大断面六角形进路采矿法结构参数优化研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.01.103

大断面六角形进路采矿法结构参数优化研究

张钦礼^,¹, 蒋超余^,¹, 高翔¹, 刘斌²

1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2.金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100

Study on Optimization of Structural Parameters of Hexagonal Mining Method with Large Cross-section

ZHANG Qinli^,¹, JIANG Chaoyu^,¹, GAO Xiang¹, LIU Bin²

1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2.Jinchuan Group Co. , Ltd. ，Jinchang 737100，Gansu，China

通讯作者: 蒋超余（1994-），男，山东临沂人，硕士研究生，从事充填采矿方法研究工作。13278883353@163.com

收稿日期: 2019-06-28 修回日期: 2019-09-26 网络出版日期: 2020-03-06

基金资助:

“十三五”国家重点研发计划项目“大型高尾矿库溃坝灾害防控关键技术研究及应用示范”. 2017YFC0804605

Received: 2019-06-28 Revised: 2019-09-26 Online: 2020-03-06

作者简介 About authors

张钦礼（1965-），男，山东潍坊人，教授，从事充填采矿工程和安全工程研究工作zhangqinlicn@126.com , E-mail：zhangqinlicn@126.com

摘要

针对龙首矿普通六角形进路采矿法在西一贫矿区回采过程中进尺率低、断面轮廓不规整、机械化程度低和炸药单耗高等回采问题，通过数值模拟和现场试验，对大断面六角形进路采矿法在龙首矿西一贫矿开采区的可行性进行研究。结果表明：与普通六角形进路采矿法相比，采用大断面六角形进路采矿法回采西一贫矿资源时，采场顶底板及边帮矿岩受力条件更好，顶底板变形量小，2条相邻进路之间未出现贯通；平均进尺由2.4 m提高至3.2 m，提高了33.3%；炸药单耗由0.20 kg/t降低至0.15 kg/t，降低了25%；轮廓完整性更好，最大超挖量降低了97 cm，最大欠挖量降低了10 cm；凿岩效率由1.25 m/min提高至2.10 m/min。研究结果证明了大断面六角形进路采矿法在龙首矿西一贫矿开采区回采过程中的可行性，符合回采过程中对安全性和高效的要求。

关键词： 大断面 ; 六角形进路 ; 数值模拟 ; 结构参数 ; 爆破参数

Abstract

The reasonable selection of stope structural parameters is a key process in mining design,which has an important influence on stope stability，blasting drilling depth，explosive consumption，mining efficiency and stress state of surrounding rock.Reasonable stope structural parameters are conducive to improve the stress conditions during route mining，reduce the stress and strain values of surrounding rock around the stope， reduce the support workload and improve the mining efficiency under the condition of ensuring safe mining.Based on the lean ore resources mining in the Xiyi mining area of Longshou Mine，Jinchuan Group，we use bionic principle to design the mining route with honeycomb hexagonal structure，so as to improve the surrounding rock stress conditions，improve the stope stability and effectively control the crustalstress.Xiyi mining area is located between 17 and 34 rows in the west mining area of Longshou Mine，Jinchuan Group，and between level of 1 220 m and 1 520 m.Adopt the general hexagonal section mining method for mining，with the section specification of 4 m*6 m*5 m （top and bottom width * waist width* height） practice has proved that，the adaptability of the section specification and borehole layout to the broken ore body in Xiyi lean mine is poor.Aiming at the problems of low drilling depth rate，irregular cross-section outline，low mechanization degree and high explosive consumption in the process of general hexagonal approach mining in Xiyi lean mining area of Longshou Mine，this study adopted empirical analogy method and proposed a hexagonal approach mining method with large cross-section size of 4 m*8 m*8 m （top and bottom width*waist width*height）.Based on FLAC^3D software，the excavation and filling process of the test roadway were simulated numerically and analyzed.The maximum principal stress appears in the top plate of the route，the minimum principal stress lies in the bottom plate and the lower side of the route，and the stress concentration phenomenon appears in the upper part between the two access roads.And then field tests were carried out according to the designed mining technology to study the feasibility of the large cross-section hexagonal roadway mining method in the Xiyi lean mining area of Longshou Mine.Research indicates：Comparing ordinary hexagonal mining method，when the large cross-section hexagonal approach is adopted to mine the resources of Xiyi lean ore mining area，the stope roof and floor，and side rock are under better stress conditions，the roof and floor deformation is small，and there is no connection between the two approaches. In the lower inverted trapezoid mining，the step blasting driving method is adopted，which increases the free surface in the vertical direction and reduces the rock clamping effect during blasting.The average footage increased from 2.4 m to 3.2 m，increase by 33.3%.The explosive unit consumption is reduced from 0.2 kg/t to 0.15 kg/t，and the explosive consumption is reduced by 25%.Due to the reasonable arrangement of blastholes and the design of initiation sequence，the explosive energy is released in turn during blasting，and the damage of blasting vibration to the side wall and bottom plate is less.This improves contour integrity，maximum over-excavation reduced by 97 cm，maximum under-excavation reduced by 10 cm.At the same time，it is also conducive to the formation of the next layered hexagonal route. Due to the large working space of large section hexagonal drift mining method，Boomer double arm drilling jumbo is designed to drill，which greatly improves the drilling efficiency and safety.And rock drilling efficiency increased from 1.25 m/min to 2.10 m/min. It proves the feasibility of the large-section hexagonal approach in the mining process of the Xiyi lean mining area of Longshou Mine，and realize the requirements for safety and efficiency in the mining process.

