煤礦井巷爆破參數(shù)的設(shè)計及效果分析

高云龍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)惠源焦煤有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

煤礦從基礎(chǔ)建設(shè)到投產(chǎn)需在工作面布置大量的巖石巷道。目前巖石巷道的掘進(jìn)方法有機械掘進(jìn)法和爆破掘進(jìn)法。其中，隨著工作面開采深度的不斷增加，機械掘進(jìn)法無法發(fā)揮其優(yōu)勢（高掘進(jìn)效率、低人工成本）等；而且，當(dāng)實際掘進(jìn)過程中遇到整塊巖層時，采用機械掘進(jìn)法效率低、成本高。而對于爆破掘進(jìn)法而言，根據(jù)實際井巷的條件設(shè)計最佳爆破參數(shù)才能達(dá)到最佳爆破效率和爆破效果[1]。本文將對某井巷的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并對其工業(yè)性試驗進(jìn)行驗證。

1 井巷爆破機理研究

井巷爆破的任務(wù)是將工作面的巖層進(jìn)行破碎，簡單地說爆破效果決定于藥包爆炸后在巖層內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力特性。經(jīng)研究表明，不同形狀的藥包爆炸所產(chǎn)生應(yīng)力場不同。結(jié)合井巷爆破所采用藥包的類型及其使用率，本文以柱狀藥包進(jìn)行分析。對于柱狀藥包而言，其更適用于巖層的深孔爆破，從而降低巖層的強度，加速了巖石的破裂[2]。

1.1 炮眼的設(shè)計

對于井巷的爆破，根據(jù)其爆破需求需在工作面斷面上布置三種不同的炮眼，包括掏槽眼、崩落眼以及周邊眼。上述炮眼在一般斷面上的具體分布位置如圖1所示。

若想獲得較為理想的爆破效果，除了按照如圖1所示炮眼的位置進(jìn)行布置，還需對不同炮眼的爆破順序進(jìn)行合理控制。一般情況下，上述三個炮眼的先后起爆順序為掏槽眼、崩落眼和周邊眼，對應(yīng)的起爆控制技術(shù)為微差爆破技術(shù)。對于炮眼布置需按照《井巷工程施工及驗收規(guī)范》進(jìn)行合理布置，要求所設(shè)計炮眼的利用率應(yīng)大于85%，并保證先起爆的炮眼不會影響后起爆炮眼的完整性[3]。

圖1 炮眼在斷面上的分布位置

1.2 爆破參數(shù)的設(shè)計

井巷爆破除了確定關(guān)鍵炮眼位置和起爆順序外，還需根據(jù)井巷條件對炮眼的深度、直徑、數(shù)量以及藥卷等參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，包括有掏槽眼、輔助眼、周邊眼、崩落眼等參數(shù)的確定。其中，爆破參數(shù)需根據(jù)井巷的巖層、地質(zhì)、斷面大小等進(jìn)行綜合確定。爆破參數(shù)的具體設(shè)計流程：

1）結(jié)合井巷當(dāng)前的支護(hù)條件、整個工程的進(jìn)度要求綜合確定炮眼孔的深度；

2）結(jié)合炮眼布置的位置對整個斷面的爆破區(qū)域進(jìn)行劃分，并根據(jù)不同爆破區(qū)域所需爆破巖石量計算得出不同區(qū)域所需的炸藥量。

值得注意的是，爆破參數(shù)的設(shè)計需在理論計算和施工經(jīng)驗充分結(jié)合的基礎(chǔ)上完成，才能保證所確定參數(shù)的有效性和合理性[4]。

2 爆破參數(shù)的設(shè)計

2.1 工程概況

本文以某煤礦0305工作面中的底抽巷道為例開展研究，該巷道的斷面形狀為矩形，目前巷道圍巖采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式，其中對應(yīng)錨桿支護(hù)中每排錨桿之間的間距為800 mm，每排錨索之間的間距為2000 mm。巷道的具體尺寸如下：巷道的寬度為4.5 m，高度為3.2 m。經(jīng)探測可知，0305工作面底抽巷道的平均涌水量為2 m3/h，工作期間最大涌水量可達(dá)10 m3/h；工作面瓦斯的平均絕對涌出量為0.5 m3/min。

底抽巷道采用鑿巖機完成掘進(jìn)任務(wù)，并為其配置了轉(zhuǎn)載機和帶式輸送機等設(shè)備。為保證底抽巷道的掘進(jìn)效率，為其配置五臺鑿巖機，其中三臺運行，兩臺備用。目前，底抽巷道在掘進(jìn)過程中存在如下問題：

