深孔聚能爆破掏槽技術(shù)在張小樓井掘進(jìn)實(shí)踐中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)龐莊煤礦張小樓井傳統(tǒng)的鉆爆法施工中存在的機(jī)械作業(yè)效率低、單循環(huán)進(jìn)尺小且爆破作業(yè)的安全性難題，基于聚能定向爆破效應(yīng)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出多縫線射流聚能藥卷，可在煤層獲得較大范圍爆生裂隙網(wǎng)，增大炮孔間距，大大減少鉆孔工作量，提高巖石破碎度；同時(shí)采用雙楔形掏槽爆破，所需掏槽眼數(shù)目較少，單位耗藥量小，具有極大的優(yōu)勢(shì)。因此此高效掏槽技術(shù)可在硬巖巷道爆破掘進(jìn)中進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)解決張小樓井大斷面硬巖巷道的安全快速掘進(jìn)難題有極大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：深孔聚能定向爆破 掏槽技術(shù) 硬巖巷道 快速掘進(jìn)

0 引言

我國(guó)煤炭開采以井工為主，巷道掘進(jìn)量非常大。為了加快建井速度，目前高產(chǎn)高效礦井提倡開拓巷道多做煤巷少做巖巷，但當(dāng)巷道服務(wù)年限較長(zhǎng)，或者礦山壓力較顯現(xiàn)時(shí)，為減少支護(hù)難度，一般選擇巖巷來(lái)進(jìn)行開拓和準(zhǔn)備[1]。雖然巖巷掘進(jìn)推廣使用液壓鉆車、鉆裝機(jī)械，使掘進(jìn)裝載機(jī)械化程度達(dá)到了80%，但鉆眼爆破法容易出現(xiàn)超挖或者欠挖，如果裝藥不當(dāng)，有可能對(duì)巷道圍巖造成損傷，增加支護(hù)的難度[2]。如果仍采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，則不足以滿足礦井安全高效的要求。

龐莊煤礦張小樓井埋深大、圍巖堅(jiān)硬，普氏系數(shù)在8以上，有的甚至達(dá)到了12，致使巖巷掘進(jìn)困難，巖巷掘進(jìn)爆破施工技術(shù)主要為“淺眼多循環(huán)”爆破施工技術(shù)，這就降低了機(jī)械作業(yè)效率，不僅降低了單循環(huán)進(jìn)尺，且爆破作業(yè)的安全性得不到保證。因此需要優(yōu)化現(xiàn)有工藝，為此提出采用深孔聚能定向爆破新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效掏槽，以解決張小樓井大斷面硬巖巷道的安全快速掘進(jìn)難題。

1 工程概況

龐莊煤礦張小樓井隸屬于徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司，礦井位于徐州市西北銅山縣柳新鎮(zhèn)和劉集鎮(zhèn)境內(nèi)，距徐州市區(qū)13km。東鄰江蘇天能集團(tuán)柳新煤礦，西鄰徐州礦務(wù)集團(tuán)夾河煤礦，南鄰龐莊井。張小樓井采用立井、多水平開拓，主要開采煤層為下石盒子組2煤及山西組七煤和9煤。新主井和新副井落底水平為-1025m水平，回風(fēng)水平為-400m水平，現(xiàn)生產(chǎn)水平為-1025m水平，采用上、下山開采。

張小樓井巖巷集中了深部開采、地應(yīng)力復(fù)雜、巖石堅(jiān)硬、斷面大的特點(diǎn)，由于圍巖應(yīng)力特性十分明顯，給巷道鑿巖帶來(lái)了較大的困難。如鉆孔效率低、爆破效果差、循環(huán)進(jìn)尺小等特點(diǎn)，因此如何解決巷道快速掏槽，尤其是受夾制力作用較大的堅(jiān)硬圍巖條件下巷道快速掏槽問題就成為亟待解決的問題。其技術(shù)難點(diǎn)在于：隨著礦井逐漸向深部發(fā)展，巷道圍巖呈現(xiàn)地壓大的特點(diǎn)，常規(guī)的鑿巖鉆孔和爆破技術(shù)及其對(duì)應(yīng)機(jī)械設(shè)備和裝置已不能滿足安全生產(chǎn)和快速掘進(jìn)的需要；巷道的開拓，為了最大程度的控制變形，巷道的布置必須選在穩(wěn)定和比較穩(wěn)定的巖層中，依靠圍巖自身的強(qiáng)度減少圍巖的變形。相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)在于：采用多向聚能掏槽裝置，正確設(shè)計(jì)掏槽參數(shù)；依靠高效的鑿巖設(shè)備，提高掏槽效率，提高循環(huán)進(jìn)尺；采用深孔爆破，合理選擇掏槽方式。

2 聚能定向爆破效應(yīng)

爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)方向具有與表面垂直或大體垂直的基本規(guī)律。利用這一基本規(guī)律將藥包制成特殊形狀（如半球形空穴，拋物形空穴、雙曲線形空穴、錐形空穴等），爆炸時(shí)靠空穴閉合產(chǎn)生高壓、高密度、高速度的運(yùn)動(dòng)氣體流，使爆轟產(chǎn)物集聚，能量密度提高。沿軸線向外射出的高能量、高密度聚能流的現(xiàn)象稱之為聚能效應(yīng)，又稱諾爾曼效應(yīng)[3]。

聚能藥卷維持了炸藥爆轟的穩(wěn)定傳播，高壓爆生氣體的“氣楔效應(yīng)”是聚能方向的壓縮徑向裂紋得到擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也抑制了非切縫方向壓縮徑向裂紋的發(fā)展，在定向裂紋擴(kuò)展中占有主要的地位[4]。