Keywords： large section ; hexagonal approach ; numerical simulation ; structural parameters ; blasting parameters

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本文引用格式

张钦礼, 蒋超余, 高翔, 刘斌. 大断面六角形进路采矿法结构参数优化研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(1): 42-50 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.01.103

ZHANG Qinli, JIANG Chaoyu, GAO Xiang, LIU Bin. Study on Optimization of Structural Parameters of Hexagonal Mining Method with Large Cross-section[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(1): 42-50 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.01.103

选择合理的采场结构参数，是矿山地下开采设计中的关键环节^[1]，其直接影响着采场稳定性、炮孔布置、爆破进尺、炸药单耗、吨矿成本、回采效率和支护成本等，因此确定合理的采场结构参数是地下矿山安全、高效生产的前提和重要保障。在相同的暴露面积、暴露时间、岩性条件和施工条件下，采场结构参数不同会导致矿柱及围岩的应力状态和变形也不同。

金川集团龙首矿采用仿生原理并借鉴蜂窝状六角形结构设计回采进路^[2]，从而使围岩受力条件得以改善，采场稳定性提高，地应力得到有效控制。随着计算机科学的发展及推广应用，许多学者将数值模拟法应用到采场结构参数的研究中^[3]。针对六角形进路采矿法的应用研究主要有：刘新强^[4]通过数值模拟分析认为六边形进路比矩形进路更适应地应力的变化规律，并以莱新铁矿为例证明了六边形进路采矿法的可行性；严体^[5]通过数值模拟分析了龙首矿多种六角形进路结构参数和充填方案，剖析了充填接顶率对周边进路回采稳定性的影响；乔登攀等^[6]优化了龙首矿六角形进路断面规格；程海勇等^[7]探讨了龙首矿六角形进路回采方式及充填对地表沉降的影响；韩冰^[8]研究了六角形进路爆破分级和掏槽方式，提出了适用于六角形进路的高效爆破方式；王永定^[9]通过实践对六角形进路边帮角、高度和宽度进行了研究，确定了六角形进路断面的参数范围；李国平^[10]研究了回采进路周边岩石在开挖后的变形特征以及塑性区分布规律与断面规格之间的关系。目前针对六角形进路采矿法围岩应力、位移及变形的研究仅限于小断面进路回采，导致大型凿岩设备无法在进路中作业，严重制约了矿山生产效率。此外，回采方式均为传统的单层前进式回采，下部围岩暴露时间长，未考虑到进路上下边帮受力条件的不同。加之采场结构参数不合理，导致爆破进尺、回采效率和机械化程度较低，而炸药单耗、吨矿成本和支护成本较高，进路回采后轮廓不规整。

