为主，20世纪90年代末文献报道数量的增加，说明岩巷掘进工程量呈现增长趋势，炮孔利用率也逐步稳定在90%以上，结合图2分析，此时期主要以炮孔深度小于2.0 m为主，中深孔爆破技术开始探索并应用，可以视为我国岩巷掘进技术“萌芽期”。2010年以前，炮孔利用率基本稳定在85%～95%，掏槽孔超深一般为200 mm，炮孔深度也开始向2.0～2.2 m及以上深度发展，文献报道数量呈现增长趋势，此时正值“黄金十年”期间，巷道掘进量增长迅速，可以视为我国岩巷掘进技术“发展期”。2010年以后，经过前2个阶段的技术储备，我国岩巷掘进进入“爆发期”，文献报道数量显著增多，炮孔利用率约90%，结合炮孔深度变化趋势，此时行业2.3～2.5 m 炮孔深度的应用增多，但掏槽孔超深基本保持在200 mm。
2.2 断面维度与掏槽孔超深深度
断面大小影响到着掏槽技术的选择，小断面巷道的夹制作用比中大断面巷道大，爆破较为困难。但从断面维度整体上分析(图5)，炮孔利用率并没有随着断面面积的增大而呈现规律性的变化(炮孔利用率明显提升)，炮孔利用率始终约为90%，而掏槽孔超深也没有随断面面积的变化而发生规律性的变化，掏槽孔超深也约为200 mm。
图5 断面维度炮孔利用率与掏槽孔超深深度
Fig.5 Utilization ratio of blasthole and extra-depth of blasthole in section aspect
以断面大小进行划分，小断面巷道(10 m2以下)、中等断面巷道(10～15 m2)、中大等断面巷道(15～20 m2)、大断面巷道(20 m2以上)的炮孔利用率平均为90%，可以看出，在掏槽孔超深深度基本不变的情况下，各个断面区间内平均炮孔利用率无明显变化，并没有随着断面的增大而提高。而从小断面可以看出，断面从3～10 m2，炮孔利用率具有上升的趋势，但到中大断面后，炮孔利用率约90%±5%。
2.3 岩石普氏系数维度与掏槽孔超深深度
行业内普遍采用岩石的普氏系数f反映岩石可爆性。众所周知，软/硬岩爆破效率不同，普遍认为软岩爆破效率高，炮孔利用率高，硬岩爆破效率较低，炮孔利用率较难得到保证。从图6a中可以看出，随着f的增大，炮孔利用率呈现下降的趋势。而掏槽孔超深深度基本维持在200 mm左右，没有发生大的变化。根据f值的不同，当4.0<f≤6.0，(图6b)，炮孔利用率平均为91%，而当7.0<f≤10和f>10.0，炮孔利用率均为89%。说明硬岩巷道爆破较为困难，炮孔利用率较软岩下降2%。从图6b中可以看出，软岩爆破炮孔利用率与掏槽孔超深关系较大，炮孔利用率随着掏槽孔超深的增加而增加。当4.0<f≤6.0，超深深度每增加100 mm，炮孔利用率随之增加5%左右。从图6c可看出，当6.0<f≤10.0，炮孔利用率的增减也随着超深深度而变化，不超深时，炮孔利用率仅为87%左右，而超深300 mm时，炮孔利用率能达到95%以上，相差8%。当f≥11.0时(图6d)，掏槽孔超深深度200 mm时，炮孔利用率均在90%以下，超深小于200 mm时，炮孔利用率降为85%。
图6 岩性维度炮孔利用率与掏槽孔超深深度
Fig.6 Utilization ratio of blasthole and extra-depth of blasthole in lithology aspect
2.4 炮孔深度维度与掏槽孔超深深度
炮孔深度(非掏槽孔的炮孔深度)及炮孔利用率决定了单循环进尺水平，随着炮孔深度增加，爆破夹制阻力增大，获得高炮孔利用率的难度加大。如图7所示，炮孔深度由最初的1.5 m左右发展到3.5 m左右，虽然3.0 m以后有略微下降的趋势，但炮孔利用率始终维持在90%左右。而掏槽孔超深深度没有发生较大变化，基本维持在200 mm左右。
图7 炮孔深度维度炮孔利用率与掏槽孔超深深度
Fig.7 Utilization ratio of blasthole and extra-depth of blasthole in blasthole depth aspect
2.5 掏槽形式维度与掏槽孔超深深度
以直眼掏槽和斜眼掏槽分别进行分析，如图8所示。从整体上看，无论采用斜眼掏槽技术还是直眼掏槽技术，炮孔利用率也基本维持在90%左右。而掏槽孔超深深度基本为200 mm左右。
图8 掏槽形式维度炮孔利用率与掏槽孔超深深度