3 深孔聚能定向爆破高效掏槽技術(shù)

3.1 聚能藥包 對(duì)傳統(tǒng)藥包在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改造，聚能藥包由PVC套管、礦用乳化炸藥等組成，設(shè)計(jì)出多縫線射流聚能藥卷，其原理是在PVC套管上管壁環(huán)向映射布置加工成多條狹長(zhǎng)縫形成多縫線射流聚能藥卷，示意圖見圖1所示，可在炮孔徑向形成多股聚能射流，實(shí)現(xiàn)爆炸主裂紋多方向擴(kuò)展，在聚能槽周圍孔壁集中受力，最易形成裂紋，爾后在爆生氣體作用下快速擴(kuò)展，切割巖石形成碎塊[5]。

3.2 爆破方式 目前張小樓井巖巷掘進(jìn)爆破施工技術(shù)主要為“淺眼多循環(huán)”爆破施工技術(shù)。這就降低了機(jī)械作業(yè)效率，增加輔助作業(yè)量，延長(zhǎng)了輔助作業(yè)時(shí)間，不僅降低了單循環(huán)進(jìn)尺，也降低了月進(jìn)尺，且爆破作業(yè)的安全性得不到保證。

國(guó)內(nèi)外巖巷施工的大量經(jīng)驗(yàn)表明，加大每個(gè)循環(huán)的爆破深度可以減少設(shè)備的移動(dòng)和間歇時(shí)間，減少工序的交換和輔助工作時(shí)間，利于多臺(tái)鉆機(jī)機(jī)械化作業(yè)，加快井巷掘進(jìn)速度。但是炮孔深度增加并不一定意味著循環(huán)效率提高，也并不能改善炸藥能量的合理分配。提高循環(huán)效率的關(guān)鍵在于以合理的爆破設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，最大限度地提高炸藥能量利用率，以提高炮眼利用率，同時(shí)減少炮孔數(shù)量，縮短循環(huán)時(shí)間。另一方面，由于炮孔深度增加，使施工人員常存在著懼怕爆不下來(lái)的心理，往往裝藥量較多，造成超挖嚴(yán)重，圍巖成型效果不高，圍巖松動(dòng)破壞。不僅增加了出矸量和錨護(hù)材料消耗，也降低了巷道的穩(wěn)定性。因此，爆破方案的選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程條件、技術(shù)條件、施工機(jī)具、人員配置和施工安全性綜合考慮。經(jīng)研究和實(shí)驗(yàn)，確定采用深孔全斷面一次起爆爆破方式，可增加炮眼深度，以便增加單循環(huán)進(jìn)尺，增加一次爆破巖石量，減少打眼裝藥等輔助作業(yè)。

3.3 掏槽方式 要改善巷道整體爆破效果，必須通過掏槽方式人為地創(chuàng)造新的自由面，掏槽眼將自由面上某部位的巖石順巷道前進(jìn)方向掏出一個(gè)凹槽作為第二個(gè)自由面，以利其他炮眼爆破時(shí)提高炮眼利用率，它是決定爆破效果的關(guān)鍵。

由于巷道斷面較大，巖石硬度大，深孔爆破時(shí)雙楔形掏槽方式具有較好的掏槽效果。其掏槽機(jī)理是，一階掏槽爆破后，在應(yīng)力和爆轟波氣體的綜合作用下，槽腔內(nèi)巖石被破碎并向工作面方向推移，形成漏斗形槽腔，為二階掏槽創(chuàng)造了一個(gè)新的自由面，并由此改變了深部巖石所受的夾制作用，使其強(qiáng)度降低，有利于巖石的爆破破碎和運(yùn)動(dòng)；同時(shí)還造成巖石中的殘余應(yīng)力和大量的爆生裂隙以增強(qiáng)巖石的破碎[6]。研究結(jié)果表明，雙楔形掏槽可以增大槽腔體積，提高掏槽深度，拋擲作用下，爆堆集中，利于裝巖。采用雙楔形掏槽爆破，一階掏槽和二階掏槽間隔時(shí)間25ms。

在起爆的先后順序上，確定第一階掏槽眼為一段，第二階掏槽眼為二段。

4 結(jié)論

①基于聚能爆破定向致裂效應(yīng)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出多縫線射流聚能藥卷，可在煤層獲得較大范圍爆生裂隙網(wǎng)，增大炮孔間距，大大減少鉆孔工作量，提高巖石破碎度。②針對(duì)張小樓井巖巷斷面大、巖石硬度大、受夾制作用強(qiáng)的特點(diǎn)，采用雙楔形掏槽爆破，所需掏槽眼數(shù)目較少，單位耗藥量小。③此高效掏槽技術(shù)可在硬巖巷道爆破掘進(jìn)中進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)解決張小樓井大斷面硬巖巷道的安全快速掘進(jìn)難題有極大的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆日武，王高.大斷面巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)[J].建井技術(shù)，2002，

23（1）：6-8+39.

[2]崔增祁，李樹青.巖巷施工技術(shù)的回顧與展望[J].建井技術(shù)，1996，38（Z2）：3-5.

[3]郭德勇，裴海波，宋建成等.煤層深孔聚能爆破致裂增透機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（12）：1381-1385.

[4]李清，梁媛，任可可.聚能藥卷的爆炸裂紋定向擴(kuò)展過程試驗(yàn)研究[J]，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（8）：1684-1689.

[5]郭德勇，宋文健，李中州.煤層深孔聚能爆破致裂增透工藝研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（8）：1086-1089.

[6]張煒，張東升，邵鵬，王旭鋒.深部高應(yīng)力巖巷快速鉆爆施工技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（1）：43-48.