首山一礦聚能雙掏槽光面爆破技術(shù)應(yīng)用

冀畔俊, 婁淵沛, 汪賓, 范航， 李宗澤

(1.河南平寶煤業(yè)有限公司， 許昌 461714； 2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044)

在中國，煤礦巷道的掘進(jìn)作業(yè)中，絕大部分煤巷已經(jīng)實現(xiàn)了機(jī)械化，但對于巖巷掘進(jìn)來說，受制于地質(zhì)條件復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)費用昂貴等因素，目前仍有約60%的巖石巷道采用爆破工藝掘進(jìn)[1]。目前，國內(nèi)最常用到的常規(guī)光面爆破工藝存在爆破炮眼過多、爆破效果不好，欠挖、超挖等現(xiàn)象[2]。不僅占用大量作業(yè)時間，延長了施工工期，而且還增加了施工成本。尤其是對圍巖適應(yīng)性不好，在遇見較軟巖層時，成型難以保證，嚴(yán)重者甚至?xí)绊憞鷰r穩(wěn)定發(fā)生冒頂事故[3]。

針對上述問題，聚能水壓光面爆破技術(shù)被提了出來，聚能水壓爆破能有效降低隧道爆破時的粉塵量，降低隧道的超欠挖現(xiàn)象，目前聚能水壓光面爆破在理論研究以及現(xiàn)場施工應(yīng)用取得了巨大的進(jìn)步。熊成宇等[4]通過現(xiàn)場爆破試驗,從技術(shù)成果與經(jīng)濟(jì)效益層面對傳統(tǒng)爆破工藝及聚能水壓爆破技術(shù)進(jìn)行了比較,得到通過聚能水壓光面爆破可以有效降低在隧道開挖過程中產(chǎn)生的超欠挖現(xiàn)象。滿軻等[5]討論了不同的掏槽方式對光面爆破的影響，發(fā)現(xiàn)楔形掏槽更有利于巖石的破碎和巖渣外拋，直眼掏槽對硐室成型更有利。馮愛等[6]對聚能光面水壓爆破技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)概述,成功應(yīng)用于川藏線拉林鐵路11標(biāo)高原深埋隧道的施工,通過推廣應(yīng)用聚能水壓光面爆破新技術(shù),使得施工進(jìn)度、成本、質(zhì)量等有大幅度提高。李偉等[7]通過研究對比聚能水壓光面爆破在巖巷掘進(jìn)中的應(yīng)用，提出了相比常規(guī)光面爆破技術(shù)，聚能水壓光面爆破技術(shù)在其裝置設(shè)備和原理上的優(yōu)勢。

針對目前平寶公司巷道掘進(jìn)中存在的問題，為了提高工程質(zhì)量，降低施工成本，在總結(jié)前人的研究的基礎(chǔ)上，提出聚能水壓雙掏槽(以下簡稱“聚能雙掏槽”)光面爆破技術(shù)，同時結(jié)合首山一礦實際情況對相關(guān)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在己15-17-12120中抽巷進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1 工程及常規(guī)爆破方式概況

1.1 工程概況

如圖1所示，首山一礦井田位于平頂山礦區(qū)李口向斜北翼東端，距平頂山市約25 km，孟(廟)寶(豐)鐵路東西貫穿煤田，井田屬石炭二疊紀(jì)煤系。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組及下石盒子組、上二疊統(tǒng)上石盒子組，總厚度795 m。自下而上劃分為八個煤段，含煤53層，常見22層，煤層總厚度22.85 m，含煤系數(shù)2.77%。

圖1 首山一礦平面位置圖Fig.1 Location plan of Shoushan No.1 mine

己15-17-12120中抽巷掘進(jìn)斷面為直墻半圓拱形，高3.5 m，寬4.6 m，面積13.6 m2，布置在灰?guī)r中，巖層厚度為12～17 m，平均厚度16 m，巖石堅固系數(shù)f=6～8。圖2為該巷道平面圖。

圖2 己15-17-12120中抽巷平面圖Fig.2 Ji15-17 12110 middle pumping lane plan

1.2 首山一礦常規(guī)爆破方式概況

首山一礦傳統(tǒng)的光面爆破方式主要采用YT-28氣腿式風(fēng)動鑿巖機(jī)施工鉆眼，周邊眼間距350 mm，輔助眼與周邊眼間距430 mm，底邊眼間距380 mm。全斷面共布置95個炮孔，具體排布方式如圖3所示，爆破參數(shù)如表1所示，指數(shù)如表2所示。

