煤矿硬岩巷道掘进大直径炮孔爆破试验研究.pdf

第3 4 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．3 4N 。．1 2 0 1 7 年3 月B L A S T I N GM a r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 7 ．0 1 ．0 0 9 煤矿硬岩巷道掘进大直径炮孔爆破试验研究术 宗琦，马亚东，汪海波 安徽理工大学土木建筑学院，淮南2 3 2 0 0 1 摘要增大药卷直径可提高炸药爆速，配以较大直径炮孔爆破能够增强岩石的破裂和破碎。为了提高煤 矿硬岩巷道掘进爆破效率，在液压凿岩台车施工巷道首次进行大直径炮孔和大直径药卷中深孔爆破试验研 究，同时对各段雷管起爆延期时间进行优化，其中第2 段雷管的延期时间由原先的2 5m s 增加至5 0m s ，目的 是使掏槽爆破后岩石有足够的时间破碎、运动和抛掷出槽腔，形成新的自由面。并配用底部集能装药掏槽爆 破技术和水垫层周边光爆装药结构，爆破试验取得了良好的效果。 关键词煤矿；硬岩巷道；大直径炮孔；大直径药卷；中深孔爆破 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 7 0 1 0 0 4 7 0 5 L a r g eD i a m e t e rH o l eB l a s t i n gE x p e r i m e n t a li n H a r dR o c kR o a d w a yo fC o a l m i n e Z O N GQ i ，M AY a - 如n g ，W A N GH a i - b o S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t L a r g ed i a m e t e re x p l o s i v ec h a r g ec a ni m p r o v eb l a s t i n gv e l o c i t ya n dd e s t r o yr o c km u c he f f i c i e n t l yc o n b i n e dw i t hl a r g ed i a m e t e rh o l e ．T oi m p r o v eb l a s t i n ge f f i c i e n c yi nh a r dr o c kr o a d w a yi nc o a lm i n e ，t h em i d d e e ph o l e b l a s t i n gt e s t i n gw i t hl a r g ed i a m e t e rh o l ea n dl a r g ed i a m e t e rc a r t r i d g ea r ec a r r i e do u ti nc o n s t r u c t i o nr o a d w a y ．M e a n w h i l e ，t h ed e t o n a t i n gd e l a yt i m ei so p t i m i z e df r o mt h eo r i 百n M2 5m st o5 0m sf o rt h es e c t i o n2 ，w h i c hs u p p l i e se - n o u g ht i m ef o rr o c kb r e a k i n g ，m o v i n ga n dn e wf r e ef a c ep r o d u c i n g ．