凍結(jié)立井深厚富水基巖爆破參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

宋培章，陳 弦，黃保營

(陜西煤業(yè)化工建設(shè)(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710021)

在西部白堊系含水層中，煤礦立井井筒施工多采用凍結(jié)法[1]，深孔爆破技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于立井井筒的掘進(jìn)中[2-4]。但是在凍結(jié)法施工中，巖石處于低溫的凍結(jié)狀態(tài)，巖石內(nèi)部的水全部凍結(jié)，改變了原有巖石的物理特性[5-10]。在現(xiàn)場實(shí)踐過程中，立井凍結(jié)基巖段采用鉆爆法施工時(shí)往往存在以下問題[11-15]：采用常溫下巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)勢必導(dǎo)致爆破效果不理想；受凍結(jié)的影響殘眼長度大，影響爆破進(jìn)尺，爆破效率低，爆破效果控制難度大；炮眼布置不合理造成凍結(jié)巖體塊度大，裝巖效率低。本文針對新莊煤礦回風(fēng)立井井筒凍結(jié)基巖鉆爆法施工過程中的爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)了爆破效率，提高了爆破效果。

1 工程概況

新莊礦井建設(shè)規(guī)模為800萬t/a，采用立井開拓方式，其回風(fēng)立井設(shè)計(jì)深度966.6m，其中，包括井頸14m，井身952.6m，井筒凈直徑7.5m，掘進(jìn)荒徑最大處11.3m。地層以白堊系志丹群洛河及侏羅系為主要含水層，含水層厚度大，涌水量較大，因此回風(fēng)立井按原普通法設(shè)計(jì)方案已經(jīng)施工90m后變?yōu)閮鼋Y(jié)法施工，凍結(jié)深度至直羅組中的部分含水層，凍結(jié)深度910m，其中基巖段長692m，采用鉆爆法施工。

井筒穿過基巖地層自上而下有：白堊系環(huán)河華池組，厚度為203.27m，巖性為中、細(xì)粒砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，總體抗壓強(qiáng)度為25.7～63.48MPa；白堊系洛河組，厚度為450.61m，巖性主要為細(xì)～粗粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，該巖組巖石總體抗壓強(qiáng)度為20.8～65.2MPa；侏羅系安定組，厚度為31.32m，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖夾中粗粒砂巖、砂礫巖，該巖組巖石總體抗壓強(qiáng)度為33.2～55.2MPa。

2 凍結(jié)基巖段爆破初步方案及效果評(píng)價(jià)

2.1 爆破初步方案

使用XFJD-6.11型傘鉆，配6臺(tái)YGZ-70型風(fēng)鉆，B25中空六角鋼鉆桿，配?52mm十字型鉆頭打眼。煤礦許用T330水膠炸藥，藥卷規(guī)格為?45mm×500mm×0.8kg，周邊眼采用?35mm×500mm×0.6kg藥卷。選用6m長腳線，段別分別為1、3、5、7、9、11或2、4、6、8、10、12段毫秒延期電雷管。

根據(jù)井筒所穿過巖層巖性，初期爆破參數(shù)按軟巖f<3進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用“多打眼、少裝藥”的施工方法，為了配合模板高度4.0m，確定炮眼深度4.4m。凍結(jié)基巖段采用雙階直眼掏槽法，掏槽眼深度分別為3.5m和4.7m，共布置炮眼157個(gè)，井筒施工爆破參數(shù)見表1。

表1 凍結(jié)基巖爆破參數(shù)表

2.2 存在問題

1)實(shí)際施工過程中，按照表1爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行爆破施工，成井速度不理想。當(dāng)炮眼深度為4.4m時(shí)，每炮平均進(jìn)尺3.5m，炮眼平均利用率為80%左右。而且每炮進(jìn)尺差異大，部分井筒段出現(xiàn)炮眼利用率僅有68.1%的情況。

