煤礦巖巷束狀孔掏槽爆破掘進(jìn)試驗(yàn)研究

劉建東，王湖鑫，陳　何，原　野

(1.北京礦冶研究總院，北京 102600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600)

煤礦巖巷束狀孔掏槽爆破掘進(jìn)試驗(yàn)研究

劉建東1,2，王湖鑫1,2，陳何1,2，原野1,2

(1.北京礦冶研究總院，北京 102600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600)

摘要：國內(nèi)煤礦井下巖巷掘進(jìn)以傳統(tǒng)鉆爆法施工為主，其效率低，難以適應(yīng)煤礦強(qiáng)化開采的需要，研究提高鉆爆法的掘進(jìn)效率對于煤礦生產(chǎn)具有重要意義。影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素是炮眼深度和掏槽爆破效果，本文從增加炮眼深度和改善掏槽效果的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)采用束狀中深孔掏槽方式，在發(fā)揮中深孔掏槽優(yōu)勢的同時(shí)，利用束狀孔最優(yōu)埋深條件下的當(dāng)量球形漏斗，實(shí)現(xiàn)炮孔的充分利用，改善掏槽效果，從而提高掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺和效率。試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)淺孔楔形掏槽相比，束狀中深孔掏槽爆破掘進(jìn)每炮循環(huán)進(jìn)尺提高了45%，效果顯著。

關(guān)鍵詞：巖巷；束狀孔；中深孔；掏槽爆破

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對煤炭資源的需求越來越大，煤炭的開采強(qiáng)度和速度得到了極大的提高。以鉆爆法施工為主的煤礦巖巷低效率掘進(jìn)技術(shù)，與基于綜合機(jī)械化開采技術(shù)的煤礦強(qiáng)化開采方面的需求極不匹配，并常常引發(fā)礦山采掘失衡問題，從而極大地制約了礦井高產(chǎn)高效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。解決上述問題有兩種方法，其一是提高礦山機(jī)械化裝備水平，采用大型的現(xiàn)代化綜合掘進(jìn)設(shè)備；其二是對目前廣泛應(yīng)用的鉆爆法進(jìn)行技術(shù)挖潛，提高鉆爆法掘進(jìn)效率[1]。

鉆爆法掘進(jìn)施工中，合理布置掏槽位置，控制好炮孔方向和孔深，確保鑿眼質(zhì)量、裝藥質(zhì)量和炮孔堵塞質(zhì)量，是提高爆破掘進(jìn)效率的有效措施。加大每循環(huán)的爆破深度(循環(huán)進(jìn)尺)，可以減少工序的交換和輔助作業(yè)時(shí)間，因而能大大提高掘進(jìn)速度。巖巷掘進(jìn)爆破中影響循環(huán)進(jìn)尺的關(guān)鍵是炮眼深度和掏槽爆破的效果，與傳統(tǒng)淺孔爆破掘進(jìn)相比，中深孔可增加炮眼深度、減少輔助作業(yè)時(shí)間、提高掘進(jìn)速度，目前應(yīng)用日漸廣泛[2]。將束狀中深孔爆破技術(shù)應(yīng)用于掘進(jìn)掏槽，在發(fā)揮中深孔掏槽優(yōu)勢的同時(shí)，利用束狀孔最優(yōu)埋深條件下的當(dāng)量球形漏斗，實(shí)現(xiàn)炮孔的充分利用，從而改善掏槽效果，提高掘進(jìn)效率。

1巖巷掘進(jìn)爆破掏槽常用方法

巷道掘進(jìn)爆破中的炮眼，按其作用的不同，可分為掏槽眼、輔助眼和周邊眼。掏槽眼的作用是為輔助眼創(chuàng)造第二自由面，輔助眼是為了進(jìn)一步擴(kuò)大掏槽體積，周邊眼是為了形成正確的井巷斷面形狀。掏槽爆破將槽腔內(nèi)巖石進(jìn)行充分破碎，并將巖石碎塊從槽腔內(nèi)迅速拋出，為輔助眼和周邊眼爆破創(chuàng)造足夠的補(bǔ)償空間和自由面[3]。影響掏槽爆破效果的主要因素是掏槽方式和爆破參數(shù)。掏槽方式的選擇，主要取決于巖石性質(zhì)、地層條件和巷道斷面等，主要有傾斜眼掏槽、垂直眼掏槽和混合掏槽三種方式。