G o o db l a s t i n ge f f e c ti sa c h i e v e db yu s i n gp o w e r c o n c e n t r a t e dc h a r g es t r u c t u r ea th o l eb o t t o mc o u p l e dw i t hw a t e rc u s h i o ns c h e m e ． K e yw o r d s c o a lm i n e ；h a r dr o c kr o a d w a y ；l a r g ed i a m e t e rh o l e ；l a r g ed i a m e t e rc a r t r i d g e ；m e d i u md e e ph o l e b l a s t i n g 目前，国内煤矿岩巷掘进爆破较多采用的 咖3 2m m f l 勺钻头配直径咖2 7m m 的药卷‘43 ，少数为 提高掏槽效率，对掏槽孔采用西4 0m m 的钻头配直 径西3 5m m 的药卷‘5 ，6 | 。随着钻孔设备的改进，凿 岩台车较普通气腿式凿岩机的钻孔效率提高很多、 收稿日期2 0 1 6 1 1 2 7 作者简介宗琦 1 9 6 5 一 ，男，安徽淮北人，博士、教授，主要从事 土木工程方面的教学与研究工作， E m a i l q z o n g a u s t ． e d u ．C Y I 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 2 7 4 0 0 9 、5 1 3 7 4 0 1 2 、5 1 4 0 4 0 1 0 ； 安徽省科技攻关计划项目 1 5 0 1 0 4 11 2 3 劳动强度大大降低⋯，为采用较大直径的炮孔和药 卷进行硬岩巷道的掘进爆破施工提供了快速钻眼保 障。众多研究表明，炸药的爆速会随装药直径的变 化而变化‘7 ‘9J ，增大药卷直径能够提高炸药爆速，增 强岩石的破裂和破碎。以此为理论基础，试图通过 加大炮孔直径和药卷直径，采用底部集能装药掏槽 爆破技术和水垫层周边光爆装药结构，优化爆破参 数和段间延期起爆时间等，以求提高爆破效率。试 验研究取得了预期的良好效果。 万方数据 爆破 2 0 1 7 年3 月 1 装药直径对炸药爆速及岩石破碎破 裂的实际影响 目前，煤矿井下岩石巷道掘进爆破常用的炸药 药卷直径为咖2 7m m 、咖2 9m m 、咖3 5m m ，为进一步 验证装药直径对炸药爆速的影响，对不同直径三级 煤矿许用水胶炸药爆速进行了实测，爆速测试结果 平均值见表1 。 表1 不同直径炸药的爆速 T a b l e1 E x p l o s i v eb l a s t i n gs p e e do fd i f f e r e n td i a m e t e r 。吊用刚爆儆耢晔随匀裂际区半，俭订异公武 为㈣ 粉碎区半径“ h ≥ “ 1 裂隙区半弛弘 学 “ 2 式中k 、r ‘分别为粉碎区和裂隙区半径；P ，为炮孔 初始冲击压力峰值，P ， 妒I 。∥2 I i J 6 A ；p 。为炸药密 度；D 为爆速；r c 为药卷半径；r 。为炮孔半径；S 。为 岩石抗压强度；S ，为岩石抗拉强度；A 为侧压力系 数；仅为应力波衰减指数，“ 2 一∥ 1 一肛 。 根据表1 不同直径药卷的爆速，由式 1 、 式 2 ，对同一性质岩石 表2 中实测现场岩石的力 学性能参数 ，取侧压力系数A 8 ，计算得到的不 同炮孑L 与装药直径组合时爆炸近区粉碎区和裂隙区 范围，见表3 。 表2 岩石力学性能实测表 T a b l e2T e s t i n gr e s u l t so fr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t y 表3 不同装药直径破坏范围 T a b l e3 D a m a g ez o n eo fd i f f e r e n tc h a r g ed i a m e t e re x p l o s i v e 表3 表明，在爆炸近区，孔壁初始冲击压力、粉 碎区和裂隙区半径与药卷半径、装药不耦合系数关 系密切 ①同一直径药卷，炮眼直径增大 即装药不耦 合系数增大 降低了初始冲击压力和炸药的爆破破 岩能力，粉碎区和裂隙区范围减小。 