2)為提高爆破效率，在施工過程中又嘗試采用5.5m加長鉆桿，眼深5.2m，增加鉆孔數(shù)量(由157個(gè)增加到210個(gè)左右)、增加裝藥量等方法，但掘進(jìn)進(jìn)尺依然難以提高，平均進(jìn)尺僅為3.8m，仍未達(dá)到4.0m，平均炮眼利用率僅為72%左右，嚴(yán)重影響井筒快速施工，成本增加明顯。而且隨著鉆桿加長和炮眼加深，斷鉆桿現(xiàn)象嚴(yán)重，平均每炮斷鉆桿達(dá)17.8根，特別是巖層破碎處、層位明顯處斷鉆桿幾率大，同時(shí)也出現(xiàn)了鉆眼時(shí)鉆進(jìn)非常容易，拔鉆桿費(fèi)時(shí)費(fèi)力現(xiàn)象，個(gè)別鉆桿拔出需要十幾分鐘，大大影響了掘進(jìn)效率。

2.3 原因分析

新莊風(fēng)井剛進(jìn)入基巖段時(shí)月進(jìn)尺只有70.6m，成井速度遠(yuǎn)低于預(yù)期要求。通過現(xiàn)場觀察和分析，主要存在以下原因：靠周邊位置的炮眼內(nèi)有積水，受凍結(jié)環(huán)境影響孔底結(jié)冰，裝藥裝不到底，導(dǎo)致爆破后，井幫、井底成形不規(guī)則，欠挖量較多，光面爆破成形差；施工采用的鉆孔深度4.4m和5.2m，屬于中深孔和深孔爆破，而且?guī)r石凍結(jié)后強(qiáng)度增加。當(dāng)炮孔深度較深時(shí)，爆破的夾制作用增加，對爆破不利，尤其是掏槽效果不理想，因此造成爆破后殘眼長度大，炮眼利用率低；深孔爆破由于炮眼利用率低，殘孔深，裝藥又位于底部，爆破對殘眼周圍及其下部巖石損傷較大，爆破后出現(xiàn)更多裂隙，在此基礎(chǔ)上鉆孔，其孔眼很不規(guī)整，必然引起夾鉆和拔釬困難的問題，而深孔的釬桿長，撓度又大，釬桿就容易斷裂，影響施工進(jìn)度，施工成本增大。

3 凍結(jié)基巖爆破參數(shù)優(yōu)化

3.1 凍結(jié)基巖強(qiáng)度分析

凍結(jié)后的巖石抗壓強(qiáng)度和普氏硬度系數(shù)均有一定程度提高，在爆破設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮巖石凍結(jié)的影響。因此在凍結(jié)作用下對白堊系華池組砂質(zhì)泥巖類和粉砂巖、洛河組泥巖類和粉砂巖f系數(shù)取8；對白堊系華池組泥巖和細(xì)粒砂巖、白堊系洛河組中粒砂巖、粗粒砂巖、礫巖類f系數(shù)取3；對白堊系洛河組細(xì)粒砂巖、侏羅系安定組所有巖層f系數(shù)取6。在進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，將圍巖統(tǒng)分為兩類：即f>6和f<6。

3.2 優(yōu)化后的爆破方案

1)掏槽方式。為了提高爆破效果，增加爆破自由面，在井筒中心鉆打2m深鉆孔，做為爆破的空心眼，并且減少掏槽眼間距，提高掏槽效果。掏槽孔選擇2階直眼掏槽。

2)眼深。施工模板高度為4m，結(jié)合凍結(jié)基巖的巖石系數(shù)選擇炮眼深度，當(dāng)圍巖硬度系數(shù)f<6時(shí)，輔助眼及周邊眼深度為4.5m，一階掏槽眼深度為3.5m，二階掏槽眼深度為4.7m；f>6時(shí)，輔助眼及周邊眼炮眼深度為4.7m，一階掏槽眼炮眼深度為4.0m，二階掏槽眼炮眼深度為4.9m。

3)最小抵抗線。根據(jù)巖石的性質(zhì)和選取的炸藥，確定最小抵抗線。圍巖硬度系數(shù)f<6時(shí)，圈距取800mm；f>6時(shí)，圈距取700mm。