针对上述问题，本研究以金川集团龙首矿西一采区为依托，针对西一采区贫矿资源回采过程中的问题，采用经验类比法^[11,12]，并基于FLAC^3D[13,14,15]建立模型进行数值分析及现场工业试验，研究了不同结构参数下顶底板及边帮的受力情况和六角形进路回采方式。结合理论依据和现场试验数据，分析了大断面六角形进路机械化下胶结充填采矿法凿岩爆破效率。

1 工程概况

西一贫矿开采区采矿范围为金川集团龙首矿西采区17行~34行，1 220~1 520 m水平之间，分段高度为60 m，其中包括1 200~1 424 m水平的上盘贫矿资源和露天坑底部1 424~1 520 m水平的保安矿柱。该采区内矿产资源平均铜品位为0.34%，平均镍品位为0.60%。

西一贫矿开采区已开采至1 448 m分段20行和22行第二分层，如图1所示，进路回采采用普通六角形断面，断面规格为4 m×6 m×5 m（顶底宽×腰宽×高）。目前进路断面较小，大型凿岩设备无法在进路中作业，只能用手持式凿岩机进行凿岩，机械化程度不高。同时由于矿体较破碎，凿岩时工作面出现矿石冒落的情况，安全性低。采用手持式凿岩机凿岩深度较浅，单次爆破进尺率较低，平均进尺为2.4 m，炸药单耗较高，平均单耗为0.2 kg/t。由于炮孔布置不合理，起爆时爆破震动大，围岩受损严重，导致进路断面轮廓不规整，尤其是下部倒梯形边帮，超挖和欠挖情况严重，在整条进路回采过程中伴随多次边帮垮落。

图1

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图1 1 448 m分段20行和22行第二分层回采图

Fig.1 Second stratified mining sketch of 1 448 m sectional 20-line and 22-line

2 回采工艺与爆破设计

2.1 回采工艺

图2为大断面六角形进路采矿法示意图，在同一分层，间隔回采进路，先回采六角形进路上部正梯形，进路断面规格为8 m×4 m（底宽×高），采用Rocket Boomer 282双臂液压凿岩台车钻凿水平炮孔进行浅孔爆破，采用6 m³铲运机出矿。待进路上部高度为4 m的正梯形回采完毕后，对下部高度为4 m的倒梯形进行水平拉底，最终形成4 m×8 m×8 m（顶底宽×腰宽×高）大断面六角形进路规格，整条进路回采结束后，支顺路天井、封堵，然后一次性充填。

图2

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图2 大断面六角形进路采矿法示意图

Fig.2 Schematic diagram of mining method for large cross-section hexagonal approach

2.2 炮孔设计

图3所示为大断面六角形进路上部正梯形和下部倒梯形断面炮孔设计及段次图。在上部正梯形菱形布置4个掏槽孔，在掏槽孔中间布置1个空孔，周边布置4个空孔，整个上部正梯形断面布置19个辅助孔，21个周边孔。掏槽孔与工作面夹角为70°±3°，底孔与底板夹角为5°。下部倒梯形断面共布置23个炮孔，包含11个主炮孔和12个周边孔，其中底孔与底板夹角为5°。在确定周边孔时参照光爆设计要求及经验值，按照应力波叠加理论，要实现在炮孔间形成爆破裂缝，2个炮孔中点位置的拉应力须大于岩石的抗拉强度。假设相邻2个炮孔同时起爆，则2个炮孔中间的最大拉应力为

δ_{θ} = \frac{2 b p}{r^{α}}

（1）

α = 2 - \frac{ε}{1 - ε}

（2）

b = \frac{1}{1 - ε}

（3）

图3

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图3 爆破设计及段次图

Fig.3 Blasting design and section diagram inlet

3 模型构建及数值分析

3.1 模型构建

根据金川集团龙首矿西部采区工程地质调查，利用西部贫矿开采工程初步设计矿体、围岩及充填体等材料的力学参数并进行数值模拟，基本力学参数见表1。其中的黏结力为内聚力，是岩体内部相邻各部分之间的相互吸引力，本研究通过有限元数值模拟方式对大断面六角形进路的安全性进行验证。

