硬巖巷道快速掘進(jìn)技術(shù)研究

周巍煒

(陽(yáng)煤集團(tuán)開(kāi)元公司調(diào)度生產(chǎn)指揮中心，山西 晉中 031700)

引 言

礦井掘進(jìn)速度緩慢導(dǎo)致接替緊張的現(xiàn)象在礦井生產(chǎn)中比較普遍，尤其在深井硬巖巷道掘進(jìn)過(guò)程中，由于工程復(fù)雜、工作環(huán)境差、技術(shù)落后導(dǎo)致掘進(jìn)效率較低，而巷道的掘進(jìn)又是礦井生產(chǎn)的咽喉工程，其能否保持正常的掘進(jìn)速度，關(guān)系到礦井高效建設(shè)和可持續(xù)生產(chǎn)[1-2]。為了保證礦井的高效生產(chǎn)，各礦井也采用了一些技術(shù)應(yīng)對(duì)深井硬巖巷道的快速掘進(jìn)，但是其中的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)還有待進(jìn)一步的研究。例如，隨著礦井機(jī)械化程度提高，也有些礦井采用掘進(jìn)機(jī)破巖，但其成本高，對(duì)巖石強(qiáng)度的適應(yīng)性差的缺點(diǎn)也暴露出來(lái)。筆者以某礦十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)為工程背景，通過(guò)在該巷道掘進(jìn)過(guò)程中采用多向聚能光面爆破技術(shù)，提高了巷道的掘進(jìn)速度，加快了礦井的生產(chǎn)效率。

1 工作面概況

某礦十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)位于十八采區(qū)西部，西起十八采泄水巷，東至十八采3上輔運(yùn)巷(東段)。十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)與十八采區(qū)3上膠帶巷、八采區(qū)3上回風(fēng)巷平行布置，南距十八采區(qū)3上膠帶巷、十八采區(qū)3上回風(fēng)巷分別為40 m、85 m。井下標(biāo)高為-865.3 m，長(zhǎng)度約200 m。該巷道主要布置在頂板巖層的中粒砂巖層，巖層堅(jiān)固性系數(shù)f=6.1～7.5，屬堅(jiān)硬性巖層巷道。另外，由于巷道掘進(jìn)距離長(zhǎng)，在快速掘進(jìn)過(guò)程中還需要考慮斷層構(gòu)造、爆破擾動(dòng)等對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響[3-5]。

2 多向聚能爆破原理

針對(duì)十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過(guò)程中也面臨深井、高地壓、大斷面、硬巖巷道等一系列地質(zhì)問(wèn)題，采用普通的爆破效率導(dǎo)致掘進(jìn)進(jìn)尺低，依據(jù)多向聚能爆破原理，在掘進(jìn)中采用聚能裝置，提高爆破效率，加快該工作面進(jìn)尺速度。

2.1 多向聚能裝置

將爆破炸藥的藥卷放入多向聚能爆破裝置之中，可利用該裝置具有聚能穴的特點(diǎn)，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量會(huì)沿著聚能穴方向積聚，當(dāng)能量積聚到一定的程度時(shí)，積聚的能量會(huì)形成高速射流，使得聚能穴周?chē)膸r石孔壁受到能量的沖擊，周邊的巖石受到?jīng)_擊作用會(huì)產(chǎn)生裂紋，而隨著能量的不斷加大，裂紋在爆生氣體的作用下部斷擴(kuò)大，達(dá)到使巖石破碎的目的[5-7]。其裝置示意圖如圖1所示。多向聚能裝置在采用掏槽眼或者輔助眼爆破時(shí)更能發(fā)揮出其優(yōu)點(diǎn)，有利于提高炸藥的利用率和加快巷道巖石的破碎程度。

圖1 多向聚能裝置示意圖

2.2 爆破原理

多向聚能爆破主要通過(guò)設(shè)計(jì)和制作具有聚能效應(yīng)的腰藥包，進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的射孔和切割的爆破方法。如第111頁(yè)圖2所示，圓柱形藥卷由于受到內(nèi)壁具有V型凸起的塑料管的擠壓作用變成聚能穴結(jié)構(gòu)，由于聚能穴的聚能作用，爆炸能量首先在各個(gè)聚能穴匯聚以在炮眼孔壁上形成預(yù)先徑向裂紋，隨后爆炸沖擊波涌入預(yù)先裂紋，使裂紋進(jìn)一步發(fā)展，以提高爆炸效果。

圖2 多向聚能爆破過(guò)程示意圖

2.3 爆破優(yōu)勢(shì)

隨著礦井對(duì)爆破斷面的精度要求和爆破技術(shù)的不斷提高，過(guò)去巖層掘進(jìn)靠增大裝藥不耦合系數(shù)的爆破方式逐漸減少。過(guò)去普通爆破后由于破壞的不規(guī)則性，巖層會(huì)受到?jīng)_擊作用在各方向都產(chǎn)生相應(yīng)的裂隙，隨著裂隙的發(fā)展爆破后形成的斷面不能達(dá)到理想的精度要求，而且由于爆破的不確定性，還會(huì)對(duì)周?chē)枰Ｗo(hù)的巖層造成破會(huì)。而多向聚能爆破克服這一缺點(diǎn)，其爆破后會(huì)產(chǎn)生的能量會(huì)朝一個(gè)方向或者多個(gè)方向產(chǎn)生裂隙，切縫尖端會(huì)優(yōu)先于其他方向產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)展，并且在一定程度上抑制其他方向產(chǎn)生裂隙，達(dá)到理想的爆破效果。多向聚能爆破與普通爆破相比，具有保護(hù)圍巖的性質(zhì)和穩(wěn)定性的作用，并且爆破后能達(dá)到理想的平面斷面，對(duì)巖石巷道的快速掘進(jìn)有很好的效果。