4)孔距。根據(jù)新莊風(fēng)井基巖段爆破經(jīng)驗(yàn)，確定密集系數(shù)f<6時(shí)，輔助眼m=1m，周邊眼m=0.62m。確定密集系數(shù)f>6時(shí)，輔助眼m=1.2m，周邊眼m=0.7m。

按照不同巖石系數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化后的爆破參數(shù)見表2、表3。

表2 凍結(jié)基巖段爆破參數(shù)表(f<6)

表3 凍結(jié)基巖段爆破參數(shù)表(f>6)

3.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

1)為了提高光爆成形質(zhì)量，周邊眼采用細(xì)長木條進(jìn)行預(yù)留空氣柱裝藥，掏槽眼、輔助眼堵塞長度不得小于500mm，周邊眼堵塞長度為400mm。

2)對于底部殘眼松動(dòng)部分清底時(shí)撬除干凈，防止打鉆時(shí)夾釬，鉆孔時(shí)控制好各圈眼落底深度，爆破后底部呈鍋底形，便于支鉆、鉆孔以及巖粉聚集。

3)在鉆眼時(shí)，鉆進(jìn)過程不能停止，一旦停止，立即拔出鉆桿，否則凍住很難處理。

4)炮眼鉆好后，應(yīng)在炮眼內(nèi)注高濃度鹽水并用木楔將炮眼塞上，有效地避免炮眼積水結(jié)冰。

5)根據(jù)凍結(jié)管偏斜圖，嚴(yán)格控制周邊眼的傾角，確保周邊眼與相鄰凍結(jié)管的距離大于1.2m，并不能使炮眼向凍結(jié)管方向偏斜。

3.4 優(yōu)化方案實(shí)施效果分析

1)光面爆破效果良好。采用木楔封堵眼孔和炮眼內(nèi)注高濃度鹽水，有效避免了因炮眼內(nèi)水凍結(jié)導(dǎo)致炸藥不能裝入炮眼底部，導(dǎo)致爆破后需要風(fēng)鎬開幫或二次打開幫眼爆破的現(xiàn)象。周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)采用空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)，提高了光面爆破效果，保證了井筒周邊光爆成形質(zhì)量，周邊眼平均眼痕率達(dá)62.4%；避免了超挖和欠挖現(xiàn)象，混凝土用量由原來的超設(shè)計(jì)140%降低至125%左右，大大節(jié)約了支護(hù)材料費(fèi)用。

2)炮眼利用率大大提高。根據(jù)圍巖凍結(jié)后強(qiáng)度并將其分類，針對不同的硬度系數(shù)采用不同的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行爆破。爆破后平均進(jìn)尺達(dá)到4.0m，炮眼利用率達(dá)到85%以上。

3)采用中深孔爆破技術(shù)，同時(shí)施工過程中對井底進(jìn)行徹底清理，避免了采用深孔爆破時(shí)，炮眼利用率低且易出現(xiàn)斷鉆桿現(xiàn)象的發(fā)生，避免了鉆桿難以拔出且降低了鉆孔時(shí)間，提高了掘進(jìn)效率。

4)爆破后巖石塊徑適中，裝巖時(shí)間明顯縮短，雙鉤不甩罐，每小時(shí)提升矸石量平均達(dá)70m3。

綜上分析，新莊風(fēng)井井筒外壁施工中，通過對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合科學(xué)的組織管理，連續(xù)3個(gè)月凍結(jié)外壁成井超110m，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

針對新莊風(fēng)井凍結(jié)基巖段施工初期出現(xiàn)的爆破效率低、掘進(jìn)速度慢、斷鉆桿嚴(yán)重等問題，提出了三方面的優(yōu)化，主要包括：

1)根據(jù)巖石凍結(jié)后的硬度系數(shù)將圍巖分為兩類(f>6和f<6)進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，確定了不同的炮眼深度、最小抵抗線、眼距等。

2)采用二階直筒掏槽和中空眼相結(jié)合的方式，大大提高了掏槽效率。

3)改變周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，采用空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)，提高了光面爆破效果，保證了井筒周邊光爆成形質(zhì)量，減少了混凝土用量，節(jié)約了支護(hù)材料費(fèi)用。