1.1傾斜眼掏槽

傾斜眼掏槽是指掏槽眼方向與作業(yè)面斜交的掏槽方法。通常有單向掏槽、錐形掏槽和楔形掏槽等形式。掏槽眼與工作面的夾角一般為55～75°，眼底距離為10～20cm。

優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性好，所需掏槽眼數(shù)較少，掏槽體積大，炮孔精度對爆破效果的影響小，拋擲阻力小，易于將巖石拋出，有利于其他炮眼的爆破，需要的雷管段數(shù)少。缺點(diǎn)：角度控制難掌握，槽眼深度受巷道斷面限制較大，因而影響到每個(gè)循環(huán)的進(jìn)尺。另外，巖石拋距較遠(yuǎn)，巖堆分散，影響裝巖效率。

1.2垂直眼掏槽

垂直眼掏槽也稱直線掏槽，所有掏槽眼均垂直于工作面，炮眼之間相距較近且保持平行，一般有一個(gè)或數(shù)個(gè)不裝藥的空眼，作為裝藥眼的臨時(shí)自由面。垂直眼掏槽又分為龜裂掏槽、桶形掏槽和螺旋掏槽三種形式。

優(yōu)點(diǎn)：槽眼深度受巷道斷面限制較小，可進(jìn)行較深炮眼的爆破，能提高掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺；掏槽體積內(nèi)外大小一致，因而相鄰炮孔的最小抵抗線也一致。使爆落的礦巖塊度均勻，不會拋擲太遠(yuǎn)，爆堆集中在工作面附近，有利于裝巖。缺點(diǎn)：掏槽眼數(shù)量較多，掏槽體積小，對鑿巖技術(shù)要求高，需要的雷管段數(shù)多。

1.3混合掏槽

混合掏槽是以上斜眼掏槽和直眼掏槽兩種掏槽方式的混合使用，能夠克服單獨(dú)一種掏槽方式的缺點(diǎn)，同時(shí)有具有兩種掏槽方式的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在特殊巖石的掘進(jìn)爆破中。

2束狀孔掏槽爆破方案

束狀孔也稱平行密集孔，由數(shù)個(gè)平行孔組成一束孔，當(dāng)相鄰兩個(gè)孔的間距縮小到一個(gè)適宜的距離時(shí)，將一束孔同時(shí)起爆，對周圍界質(zhì)的爆破作用等效于一個(gè)更大直徑炮孔的爆破作用。一束孔的孔間距視礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，一般為孔徑的3～6倍。同時(shí)起爆由數(shù)個(gè)孔組成的束狀孔，各個(gè)孔的爆炸沖擊波相互作用，形成合成的應(yīng)力場和波震面，與等效裝藥的大孔比較，應(yīng)力波的壓力、能量密度、正壓作用時(shí)間及沖量，都明顯增加，有利于增強(qiáng)裝藥中遠(yuǎn)區(qū)的爆破作用[4]。束狀孔掏槽利用束狀孔最優(yōu)埋深條件下的當(dāng)量球形漏斗，可以最大限度地提高炮孔利用率，改善掏槽爆破的效果。

根據(jù)束狀孔爆破作用機(jī)理，設(shè)計(jì)束狀孔掏槽共包含24個(gè)炮眼，布孔參數(shù)如圖1所示。其中，1～20號眼為裝藥眼，眼深3m；21～24號眼為拋渣眼，眼深3.1m。炮眼直徑32mm。

圖1　束狀孔掏槽眼布置(單位：mm)

掏槽眼采用束狀孔，將掏槽炮眼平行密集布置，若干炮眼為一束，相鄰炮眼間距一般為炮眼直徑的3～5倍。其優(yōu)點(diǎn)在于：炮眼少、槽腔大、易于操作，爆破效率高；各平行密集孔爆炸應(yīng)力波的合成和迭加，增加了炸藥能量的有效利用率。