表1 相关矿岩基本力学参数

Table 1 Basic mechanical parameters of related ore and rock

矿岩类别	弹性模量/GPa	抗拉强度/MPa	泊松比	容重γ/（kN·m^-3）	黏结力/MPa	内摩擦角/（°）
矿体	62.0	2.00	0.22	29.9	0.56	40.0
围岩	60.0	1.96	0.24	27.5	0.53	39.0
充填体	6.8	0.85	0.15	17.2	0.55	38.0

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根据设计回采进路断面规格以及圣维南原理^[16,17,18]，简化后的物理模型大小为160 m×100 m×100 m，模型范围为x=0~160 m，y=0~100 m，z=0~100 m，左侧边界条件为x=0 m，右侧边界条件为x=160 m，前面边界条件为y=0 m，后面边界条件为y=100 m，底部边界条件为z=0 m，上部边界条件为z=100 m，模型两侧水平方向位移约束，底端水平、垂直方向约束，边界约束采用铰链约束。根据圣维南原理，当岩体所受外力F小于其内摩擦力ƒ时，岩体内部不发生相对位移；当外力F大于等于岩体内摩擦力ƒ时，岩体内位移随时间发生变化。

在模拟过程中将该模型上部定义为围岩，回采进路及模型下部材料定义为矿石，现将六角形进路分为A、B、C共3组，并对每组回采进路按照模拟需要进行编号，分别为A₁、A₂、B₁、B₂、B₃、C₁和C₂。具体简化模拟模型及回采进路编号如图4所示。

图4

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图4 模拟模型及回采进路编号

（a）物理模型；（b）进路编号

Fig.4 Simulation model and route number

本次模拟共有7个过程：首先计算该区域内的初始应力状态；然后读取初始应力值以及清零状态下X、Y、Z的初始位移和初始速率，并对A₁、A₂回采进路进行开挖；第三步充填A₁、A₂进路；第四步开挖B₁、B₂、B₃回采进路；第五步充填B₁、B₂、B₃回采进路；第六步开挖C₁、C₂回采进路；第七步充填C₁、C₂回采进路。

第二步中回采进路的开挖反映了在实际回采过程中上部围岩的应力变化状态，在第四步回采进路的开挖过程中可研究围岩及充填体的应力变化状态。本文主要研究具有上覆充填体进路回采的安全性，第六步开挖C₁、C₂进路是下向六角形进路胶结充填采矿法采场内主要面对的工况，也是本次数值模拟的主要研究对象，下面对第六步数值模拟中的位移状态及位移特征进行详细分析。

3.2 模拟过程

（1）开挖最大主应力模拟与分析。图5（a）为最大主应力云图，通过云图分析可知，最大主应力在第六步开挖过程中主要出现在顶板，最大主应力为0.032 MPa，底板区域为拉应力区。开采范围周边区域最大拉应力位于A组回采进路上方，拉应力值为0.156 MPa。在回采C组进路过程中采空区会使B组充填体出现应力集中现象。

图5

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图5 模拟过程云图

（a）最大主应力云图；（b）最小主应力云图；（c）纵向位移云图；（d）塑性破坏区云图

Fig.5 Nephogram of simulation process

（2）开挖最小主应力模拟与分析。由最小主应力云图[图5（b）]可知，最小主应力集中在底板和进路下半部区域。进路上梯形侧帮压应力略大于周边区域，2条回采进路之间的上方出现应力集中现象，并且C组回采进路采空区加剧了B组回采进路的应力集中。

（3）开挖位移模拟与分析。通过纵向位移云图[图5（c）]可知，进路纵向位移分布较均匀。在回采过程中纵向位移位于顶底板，底板会出现鼓底现象，2条进路之间的矿柱有向上移动的趋势，最大位移发生在2条进路之间的上方，与该处应力集中区域较吻合。

