大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破技術應用研究

馬樂輝 李 鋒,2

(1.河南能源焦煤公司九里山礦，河南省焦作市，454100；2.河南能源化工集團研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046)

煤礦巖巷掘進技術經過多年發(fā)展，主要有兩種作業(yè)方式：一種是鉆爆法施工，另一種為機械掘進施工。由于鉆爆法施工具有良好的適用性，不受客觀地質條件的影響，因此九里山礦巖巷掘進主要方法為鉆爆法，爆破作業(yè)采用傳統(tǒng)的小直徑直眼掏槽或楔形掏槽形式，受此技術的限制，炮眼深度2 m，循環(huán)進尺僅1.6 m左右，月進尺60 m左右，炮眼利用率低，光爆效果差，造成巷道出現超挖或欠挖現象，嚴重影響巷道的掘進速度，制約了礦井生產。因此，如何提高巖巷爆破循環(huán)進尺、改善爆破效果、提高掘進單進、保證巷道成型，仍是巖巷掘進爆破工作中亟待解決的主要問題。針對此問題，九里山礦在直眼掏槽爆破理論分析的基礎上，采用數值模擬的方法探討了大直徑掏槽對16121底抽巷圍巖力學性質的影響，并進行了現場工業(yè)試驗，收集了相關爆破參數，進而提出了大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破提高巷道掘進效率的工藝技術。

1 直眼掏槽爆破的理論基礎

在巖巷掘進中，決定爆破效果好壞的關鍵是掏槽爆破，其效果將直接影響到輔助孔的爆破，進而影響到周邊孔的爆破效果。它是決定炮孔利用率、整個破巖效果及循環(huán)進尺的關鍵因素。

直眼掏槽爆破技術是利用中深孔微差擠壓爆破機理，選用合理的毫秒延期電雷管段別和起爆順序進行爆破。大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破技術充分結合直眼掏槽和增大自由面的爆破理論特點，采用直眼作為主掏槽眼和輔助掏槽眼，按照菱形方式布置，并在中央位置預留大直徑中空眼。依照爆破破碎機理，大直徑中空眼不僅增加了自由面的面積，而且也起到了引導爆炸應力波的作用，使其周邊的裝藥炮孔爆炸后巖石向其所在的方向塌陷，使掏槽更加充分，同時掏槽眼的間距也可以適當增大，有利于減少打眼數量，節(jié)省作業(yè)時間。

大直徑深孔中空眼是在掘進斷面合理位置沿巷道設計方位角施工1個保直定向鉆孔，要求鉆孔沿巷道中線方向至設計深度的偏差在1 m以內，影響鉆孔偏差的主要因素是鉆機的選擇和鉆孔所處巖層的特性。結合九里山礦施工地質超前探實際經驗，選用煤炭科學研究總院西安研究院設計生產的ZDY4000S型煤礦用全液壓坑道鉆機，同時為保證中深孔施工過程中盡可能少出現偏差，鉆孔位置應設計在巖性相對較硬的巖層上方。

2 基于FLAC3D大直徑掏槽圍巖力學參數數值模擬研究

巷道在未掘進之前圍巖處于應力平衡狀態(tài)，巷道開挖后應力將重新分布，同樣在掘進工作面迎頭打大直徑深孔中空眼也使得周圍應力發(fā)生了變化?？赏ㄟ^建立力學模型，在數值模擬實驗的基礎上，研究大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破過程中圍巖應力變化規(guī)律。

2.1 模型的建立

采用ANSYS軟件進行模型的建立和網格劃分，利用FLAC3D軟件模擬有無中空眼的應力變化。模型建立如下：

模型外形尺寸為20 m×10 m×15 m(長×寬×高)，巷道設計毛斷面為4.2 m×3.5 m，直墻半圓拱型，大直徑中空眼直徑為146 mm，位置位于腰線以下300 mm處，4個掏槽眼直徑為38 mm，掏槽眼和中空眼間距為300 mm，掏槽眼通過在內壁施加動力荷載來模擬爆破的作用力。巷道三維模型及地質網格模型如圖1所示。

圖1 地質網格模型圖

摩爾—庫侖模型通常用于描述土體和巖石剪切破壞，模型破壞包絡線和摩爾—庫侖強度準則以及拉破壞準則相對應，本模型采用Mohr-Coulomb屈服函數破壞準則。

模型頂部施加上部巖層等效載荷，16121底抽巷掘進工作面埋深380 m，取上覆巖層的自重應力為11 MPa；本地區(qū)圍巖穩(wěn)定地質構造簡單，煤層平整無褶皺，側壓力系數取1，即11 MPa；模型左右兩邊界無水平位移；底部為固定約束，即在x、y、z方向位移為零；采用大應變的應變模式。

2.2 掏槽眼對圍壓應力分布的影響

2.2.1 垂直應力

掏槽眼和中空眼施工后垂直應力分布如圖2所示。由圖2(a)可以看出，掏槽眼附近有拉應力出現，但是數值不大，且無明顯的方向性。由圖2(b)可以看出，中空眼周圍出現了較大的拉應力，拉應力隨著遠離中空眼其值越來越小，拉應力能夠反映圍巖所承受的程度，拉應力越大圍巖越易破碎，拉應力范圍越大其破壞范圍也越大。中空眼周圍隨著距離的增加其拉應力也逐漸減少，最大應力出現在孔口周邊，在中空眼周圍呈環(huán)形分布，能夠和周圍掏槽眼應力曲線共同形成拉應力破壞區(qū)，爆破后的破壞效果明顯優(yōu)于沒有中空眼的情況。