3束狀孔掏槽爆破掘進(jìn)試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)場地

束狀孔掏槽爆破掘進(jìn)試驗(yàn)選擇在兗煤東灘煤礦井下南翼皮帶巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行。南翼皮帶巷為三心拱形斷面，凈寬4500mm，凈高3500mm，14°斜巷掘進(jìn)約85m，迎頭全斷面為頁巖及砂巖，巖石系數(shù)為f=4～5。

3.2布孔鑿巖

采用光面爆破，根據(jù)圍巖硬度，周邊眼距定為350～400mm，抵抗距為500mm，拋渣眼深度2900mm，其余炮眼深度2800mm。布孔參數(shù)見圖2。

圖2　束狀孔掏槽爆破試驗(yàn)布孔(單位：mm)

炮眼施工采用YT-24型風(fēng)鉆打眼，Φ22mm中空六角鋼釬，釬桿長度3000mm，孔徑Φ32mm。

3.3裝藥連線

爆破使用Φ35mm×300mm的煤礦許用水膠炸藥，使用有編號的毫秒延期電雷管，電雷管腳線長度3.5m。采用反向柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥時(shí)一手拉腳線，一手拿木質(zhì)或竹質(zhì)炮棍將藥卷輕輕推入眼底，用力均勻，使藥卷緊密相接。藥卷裝完后要將兩腳線末端扭結(jié)。采用水炮泥封堵，水炮泥外剩余的部分用粘土炮泥封堵，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.4起爆方式

為確保巷道成型及束狀孔爆破效果，全斷面分兩次起爆，迎頭第一次下部炮眼起爆時(shí)，20個(gè)掏槽眼之間進(jìn)行串聯(lián)(Ⅰ段)，4個(gè)拋渣眼、8個(gè)一圈眼、8個(gè)二圈眼之間共計(jì)20個(gè)炮眼進(jìn)行串聯(lián)(Ⅱ段)，8個(gè)外圈眼、10個(gè)底眼之間共計(jì)18個(gè)炮眼進(jìn)行串聯(lián)(Ⅲ段)，最后將三路串聯(lián)線路并聯(lián)進(jìn)行起爆。第二次上部炮眼起爆時(shí)，2個(gè)輔助眼串聯(lián)(Ⅰ段)，5個(gè)一圈眼、8個(gè)二圈眼串聯(lián)(Ⅱ段)，15個(gè)周圈眼進(jìn)行串聯(lián)(Ⅲ段)，最后將三路串聯(lián)線路并聯(lián)起爆。裝藥參數(shù)詳見表1。

3.5試驗(yàn)效果

全斷面兩次爆破實(shí)際裝藥量78kg，裝藥放炮后，兩幫進(jìn)尺2.8m，中間槽腔進(jìn)尺2.9m。放炮后頂板總體成型較好，但拱部有一塊約厚約200mm 、面積約2m2的掉頂。

表2列出了本次束狀中深孔掏槽爆破掘進(jìn)與礦山傳統(tǒng)楔形掏槽爆破掘進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)對比情況?？梢钥闯觯鵂钪猩羁滋筒郾朴行岣吡嗣颗谘h(huán)進(jìn)尺，循環(huán)進(jìn)尺由原來的1.9m提高到了2.8m，平均每炮進(jìn)尺提高0.9m，比原來提高了45%，總體效果比較好；束狀中深孔掏槽眼實(shí)現(xiàn)了大掏槽，有效的提高了炮眼的利用率，大幅提高了每炮掘進(jìn)進(jìn)尺，達(dá)到了中深孔爆破的預(yù)期效果。