表1 常規(guī)爆破參數(shù)表Table 1 Conventional blasting parameters table

表2 常規(guī)爆破指數(shù)表Table 2 Conventional blasting index table

圖3 常規(guī)爆破炮眼布置Fig.3 Layout of conventional blasting holes

2 常規(guī)爆破方式存在的問題及原因分析

2.1 首山一礦巖巷爆破存在的主要問題

(1)常規(guī)巖巷光面爆破多遵循“多打眼、少裝藥”的原則，這就造成了每循環(huán)炮眼數(shù)量太多，打眼時間占據(jù)每班2/3時間以上，班組為實現(xiàn)正規(guī)循環(huán)，勢必會降低炮眼深度，影響了炮進(jìn)率。

(2)施工遇見較軟巖層時，成型難以保障，使工人掛網(wǎng)難掛，補打錨桿、錨索較多造成不必要支護(hù)材料浪費，另外影響巷道安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)。

(3)常常出現(xiàn)超挖，增加出矸量及混凝土噴射量而提高施工成本。

(4)巖巷施工隊伍長期存在嚴(yán)重延時的現(xiàn)象，開拓隊平均職工每班延時在2 h左右，職工長期疲勞工作，形成了因出勤率低下而造成班組效率不高的惡性循環(huán)。

2.2 常規(guī)爆破問題的原因

(1)由于常規(guī)爆破炮眼間距為300～400 mm，布眼過密、打眼過多、打眼作業(yè)時間占用時間過長，施工人員為趕上進(jìn)度，降低施工質(zhì)量，造成爆破效果較差。

(2)施工人員思想穩(wěn)中求變，沒有去研究或?qū)W習(xí)新的爆破技術(shù)，對新技術(shù)存在懷疑態(tài)度。

3 聚能雙掏槽光面爆破技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 聚能雙掏槽光面爆破原理

聚能爆破是指在爆破過程中利用聚能管實現(xiàn)對爆破沖擊的可控，實現(xiàn)對開拓掘進(jìn)面巖石的定向切割。使爆破巖石的破碎面沿預(yù)定開挖方向擴(kuò)展，提高了炮眼利用率和爆破效果，降低了爆破過程中對周邊圍巖的損傷[8-9]。由于采用水沙袋進(jìn)行封孔，根據(jù)非牛頓流體力學(xué)材料，遇軟則軟，遇硬則硬的特性，在使用中能夠更好地實現(xiàn)封孔效果，有力地將炸藥爆炸產(chǎn)生的膨脹氣體控制在炮眼中。有利于爆破形成的裂縫繼續(xù)擴(kuò)大[10]。另外采用雙掏槽可以擴(kuò)大圍巖的臨空面，使工作面形成第二個自由面，提高爆破效果[11]。

3.2 聚能雙掏槽光面爆破施工參數(shù)

光面爆破中最為關(guān)鍵的地方在于周邊眼參數(shù)的確定，在爆破施工中關(guān)于周邊眼有幾個較為重要的參數(shù)。

(1)周邊眼間距。計算周邊眼間距的經(jīng)驗公式[12]為

E=(10～18)d

(1)

式(1)中：E為周邊眼間距，mm；d為炮眼直徑，為了使藥卷直徑、聚能管和不同炮孔之間相互配合，周邊眼、輔助眼、掏槽眼全部使用Ф43 mm的“一”字形鉆頭，所以此處取d=43 mm。

經(jīng)過經(jīng)驗公式計算周邊眼間距可取在430～774 mm，根據(jù)爆破試驗的效果和經(jīng)驗，將E值取為500 mm較為適宜。

(2)炮眼密集度系數(shù)K。指兩炮眼間的距離E與最小抵抗線W的比值。炮眼密集度系數(shù)的選取與巖石堅固性系數(shù)有關(guān)，K<0.8時，會造成巷道超挖，K>1時會造成巷道欠挖，一般K取在0.8～1.0?，F(xiàn)場取樣測試得到巖石堅固性系數(shù)f=6～8，屬于中硬巖石，所以K值取為0.8～0.9[13]。