万方数据 第3 4 卷第1 期宗琦，马亚东，汪海波，等煤矿硬岩巷道掘进大直径炮孔爆破试验研究 4 9 ②增大药卷直径，在不耦合系数相当的情况下， 明显能够增强岩石的破碎和破裂。 因此，对巷道掘进掏槽爆破和崩落爆破，可采用 较大直径的炮孔和药卷、较小的不耦合系数，以充分 利用爆炸能量、提高掏槽爆破效果。如采用 咖5 0m m 的炮孔配击4 5m m 的药卷。而对于巷道周 边光面爆破，既要保证光爆层岩石的顺利崩落、又要 降低爆破对周边围岩的损伤，可采用较大的不耦合 系，如采用咖4 0 炮孔配西2 7 或2 9m m 的药卷，或 咖5 0m m 的炮孔配西3 5m m 的药卷。 2 大直径炮孔和大直径药卷爆破现场 试验 2 ．1 工程概况 试验地点选择在淮南某煤矿硬岩巷道进行，巷 道断面为直墙半圆拱形，掘进宽度5 ．7m ，掘进高度 3 ．9 5m ，掘进断面积1 9 ．0 3m 2 。采用锚喷网支护。 试验段岩性为砂岩，力学性能测试结果见表2 。 钻孔采用双臂液压凿岩台车，实测钻凿2 ．5m 左右的炮孔耗时2 ．0r a i n 左右，全断面钻孔用时约 为2 ．5h ，钻眼速度快、效率较高。采用三级煤矿许 用水胶炸药，毫秒延期电雷管。 试验前炮孔直径和药卷直径分别为西4 2m m 和咖3 5m m ，设计炮孔深度2 ．3m ，全断面9 0 个炮 孔，循环总装药量8 9 ．0 3 妇，实际钻眼9 0 ～9 5 个，眼 深2 ．2 ～2 ．4m ，循环药量1 0 0k g 左右。爆破循环进 尺1 ．7 2 ．0m ，平均1 ．8 5m 。 2 ．2 试验方案和爆破参数 1 炮孔深度、炮孔直径和药卷直径 凿岩台车推进行程达3 ．0m ，配用3 ．3m 长的 钎杆，耐磨性较强的球齿形合金钎头，为充分发挥其 钻孔速度快、效率高的特性，设计辅助孔、崩落孔和 周边孔深度2 ．5m ，掏槽孑L 深度2 ．7m 。加大炮孔直 径，采用西5 0m m 钎头。 试验继续使用煤矿许用水胶炸药，药卷直径 咖3 5m m 、咖4 5m m 两种顶眼采用直径咖3 5m m 的 药卷 西3 5m mx3 3 0m mx 3 3 0g 以保证光爆效果 和周边成型质量，其它炮孔采用直径西4 5m m 的药 卷 西4 5m m 4 0 0m mx 7 0 0g 以增强破岩能力。 2 掏槽形式和掏槽爆破参数 底部集能装药掏槽爆破技术在煤矿硬岩巷道掘 进爆破中已有应用，获得了较好的效果。设计采 用的具体掏槽形式为单楔形加中心直孔的混合式掏 槽。1 2 ，1 3J ，直孔装药与楔形斜孔装药同段一段起爆， 每组对称槽孑L 间距1 5 0 0m m ，上下孔距5 0 0m m ，单 孔装药量3 卷 2 ．1k g ，所有8 个掏槽孔同用1 段 雷管起爆。紧挨掏槽孔的崩落孔与掏槽孔孔口间距 控制在2 5 0 ～3 0 0m m ，单孔药量2 卷 1 ．4k g 。 3 周边孔、崩落孔和底孔爆破参数 周边孔采用光面爆破技术，炮孔布置在巷道掘 进轮廓线上，钻孔时应稍微向外偏斜，孔底落在轮廓 线外5 0 ～1 0 0m m ；崩落孔在掏槽孔和周边孔内均匀 布置，炮眼密集系数0 ．8 ～1 ．0 ；底孔适当下扎，孔底 超过巷道底板2 0 0m m 左右。 4 装药结构 除底孔正向起爆外，其它炮孔均采用反向起爆。 连续装药，充填炮泥至孔口，周边孔 主要是顶孔 采用水垫层装药结构，炸药装填至设计药量，接着装 若干个水炮泥，再用炮泥封实，长度不小于4 0 0m m 。 水垫层装药结构，既可减缓爆炸冲击压力对孔壁周 边围岩的破坏，又能实现炮孔全长均匀爆破作用，避 免孔底超挖和孑L 口欠挖，提高光面爆破效果和巷道 成型质量。具体各类炮孔装药结构见图1 所示。 啦艟孵 a 掏槽眼 b 崩落眼、底眼 e 周边眼 a C u t h o l e b C a v i n gh o l e 、b u t t o mh o l e e P e r i p h e r a lh o l e 图1 装药结构示意图 单位1 1 1 1 1 1 F i g ．