3 爆破布置參數(shù)

3.1 掏槽眼布置

掏槽眼作為第一個(gè)爆破的炮眼，其為輔助眼創(chuàng)造第二個(gè)自由面，在爆破過(guò)程中具有基礎(chǔ)作用，掏槽眼的布置尤為重要。掏槽眼的布置方式主要有三種，一是斜眼掏槽，二是直眼掏槽，三是混合掏槽。根據(jù)巖層的性質(zhì)不同和所需要的爆炸效果不同，選用不同的掏槽布置形式，以達(dá)到更好的爆破效果。斜眼掏槽主要適用于大斷面，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的適用性強(qiáng)，但是其施工過(guò)程中相鄰鉆眼之間的干擾大；直眼掏槽更適用于小斷面，不適用于硬度較大的巖層，對(duì)鉆眼的精度要求高。

十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)巖層強(qiáng)度高，斷面大，因此采用斜眼掏槽的布置形式。斜眼掏槽又分為單向掏槽、錐形掏槽、楔形掏槽等形式?？紤]到巷道斷面尺寸、形狀及所處的頂板巖層比較堅(jiān)硬的特點(diǎn)，決定采用雙階垂直楔形掏槽方式，即先起爆內(nèi)側(cè)一階掏槽眼，爆出小槽后，再起爆外側(cè)二階掏槽眼的方式。另外，在巷道中部布置一個(gè)反向裝填藥卷的中空直眼，通過(guò)將一階掏槽破碎的巖石拋出以為二階掏槽眼的爆破提供更大的自由面，有利于掏槽的效果。其雙階垂直楔形掏槽布置方式如圖3所示。

圖3 雙階垂直楔形掏槽炮眼布置示意圖

根據(jù)該工作面的巖層性質(zhì)，和以往巷道爆破的經(jīng)驗(yàn)，掏槽眼的間距應(yīng)500 mm～600 mm能達(dá)到更好的爆破效果。

3.2 周邊眼布置

布置周邊眼的目的是為了在掏槽眼掏槽的基礎(chǔ)上擴(kuò)大掏槽效果，也是為了能使得爆破時(shí)巷道的輪廓更加整齊。根據(jù)工作面的巖層性質(zhì)，和以往巷道爆破的經(jīng)驗(yàn)，周邊眼布置的間距為300 mm～400 mm，能到達(dá)最好的爆破效果，布置在距離巷道輪廓線100 mm位置。

3.3 炮眼布置參數(shù)

十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)使用Ф27 mm×300 g二級(jí)煤礦需用水膠炸藥，藥卷長(zhǎng)度為400 mm，每卷重120 g。掏槽方式為楔式掏槽法，為了提高對(duì)于硬巖的沖擊強(qiáng)度，采用2.0 m以上進(jìn)行爆破，掏槽眼的直徑為42 mm，藥包直徑為35 mm，增大藥徑和不耦合系數(shù)，延長(zhǎng)應(yīng)力波作用時(shí)間。

炮眼的深度根據(jù)巖層的硬度、斷面等因素進(jìn)行調(diào)整，十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)掏槽眼深度2.2 m，一圈輔助眼、二圈輔助眼、三圈輔助眼、周邊眼、底眼等深度都為2.0 m。具體布置圖如第112頁(yè)圖4所示。

4 支護(hù)方式

巷道掘進(jìn)后需對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)斷面參數(shù)如第112頁(yè)表1所示。

巷道支護(hù)采用錨桿+錨索的支護(hù)方式，其中頂部和幫部的錨桿均選用Ф20 mm×2 200 mm(MSGLD-500/20)左旋等強(qiáng)度全螺紋錨桿；頂部錨桿間排距為900 mm×900 mm，幫部錨桿間排距為900 mm×900 mm；錨索規(guī)格選用Φ22 mm×4 500 mm鋼絞線(SKP18-1/1860)錨索，斷面間排距為1 500 mm×2 700 mm，當(dāng)頂板向上為堅(jiān)硬穩(wěn)定中砂巖、細(xì)砂巖頂板時(shí)，頂板不再布置錨索。

圖4 多聚能爆破炮眼布置圖

表1 巷道斷面參數(shù)表

5 爆破效果檢驗(yàn)

采用多聚能爆破技術(shù)在某礦十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)施工，通過(guò)分析該巷道在8月份循環(huán)進(jìn)尺量進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 單循環(huán)進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)

由表1可知，采用多聚能爆破技術(shù)對(duì)硬巖巷道進(jìn)行掘進(jìn)后，工作面單日循環(huán)進(jìn)尺量由1.3 m～1.7 m左右提高到2.1 m～2.4 m左右，爆破時(shí)對(duì)炮眼的利用率由70%提高到85%，各項(xiàng)爆破指標(biāo)的利用率相對(duì)于傳統(tǒng)爆破都有了很大的提高，對(duì)礦井的生產(chǎn)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

1) 以某礦十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段)為研究對(duì)象，分析了多向聚能爆破技術(shù)在硬巖巷道掘進(jìn)中的爆破原理以及其爆破裝置的形式，并分析了相對(duì)于一般的爆破技術(shù)，其具有的優(yōu)勢(shì)。

2) 在某礦十八采區(qū)3上輔運(yùn)巷(東段，采用聚能爆破技術(shù)掘進(jìn)，依據(jù)設(shè)定的爆破參數(shù)爆破，并爆破后對(duì)巷道及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)爆破效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明聚能爆破提高了進(jìn)尺和巷道斷面精度，對(duì)礦井的經(jīng)濟(jì)效益也有提高。