（4）开挖塑性区模拟与分析。由数值模拟结果可知，该区域内的塑性破坏主要为剪切破坏[图5（d）]。在第六步开挖和充填过程中，右侧相邻进路已经开挖并充填，使单侧进路受力不均，造成模拟过程中出现单侧塑性破坏区。但腰线角点处未出现较大的塑性破坏或贯通现象，其原因是进路腰线处内角更接近120°，改善了采场的受力条件，同时由于腰线变宽，相邻2条进路在回采时相互影响较小^[19,20]。

由数值模拟结果可知，采用大断面六角形进路采矿法，在顶底板出现的最大主应力较小；由于回采进路腰宽变大，在同分层回采时，相邻2条进路之间的影响较小，解决了普通六角形进路采矿法腰宽较小可能引起2条进路贯通的问题。

4 试验结果分析

4.1 进尺率比较

大断面六角形进路上部正梯形断面回采与普通六角形进路回采方式相同，均为普通进路掘进法。在下部倒梯形回采中采用台阶式爆破掘进法，使垂直方向上增加了自由面。自由面的增大使爆破时矿石抛掷方向由单向水平抛掷变成90°范围内扇形（水平方向至垂直方向）抛掷，有利于循环进尺的提高。通过数据统计及计算可知，大断面六角形进路采矿法综合进尺为3.2 m，较普通六角形进路采矿法提高了42%。表2列出了2种回采方案各循环的进尺数据。

表2 2种采矿方案各循环进尺数据

Table 2 Cyclic feed data of two mining schemes（m）

采矿方案	各循环进尺												平均进尺
采矿方案	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	平均进尺
大断面正梯形	2.5	2	3	2	3	3	2	2	2	2	3	3	2.5
大断面倒梯形	3.5	4	5	4	4.5	5	3.5	4	4	-	-	-	4.2
普通断面	2	2.1	2.2	2.4	2.8	2.4	2.1	2.6	2.5	2.3	2.4	2.6	2.4

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4.2 超挖、欠挖量比较

分别在采用2种采矿方法的进路中沿掘进方向每隔3 m测量一次下部倒梯形顶宽、底宽和腰宽，图6为测点示意图。大断面六角形进路最大超挖量为15 cm，最大欠挖量为15 cm；普通六角形进路最大超挖量为112 cm，最大欠挖量为25 cm。大断面六角形进路下部倒梯形在回采过程中两帮较平整未出现较大的垮落，仅在27.3 m处出现小范围滑落。20行W18进路在回采过程中左侧边帮12.7 m处出现1.2 m的垮落，26.2 m处出现0.8 m的垮落，右侧边帮33.5 m处出现0.7 m的垮落。表2中正梯形部分进尺与正梯形部分炸药单耗值相关性较差，这是因为上分层采用普通六角形进路采矿法回采，导致该条进路轮廓完整性较差，超、欠挖现象严重，同时导致上部正梯形断面回采时出矿量不均匀。图7（a）和图7（b）分别为普通进路及大断面进路测量结果与设计断面规格误差图，图8（a）和图8（b）分别为普通进路及大断面六角形进路2种采矿方法回采后进路断面现场图。为了更好地反映2种采矿方法在回采过程中超、欠挖情况，引入方差对2种采矿方法进行比较，表示为

σ^{2} = \frac{\sum {(x - μ)}^{2}}{N}

（4）

式中： $σ^{2}$ 为方差；x为测量值； $μ$ 为均值； $N$ 为测量次数。

图6

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图6 测点示意图

Fig.6 Schematic diagram of measuring point

图7

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图7 测量结果与设计断面误差图

（a）普通进路断面规格误差图；（b）大断面进路断面规格误差图

Fig.7 Measurement results and design section error diagram

图8

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图8 进路断面现场图

（a）普通进路断面现场图；（b）大断面进路断面现场图

Fig.8 Site drawing of route section

计算得出普通六角形断面采矿法下部倒梯形断面A、B、C测点对应的方差分别为0.02、0.022和0.02，大断面六角形进路采矿法下部倒梯形断面A、B、C测点对应的方差分别为0.007、0.008和0.008，显然大断面六角形进路采矿法的轮廓断面波动更小。在回采过程中，大断面六角形进路采矿法由于自由面增大，爆破时炸药释放的能量集中于自由面对应的开放空间，夹制作用小，同时通过合理设计起爆方向和顺序，爆破作用对边帮及底板的破坏性更小。