(3)最小抵抗線。即最外圈輔助眼與周邊眼的孔距，當(dāng)周邊眼和炮眼密集度系數(shù)確定之后，可將光爆層厚度(即最小抵抗線)確定下來，最小抵抗線的計算公式為

K=E/W

(2)

K取值為0.8～0.9，周邊眼間距為500 mm，依據(jù)爆破試驗的效果和經(jīng)驗，以及現(xiàn)場的爆破施工條件，將最小抵抗線的值取為整數(shù)600 mm。

3.3 聚能雙掏槽光面爆破施工工藝

(1)施工工藝流程。打上部眼→倒渣(出渣)→掛幫網(wǎng)打幫錨→打下部眼(組裝聚能管)→吹眼(充水沙袋)→全斷面裝藥→連線→爆破→掛頂網(wǎng)打頂錨桿，具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Contrast chart before and after sandbag filling

(2)裝藥的施工工藝。在裝藥前必須用壓風(fēng)管吹凈炮眼內(nèi)的煤、巖和水，以防止煤、巖粉堵塞炮眼。裝藥時要按照爆破說明書中的裝藥量和雷管的起爆順序按段數(shù)進(jìn)行。封孔即將一個事先充飽的長度300 mm的水沙袋[圖5(a)]封口朝眼口送入炮眼內(nèi)，水沙袋末端距離孔口不小于300 mm即可。

(3)聚能管裝置原理。聚能爆破的主要原理是利用聚能管的聚能作用，在炸藥爆炸瞬間，改變其能量釋放的大小和方向，使爆炸壓力作用在聚能槽/縫處，形成高能流，集中在巷道掘進(jìn)開挖的輪廓方向上傳導(dǎo)，如圖5(b)所示。具體來說就是在炸藥爆炸后，沖擊波首先作用于聚能管兩端的聚能槽對應(yīng)的孔壁上，使其產(chǎn)生初始裂縫。隨后，在爆生氣體的作用下，炮孔及孔壁周圍形成靜應(yīng)力場，使炮孔徑向受壓應(yīng)力作用。在聚能槽的引導(dǎo)作用下，爆生氣體涌入沖擊波作用產(chǎn)生初始微裂隙，產(chǎn)生氣楔作用，由此在垂直初始裂隙方向產(chǎn)生拉張作用力，并出現(xiàn)應(yīng)力集中。應(yīng)力大于巖石的抗拉強度，致使巖石沿預(yù)裂隙方向失穩(wěn)、斷裂，從而促進(jìn)裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展、延伸。達(dá)到引導(dǎo)爆破的效果。

圖5 水沙袋實物和聚能管原理圖Fig.5 Contrast chart before and after sandbag filling

3.4 聚能雙掏槽光面爆破施工方案

首山一礦新的爆破方案采用聚能雙掏槽光面爆破，一掏槽眼是1～8號炮孔，左右間距1 800 mm，上下間距500 mm。二掏槽眼是9～16號眼，與一掏槽眼間距400 mm。周邊眼間距500 mm，輔助眼與周邊眼間距600 mm，底邊眼間距650 mm。全斷面共布置62個炮孔，具體排布方式如圖6所示，爆破參數(shù)如表3所示，爆破指數(shù)如表4所示。

圖6 聚能雙掏槽爆破炮眼布置圖Fig.6 Hole layout of shaped charge double cut blasting

表3 聚能雙掏槽爆破參數(shù)表Table 3 Shaped charge double cut blasting parameter table

表4 聚能雙掏槽爆破指數(shù)表Table 4 Shaped charge double cut blasting index table

3.5 聚能雙掏槽爆破試驗效果分析

通過對比兩種爆破方式的炮眼布置，可以得到，聚能雙掏槽爆破工藝比常規(guī)的爆破工藝所需的炮眼數(shù)量要少，能夠節(jié)約工人作業(yè)時間。對比兩種爆破方式的參數(shù)與指數(shù)，可以看到，新的爆破工藝在炮眼利用率，工作循環(huán)進(jìn)度，一循環(huán)實體巖量等方面全面超過了原有爆破工藝，在每米掘進(jìn)炮眼長度、炸藥消耗量、雷管消耗量等方面則比原有工藝消耗的要少，具體如下。