Fig.8 Utilization ratio of blasthole and extra-depth of blasthole in cut technology aspect
2.6 掏槽孔超深与炮孔利用率关系
综上所述，从20世纪80年代以来(时间维度)，掏槽形式、断面大小、炮孔深度、岩性4个维度不断变化，而炮孔利用率(90%左右)和掏槽孔超深深度(200 mm左右)基本不变的结论存在以下问题：①掏槽形式、断面大小、炮孔深度3个维度下掏槽孔超深(超深200 mm左右时)与炮孔利用率相关性不大。上述结论与普遍认为的岩石越硬、断面越小、炮孔越深，岩石爆破受到的夹制阻力越大，掏槽越困难，炮孔利用率越低的基本结论不一致。②上述3个因素下，当掏槽孔超深超过200 mm时(比如300～500 mm时)，炮孔利用率是否发生明显变化。③在超深200 mm左右时，岩性、掏槽孔超深深度与炮孔利用率具有较强的相关性。④现阶段，掏槽孔超深率(掏槽孔超深深度与非掏槽孔深度之比)随着炮孔深度的增加而呈下降的趋势，见表2。掏槽孔超深率并没有随之提高是否正确。⑤现有条件下，能否将平均炮孔利用率提高到95%以上，加大掏槽孔超深，炮孔利用率的极限能达到多少。因此，目前不论掏槽形式、断面大小、岩性、炮孔深度等条件，掏槽孔超深均为200 mm的合理性值得商榷，掏槽孔超深合理取值需要深入研究和讨论。
表2 炮孔深度与掏槽孔超深率关系
Table 2 Relationship between blasthole depth and rate of extra-depth
炮孔深度/m掏槽孔超深率/%平均炮孔利用率/%1.2～1.413.3～15.51.5～1.859.8～12.12.0～2.28.6～9.52.3～2.57.7～8.42.5以上4.6～6.390
3 掏槽孔超深与炮孔利用率关系的讨论
3.1 掏槽孔超深200 mm的原因分析
如前所述，从5个维度分析可知，行业普遍认可掏槽孔超深200 mm的设计理念，主要原因如下：
1)非掏槽孔爆破破岩机理方面的影响。由相关爆破破岩机理可知，自由面对岩石的破碎具有重要影响。岩石爆破中，掏槽孔先爆破，爆破后形成的槽腔为后续炮孔的爆破提供自由面，有利于提高破岩效果，所以掏槽爆破质量(深度、体积等)对单循环进尺水平具有重要影响。掏槽是单自由面爆破，夹制作用大，相比其他炮孔而言掏槽更困难，炮孔利用率更低，但通过适当加大掏槽孔深度，使爆后槽腔深度相对增加有利于非掏槽孔的破岩。
2)传统施工工艺影响。早期爆破掘进中，受到凿岩设备、爆破工艺和排矸效率等因素的制约，主要采用浅孔爆破技术(周边孔和辅助孔深度1.2～1.5 m)。大量实践证明掏槽孔超深200 mm就能够获得较高的炮孔利用率(大于90%)和较好的爆破效果，基本能够满足掘进效率的要求。但随着爆破器械和工艺的进步，岩巷爆破掘进的炮孔深度不断增加，由浅孔爆破向中深孔爆破发展，现在深孔爆破技术也在不断完善。然而，掏槽孔超深深度却一直沿用浅孔爆破超深深度，没有随之进行优化，限制了岩巷爆破掘进水平的进一步提升，这是一个亟待解决的工程实践问题。
3)凿岩机械及工艺等方面的影响。对岩巷施工来讲，爆破是整个掘进施工工艺的一部分，凿、破、装、运、支缺一不可。高效掘进需要在不打破正规循环的基础上进行，凿岩质量及水平是爆破取得成功的先决条件。我国凿岩机械以气腿式凿岩机为主，钎杆的型号以1.8 、2.0 、2.2 、2.5 、3.0 m为主。现场施工为尽可能地节约凿岩时间，避免频繁更换钎杆，一般掏槽孔及其他炮孔均采用同一规格钎杆施工。在此条件下，结合爆破破岩机理，既能充分利用钎杆长度，又能使得掏槽孔获得一定的超深深度。因此，掏槽孔超深200 mm在岩巷掘进中被普遍采用。
3.2 掏槽孔超深大于200 mm时效果分析
如前所述，掏槽孔提供的自由面越充分越有利于非掏槽孔的爆破。炮孔深度确定后，掏槽孔超深为200～500 mm时(以100 mm进行递增)，以1.8 m炮孔深度为例，则掏槽孔深度为2.0～2.3 m。在装药参数等不变的情况下，假设掏槽孔炮孔利用率为80%，则爆破后槽腔深度分别为1.60 、1.68、1.76和1.84 m。显然，当掏槽孔深度不小于2.30 m时，形成的槽腔深度已经超过炮孔深度，而此时炮孔利用率理论上达到100%。但根据爆破理论和爆破实践，施工中一般以周边孔的炮孔利用率为最终的炮孔利用率。由于各圈炮孔间微差起爆，周边孔的爆破效果还受制于辅助孔的影响，导致炮孔利用率要低于理论值。所以，掏槽孔超深有利于炮孔利用率的提高。但是掏槽孔超深深度不宜持续增加，当掏槽槽腔可以满足非掏槽孔爆破所需的自由面和碎胀空间时，继续增大掏槽孔超深深度并无必要，反而会增加钻孔作业时间，降低施工效率。