3.6試驗(yàn)中存在的問題

束狀中深孔爆破炮眼施工要求高，工人對中深孔爆破施工工藝不熟悉，中深孔爆破過程中各工序銜接不到位，拱部錨網(wǎng)支護(hù)量大，出矸量大，倒矸工序占用時(shí)間長，導(dǎo)致每循環(huán)用時(shí)過長，制約了整體掘進(jìn)效率的提高。在掘進(jìn)試驗(yàn)中，利用風(fēng)鉆施工炮眼，風(fēng)鉆在炮孔超過2m后，隨炮眼深度增加打眼效率明顯降低，應(yīng)考慮利用掘進(jìn)液壓鑿巖臺車提高中深孔鑿巖效率。采用束狀孔爆破增加了單循環(huán)進(jìn)尺，使每次爆破矸石量大幅增加，超出了原有矸石倉的容納能力，需另外配備矸石倉方能滿足要求。

表1　炮孔參數(shù)與裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表

表2　束狀孔掏槽與傳統(tǒng)楔形掏槽效果對比

4結(jié)論與建議

束狀中深孔掏槽可有效提高巷道掘進(jìn)效率，在理論上與傳統(tǒng)掏槽方法有本質(zhì)的區(qū)別，具有炸藥單耗低、作業(yè)時(shí)間短、爆破效率高等優(yōu)點(diǎn)。通過本項(xiàng)試驗(yàn)研究得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)通過分析束狀孔掏槽爆破基本原理，設(shè)計(jì)束狀孔掏槽爆破參數(shù)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證爆破參數(shù)的合理性，對工程施工設(shè)計(jì)起到一定參考意義。

2)綜合考慮各方面因素，在機(jī)械設(shè)備、勞動組織、施工工藝等條件不變的情況下，選擇采用束狀中深孔掏槽方式，使每炮循環(huán)進(jìn)尺顯著增加，有效提高了巖巷掘進(jìn)效率。

3)束狀中深孔掏槽方式有效提高了每炮循環(huán)進(jìn)尺，由原來1.9m提高到了2.8m，平均每炮進(jìn)尺比原來提高了45%，炮孔利用率達(dá)到100%。

4)由于束狀中深孔掏槽技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段，工人熟練程度和機(jī)械化應(yīng)用程度不高，各工序銜接不順，導(dǎo)致每炮循環(huán)用時(shí)過長，制約了掘進(jìn)效率的提高，需要在今后的生產(chǎn)中進(jìn)一步摸索和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]郭東明，楊仁樹，侯敬峰，等.巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)在岱莊煤礦的應(yīng)用研究[C]//礦山建設(shè)工程技術(shù)新進(jìn)展——2007全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會議文集.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2007,401-406.

[2]宗琦，任軍.關(guān)于巷道掘進(jìn)爆破中的合理炮眼深度和掏槽技術(shù)[J].煤礦爆破，2001(1):7-11.

[3]陶頌霖.鑿巖爆破[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995:139-143.

[4]孫忠銘,陳何,王湖鑫.束狀孔等效直徑當(dāng)量球形藥包大量落礦采礦技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,26(S2):56-58.

Experimental study on coal mine excavation based on bundle-holes underholing blasting tecnology

LIU Jian-dong1,2，WANG Hu-xin1,2，CHEN He1,2，YUAN Ye1,2

(1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 102600，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102600，China)

Abstract:Traditional drilling and blasting method with low efficiency was widely used in the domestic coal mine excavation，which is difficult to adapt to the needs of strengthening coal mining，so the research of improving the efficiency of drilling and blasting method is of great significance to the coal mine production.Here from the angle of increasing hole length and improving underholing effect，the bundle medium-length hole blasting method is selected and designed，with playing advantage of medium-length hole underholing,and realizing the full use of the blasting hole though using bundle holes optimal buried deep under the condition of equivalent spherical funnel,which improve the underholing effect，and thus rise the cycle speed and efficiency of excavation.Experiments show that with traditional shallow hole wedge underholing compared，bundle medium-length hole blasting excavation of every footage cycle increased by 45%，the effect is remarkable.

Key words：rock tunnel；bundle holes；medium-length hole；underholing blasting

收稿日期：2015-03-20

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題資助(編號：2012BAB01B04)

作者簡介：劉建東(1980-)，男，高級工程師，主要從事礦山安全高效開采理論與安全監(jiān)測技術(shù)方面的研究工作。

中圖分類號：TD235.33

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)01-0103-04