(1)每循環(huán)炮眼總數(shù)節(jié)省34.7%，每循環(huán)周邊眼節(jié)省6個。

(2)每米巷道乳化炸藥節(jié)省19.9 kg，雷管40.3發(fā)，每千克乳化炸藥按市價21.5元，雷管3.28 元/個，每月按100 m進(jìn)尺，則節(jié)省炸藥費用42 785元，雷管費用13 218元。

(3)打眼少、背炸藥少、不用再捏炮泥、裝藥封孔簡單，每循環(huán)少施工23個炮眼，節(jié)省1.5～2 h，縮短循環(huán)時間、節(jié)省人工、提高循環(huán)進(jìn)尺。

(4)由于聚能管的定向切割作用，減小了爆破對巷道圍巖的擾動，巷道穩(wěn)定性好，減少了巷道超挖出現(xiàn)的概率，便于支護(hù)。

(5)聚能光面爆破效果好，眼痕率可以提高到近90%，便于支護(hù)，降低不必要的材料浪費。提高安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級。

(6)實現(xiàn)了巖巷炮掘的高效掘進(jìn)，11月份己15-17-12120中抽巷進(jìn)尺126 m，比之前月進(jìn)尺多出近30 m。

使用前、后爆破效果見如圖7所示，可以看到采用聚能雙掏槽光面爆破技術(shù)以后，爆破面平整，整體性較好。

圖7 聚能雙掏槽爆破技術(shù)使用前、后爆破效果圖Fig.7 Blasting effect map before and after using shaped charge double cut blasting technology

4 討論

現(xiàn)在聚能雙掏槽爆破技術(shù)在平寶公司首山一礦開拓掘進(jìn)面已基本全面推行，但在技術(shù)的推進(jìn)過程中，也受到了極大的阻力，主要是施工人員思想上穩(wěn)中怕變，對于施工要點掌握不全面。為了應(yīng)對這一難題，首山一礦專門成立了攻關(guān)小組，指導(dǎo)、督促工人采用新工藝、新技術(shù)，同時及時收集現(xiàn)場使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，再通過不斷的調(diào)整、優(yōu)化，最終達(dá)到與現(xiàn)場需求相匹配。具體改進(jìn)主要有以下兩點。

(1)水沙袋的改進(jìn)。前期使用的水沙袋塑料材質(zhì)較硬，使用過程中出現(xiàn)漏水和失效的較多，同時沖水后尺寸大不易裝入炮眼中，后期對水沙袋材料進(jìn)行改進(jìn)，新的水沙袋在使用過程中漏水、失效的情況明顯減少。

(2)雙掏槽工藝改進(jìn)過程。由于新工藝掏槽眼擺開角度較大，開始施工時間較長，故執(zhí)行起來較困難。針對這個問題，在現(xiàn)場對掏槽眼使用導(dǎo)向棍進(jìn)行指導(dǎo)打眼，同時施工掏槽眼和輔助眼的人員兩邊錯開施工，相同條件下每個循環(huán)少施工23個炮眼，提高了作業(yè)效率。通過布置17、18號輔助眼，避免了掏槽眼爆破過程中大塊巖石的產(chǎn)生，每循環(huán)進(jìn)尺比原來多0.4 m左右。

5 結(jié)論

通過此工藝的成功實施，使平寶公司首山一礦的巖巷爆破效果得到了明顯的提升，相同條件下的進(jìn)尺效率明顯得到提高，主要表現(xiàn)在下面幾個方面。

(1)與采用常規(guī)光面爆破工藝相比，采用聚能水壓雙掏槽光面爆破工藝可以大幅度降低炮眼掘進(jìn)量，雷管、炸藥等消耗量，降低爆破材料費，提高掘進(jìn)效益。并且新工藝能夠縮短循環(huán)時間，節(jié)省人工，提高循環(huán)進(jìn)尺。

(2)光面爆破效果好，眼痕率可以提高到近90%。同時采用新技術(shù)后，由于聚能管的定向切割作用，減小了爆破對巷道圍巖的擾動，巷道穩(wěn)定性好，便于支護(hù)，降低了不必要的材料浪費。提高了礦井安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級。

(3)實現(xiàn)了巖巷炮掘的高效掘進(jìn)，11月份己15-17-12120中抽巷進(jìn)尺126 m。