1）目前，該井巷采用淺眼多循環(huán)的爆破模式，導(dǎo)致整個井巷的掘進(jìn)速度較慢且效率降低。

2）整個井巷需消耗大量的支護(hù)材料，即巷道成型質(zhì)量差。

3）炮眼位置分布及起爆順序等參數(shù)設(shè)計不合理，導(dǎo)致爆破后巖石的體積仍然偏大還需對其進(jìn)行二次破碎，在增加成本的同時大大降低爆破效率低。

4）斷面所設(shè)計炮眼設(shè)計密集，導(dǎo)致后起爆炮眼被破壞；多余炮眼的施工大大降低爆破效率。

總的來說，當(dāng)前爆破參數(shù)下對應(yīng)施工時存在爆破效果差、爆破效率低的問題[5]。

2.2 爆破方案的設(shè)計

1）結(jié)合0305工作面底抽巷道的實際條件以及整個井巷的掘進(jìn)工程節(jié)點要求，在參考其他相似工程炮眼孔深度的設(shè)計經(jīng)驗。最終確定0305工作面底抽巷道爆破巖層對應(yīng)的炮眼孔的深度為2 m。

2）結(jié)合底抽井巷的巖層條件，預(yù)計該井巷取得最佳爆破效果和爆破效率對應(yīng)的炸藥消耗量為1.97 kg/m3。

3）結(jié)合不同炮眼掏槽眼、崩落眼以及周邊眼相關(guān)參數(shù)的理論計算公式，并結(jié)合爆破的施工經(jīng)驗：掏槽眼在垂直方向的間距為500 mm，掏槽眼槽口中心軸之間的間距為2.1 m，槽低中心軸之間的間距為1.5 m，掏槽眼的直徑為42 mm。而且，采用準(zhǔn)直掏槽方式完成掏槽眼的施工。周邊眼在垂直方向的間距為650 mm。而且，斷面所有炮眼的總數(shù)為47個，其相對位置分布如圖2所示。

如圖2所示，編號為1-6為掏槽眼；編號為7-11為中間眼；編號為12-23為崩落眼；編號24-29為頂眼；編號30和35為頂角眼；編號31-34為幫眼；編號40-47為底眼。根據(jù)不同炮眼對應(yīng)區(qū)域的爆破巖量，所設(shè)計不同炮眼中裝藥量如表1所示。

圖2 不同炮眼分布相對位置示意圖（mm）

表1 炮眼裝存量統(tǒng)計 kg

經(jīng)統(tǒng)計，針對0305工作面底抽井巷對應(yīng)的炮眼的總數(shù)為47個，總裝藥量為51.2 kg。

3 爆破效果分析

將上述重新設(shè)計爆破參數(shù)應(yīng)用于底抽井巷的爆破施工中，并將其爆破效果與原爆破參數(shù)進(jìn)行比對得出如下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)爆破參數(shù)下對應(yīng)炮眼的平均利用率為87.5%；而采用上述重新設(shè)計的爆破參數(shù)后對應(yīng)炮眼的平均利用率可達(dá)95%。

2）傳統(tǒng)爆破參數(shù)下對應(yīng)循環(huán)進(jìn)尺為1.4 m，對爆破參數(shù)優(yōu)化后對應(yīng)循環(huán)進(jìn)尺約為1.87 m。

3）傳統(tǒng)爆破參數(shù)下井巷每掘進(jìn)1 m消耗炸藥的質(zhì)量為42 kg，而對爆破參數(shù)優(yōu)化后井巷煤等于每掘進(jìn)1 m所消耗炸藥的質(zhì)量為27 kg。

4 結(jié)語

工作面井巷的掘進(jìn)效率與所選的掘進(jìn)方式相關(guān)。對于當(dāng)前工作面深度大、巖層相對復(fù)雜的特點，爆破掘進(jìn)法較機械掘進(jìn)法效率更高。但是，爆破掘進(jìn)法中所設(shè)計的爆破參數(shù)將直接影響整個井巷的爆破效果和爆破效率，進(jìn)而決定井巷的整體掘進(jìn)效率和掘進(jìn)成本。實踐表明，對0305工作面底抽井巷爆破參數(shù)優(yōu)化后炮眼利用率和循環(huán)進(jìn)尺明顯提升，所消耗炸藥量也明顯降低。