4.3 机械化程度及凿岩效率比较

普通六角形进路采矿法设计采用手持式凿岩机，凿岩效率为1.25 m/min。大断面六角形进路采矿法设计采用Boomer双臂凿岩台车进行凿岩，上部正梯形断面凿岩效率为2.02 m/min，下部倒梯形断面凿岩效率为2.29 m/min，综合凿岩效率为2.14 m/min。通过比较2种采矿方法，采用大断面六角形进路采矿法时凿岩效率提高了0.89 m/min。表3为各循环平均凿岩效率。图9（a）和图9（b）为2种凿岩方式现场图。

表3 各循环平均凿岩效率记录

Table 3 Average drilling efficiency records for each cycle（m/min）

采矿方案	各循环凿岩效率												平均
采矿方案	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	平均
大断面正梯形	1.6	1.9	2.0	1.9	2.3	1.8	2.3	2.4	2.1	2.0	1.9	2.0	2.02
大断面倒梯形	1.9	2.5	2.3	2.0	2.4	2.5	2.3	2.4	2.4	-	-	-	2.29
普通断面	1.1	1.2	1.2	1.5	1.4	1.2	1.3	1.0	1.1	1.0	1.4	1.6	1.25

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图9

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图9 进路凿岩现场图

（a）普通进路凿岩现场图；（b）大断面进路凿岩现场图

Fig.9 Site drawing of route drilling

4.4 炸药单耗比较

在试验过程中，大断面六角形进路采矿法的综合炸药单耗为0.15 kg/t，普通六角形进路采矿法的炸药单耗为0.20 kg/t。通过对比2种采矿方法的平均炸药单耗可知，大断面六角形进路采矿法的炸药单耗较普通六角形进路采矿法降低了27%。表4为不同采矿方法各循环平均炸药单耗记录数据。

表4 各循环平均炸药单耗记录

Table 4 Record of average explosive unit consumption in each cycle（kg/t）

采矿方案	各循环炸药单耗												平均
采矿方案	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	平均
大断面正梯形	0.24	0.24	0.23	0.25	0.21	0.19	0.21	0.25	0.11	0.24	0.15	0.15	0.19
大断面倒梯形	0.09	0.09	0.08	0.06	0.11	0.11	0.06	0.07	0.08	-	-	-	0.08
普通断面	0.19	0.22	0.21	0.21	0.29	0.16	0.21	0.26	0.18	0.27	0.23	0.21	0.20

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5 结论

（1）通过数值模拟，大断面六角形进路采矿法形成的采空区较普通六角形进路采矿法受力条件好，顶底板出现的最大主应力较小，鼓底现象不明显；由于腰宽变大，相邻2条进路在回采过程影响较小，未出现相邻进路贯通的情况；在回采过程中边帮未出现垮落现象。

（2）采用大断面六角形进路采矿法后回采空间变大，有利于双臂液压凿岩台车进入，由于机械化程度提高，凿岩效率较气腿式凿岩机提高了0.89 m/min。

（3）在大断面六角形进路回采过程中，尤其是在下部倒梯形回采过程中，由于爆破自由面大大增加，使炸药的能量释放集中于自由面对应的开放空间，夹制作用小，炸药单耗降低了25%，循环进尺率提高了42%。

（4）合理布置炮孔、设置起爆顺序，极大地降低了爆破时拉伸波对边帮的损伤，使大断面六角形进路下部倒梯形断面的超挖、欠挖量较小。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

程健，张钦礼，薛希龙，等.

基于AHP和TOPSIS法的采场结构参数优化研究

[J].矿冶工程，2014，34（1）：1-5.