4 掏槽孔超深优化现场试验
为研究掏槽孔超深深度对炮孔利用率的影响效应，进行了一定岩性条件下的现场爆破试验。
4.1 工程概况
阳煤五矿某高抽巷岩性以砂质泥岩、页岩为主，围岩的普氏系数为4～6，巷道为矩形断面，净宽×净高=2.70 m×2.75 m。雷管采用矿用毫秒延期电雷管，最后一段延期时间不超过130 ms。炸药采用三级煤矿许用乳化炸药(ø32mm×180 mm,200 g/卷)。炮孔直径为42 mm。
4.2 原爆破方案及爆破效果评价
1)原爆破方案。原爆破方案(图9)掏槽形式为楔形掏槽，布置三对楔形掏槽孔，掏槽孔深度2.0 m，辅助孔及周边孔孔深1.8 m，掏槽孔的超深深度为200 mm。掏槽孔与自由面夹角为79°，孔底距250 mm，辅助孔角度均为90°，周边孔角度为87°。周边孔孔口距离巷道周边100 mm，周边孔孔距625 mm。掏槽孔装药量为0.8 kg/孔，周边孔、底孔、辅助孔装药量均为0.6 kg/孔。
图9 原方案炮孔布置
Fig.9 Layout of blasthole of original scheme
2)爆破效果。从爆破效果来看，原爆破方案(掏槽孔超深200 mm)的单循环爆破进尺为1.60 m，平均炮孔利用率为89%，炸药单耗为1.52 kg/m3。
4.3 掏槽孔超深方案优化及爆破效果
1)掏槽孔超深方案优化设计。在原爆破方案的基础上，以掏槽孔超深深度为单一变量，设计了3组试验方案，具体见表3。
表3 掏槽孔超深爆破方案
Table 3 Cut hole extra-depth blasting scheme
超深深度/mm掏槽角度/(°)掏槽深度/m试验次数/次300802.13400802.23500812.33
2)爆破效果及分析。对200、300、400和500 mm不同超深的爆破试验效果进行分析(表4和图10)。
表4 试验方案与原爆破方案爆破效果对比
Table 4 Comparison of blasting effect between test scheme and original blasting scheme
序号指标超深长度200 mm300 mm400 mm500 mm1炮孔利用率/%899397972单循环进尺/m1.601.671.751.753炮孔利用率变化/%—488
图10 掏槽孔超深深度与单循环进尺及炮孔利用率
Fig.10 Relationship between extra-depth of cut hole, single-cycle footage and blasthole utilization
与原爆破方案(掏槽孔超深200 mm)对比，单循环进尺由1.60 m提高到1.67、1.75和1.75 m，炮孔利用率从89%提高到93%、97%和97%。3组实验方案的平均单循环进尺分别增加0.07、0.15和0.15 m，平均炮孔利用率分别增加4%、8%和8%。
以试验巷道为例，若以炮孔深度为x，掏槽孔超深深度为y，则就爆破效果而言，当y=400或y=500 mm时最优，但从掘进效率上讲，即x+400 mm为最优掏槽孔深度。
5 结 论
为研究掏槽孔超深对炮孔利用率的影响规律，以文献分析和现场试验为基础进行了初步研究，得到如下结论。
1)近40年来我国煤矿岩石巷道掘进不论断面、岩性、掏槽技术、炮孔深度等如何变化，掏槽孔超深深度基本为200 mm，炮孔利用率基本为90%，两者具有较强的相关关系。为此，不同施工条件下掏槽孔超深深度的确定，进而进一步提高炮孔利用率、增加单循环进尺是岩巷钻爆法掘进亟需解决的工程技术难题。
2)基于岩性、断面、掏槽形式、炮孔深度4个维度分析，岩性和掏槽孔超深对炮孔利用率具有较大影响。现场试验结果初步表明，一定岩性条件下掏槽孔超深能够显著的提高炮孔利用率。在试验巷道，掏槽孔深度为x+400 mm时最优，炮孔利用率达到97%以上，炮孔利用率比x+200mm时提高8%。
3)炮孔利用率的提高有利于保障岩巷掘进进尺水平，缓解我国煤炭企业“采掘矛盾”，保障煤炭资源的持续供应。所以，进行掏槽孔超深深度优化研究，进而提高炮孔利用率，具有重要的现实意义。
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