圖2 垂直應力分布情況

2.2.2 水平應力

掏槽眼和中空眼施工后水平應力分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出，4個掏槽眼周邊都出現了較大的水平拉應力集中現象，但都是各自相對獨立，未形成貫穿的拉應力集中帶。由圖3(b)可以看出，經過施工中空眼后，在中空眼附近形成了較大的拉應力集中帶，并且向周邊巖體分散，和掏槽眼周邊的拉應力集中區(qū)能夠相互貫通擴大了拉應力區(qū)的范圍。

圖3 水平應力分布情況

綜合圖2和圖3分析可知，在中空眼施工后，位移變化曲線的變形值和范圍都更大，應力分布曲線拉應力范圍和應力值都變化較大，且都沿中空眼附近進行分布，在中空眼附近形成最大值，掏槽眼爆破范圍更大。

3 大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破工業(yè)試驗

3.1 試驗區(qū)概況

此次爆破工業(yè)試驗選取地點為九里山礦16121底抽巷。九里山礦屬于煤與瓦斯突出礦井，采用立井多水平開拓，目前采掘活動主要集中在16采區(qū)。16121底抽巷在16采區(qū)西翼底板回風巷418 m處開口，沿煤層傾向方向掘進，試驗段巷道設計坡度為9°上山，巷道設計毛斷面為4.2 m×3.5 m，巷道為直墻半圓拱型。巷道掘進層位位于距二1煤層底板約12 m的粉砂巖層位中，該粉砂巖呈灰黑色，泥質及粉砂質成分，局部夾薄層細砂巖。巖石普氏硬度系數f<6。該巷道掘進區(qū)域內地質構造條件較簡單，試驗段內整體呈單斜構造、無斷層等地質構造。

3.2 爆破作業(yè)條件及參數

經現場測量，巷道內瓦斯絕對涌出量為0.18 m3/min，通風方式為局部通風機壓入式通風，頂板巖性為粉砂巖，巷道斷面達到12.8 m2，此次爆破采用的鉆眼工具為YT28式鑿巖機，采用光面爆破工藝，掏槽方式為大直徑中空眼直眼掏槽，裝藥聯線方式為正向串聯，采用三級煤礦許用乳化炸藥和毫秒延期電雷管。炮眼布置示意圖如圖4所示。

圖4 大直徑中深孔直眼掏槽炮眼布置示意圖

4 試驗過程及數據分析

4.1 大直徑深孔中空眼施工

利用ZDY-4000S型鉆機在巷道迎頭依據設計施工大直徑中深孔，孔徑為146 mm，一次施工深度不低于70 m。大直徑中空孔施工參數表見表1和表2。

4.2 大直徑深孔中空眼爆破效果分析

此次試驗從7月24日到8月27日共進行了57次，每循環(huán)作業(yè)均采用大直徑中空眼直眼掏槽爆破技術，嚴格按照爆破圖表進行施工，爆破后對爆破進尺和炮眼利用率進行了統(tǒng)計。詳細數據見表3。為了便于數據分析，選取7月23日前的3組小直徑直眼掏槽爆破數據和7月26日后的5組大直徑直眼掏槽爆破數據進行分析。

現場試驗表明，采用大直徑中空眼直眼掏槽爆破技術，掏槽眼深度不低于2.7 m，其他眼深度不低于2.5 m，總炮眼數72個，總裝藥量43 kg，每次爆破進尺可以達到2.2 m以上，炮眼利用率達到87%以上，單位炸藥消耗量低至1.5 kg/m3左右。

表1 大直徑中孔眼直眼掏槽爆破參數

表2 大直徑中空孔施工參數表

表3 有無大直徑中空眼直眼掏槽爆破數據表

5 結論

大直徑深孔中空眼掏槽爆破技術具有提高巷道掘進效率的顯著優(yōu)勢，目前在焦作煤田九里山礦16121底抽巷處于工業(yè)試驗階段，本文結合理論分析和現場實驗，主要得到以下結論：

(1)大直徑深孔中空眼掏槽后在中空眼周圍應力呈環(huán)形分布，能夠和周圍掏槽眼應力曲線共同形成拉應力破壞區(qū)，形成了破巖的有利條件，爆破后圍壓的破壞效果明顯優(yōu)于沒有中空眼的情況。

(2)16121底抽巷采用大直徑深孔中空眼掏槽爆破技術后，巖巷掘進效率顯著提升，每班爆破進尺顯著提高，由原來的1.6 m增加到2.2 m以上，提高了40%以上。

(3)直眼掏槽中大直徑的中空孔起到了導向孔和增加自由面面積的作用，炮眼利用率得到有效提高，達到了87%以上；單位炸藥消耗量明顯下降，低至1.5 m3/kg左右，有效降低了巖巷掘進的作業(yè)成本。