1 G e n e r a lv i e wo fc h a r g es t r u c t u r e u n i t m m 5 雷管延期时间与爆破网路 由于煤矿井下爆破使用的毫秒电雷管总的延迟 时问不得超过1 3 0m s ，为提高掏槽效果、给槽腔内 岩石充分破碎破裂、运动抛掷足够的时间，新的槽洞 自由面形成，对电雷管延期时间进行优化设计总延 期时间不变，第二段延期时间延长至5 0m s ，其它段 问间隔为2 0m s ，仍为五个段别，总的延期时间 11 0m s 。 采用串并联连线网路，为便于操作，连线作业时 以巷道中心线为界，两边分别串联，自中心直眼 图 2 中编号1 、2 孔 与底眼编号6 9 、7 0 两孔间各引出 一根导线，连接至起爆主线。 万方数据 5 0爆破2 0 1 7 年3 月 具体爆破参数见表4 、炮孔布置见图2 。 表4 爆破参数表 T a b l e4 B l a s t i n gp a r a m e t e r s 绣黛焱衮斟 尉 4 1 1 7I I 2 I 口6 9 一9 砷‘’々‘ 一- J “7 3 31 4 2 7 2 1 1 6 1 舭7 1 ，3 。尉 1 5 0 j ‘I 7 5 07 5 08 0 08 08 0 07 5 07 5 0 J 一1 5 ’l _’ 5 4 0 0 图2 炮孔布置图 单位t o n i F i g ．2L a y o u to fb l a s t i n gh o l e s u n i t m n l 2 ．3 试验结果 按设计的掘进爆破方案和爆破参数进行了现场 试验研究，2 2 个循环，总进尺5 2 ．21 1 1 ，试验段掘进爆 破效果明显提高，循环进尺由原来1 ．7 ～2 ．0m 提高 到2 ．3 ～2 ．5m 。 试验段实际掏槽眼深度2 ．7 2 ．8m ，炮孔深度 2 ．5 ～2 ．7m ，循环进尺2 ．3 ～2 ．5m ，平均循环进尺 2 ．3 7m ，循环炮孔利用率基本在9 0 ％一9 5 ．0 ％之 间，平均炮孔利用率为9 4 ．8 ％，试验达到了预期的 效果。同时，采用水垫层装药，巷道成型效果明显改 善，超挖量减少，有效地降低了爆破对周边围岩的损 伤，更利于锚喷网支护。 表5 是试验前和试验段的爆破效果与材料消耗 对比。 由表5 可见，采用大直径炮眼和药卷后，每循环 爆破进尺提高了0 ．5 2m ，循环爆落岩石实体体积增加 9 ．8 9 5m 3 ，与试验前比均有较大的提高，虽然单次爆 破药量增加，但循环进尺和实际破岩量的加大使得炸 药单耗实际降低了0 ．3 4 1k g ／m 3 ，循环炮孔数量较试 验前减少1 7 个，雷管单耗减少了0 ．9 3 7 发／m 3 。 表5 试验前后综合爆破效果对比 T a b l e5B l a s t i n ge f f e c tb e f o r ea n da f t e rt e s t i n g 3 结论 煤矿硬岩巷道大直径炮孔中深孔爆破试验取得 了良好的效果，提高了循环进尺、改善了巷道成型、 降低了材料消耗，此为煤矿巷道掘进爆破之首试。 1 实测和计算结果证明，增大药卷直径能够 明显提高炸药爆速和增强爆破破岩强度，增大破碎 破裂范围。 2 采用大直径炮孔和药卷，增加了掏槽孔单 孔药量，更好地实现了底部集能爆破，提高了掏槽效 万方数据 第3 4 卷第1 期宗琦，马亚东，汪海波，等煤矿硬岩巷道掘进大直径炮孔爆破试验研究 率和其它炮孔的爆破效率，炮眼利用率由试验前的 8 4 ．1 ％提高到9 4 ．8 ％。 3 采用大直径炮孔和药卷，可进行更深炮孔 的中深孔爆破，循环进尺由原来1 ．7 ～2 ．0m 提高到 2 ．3 ～2 ．5m ，平均提高了0 ．5 2m 。 4 优化各段延期起爆时间，增大了辅助自由 面效应，提高了爆破效率，改善了破碎效果，降低了 抛掷作用。 5 周边孔采用咖3 5m m 药卷和水垫层轴向不 耦合装药结构，既可减缓爆炸冲击压力对孔壁周边 围岩的破坏，又能实现均匀爆破作用，避免眼底超挖 和眼口欠挖，保证了良好的光面爆破效果。 6 降低了炸药和雷管的消耗，节约了爆破 材料。 [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 杨仁树．我国煤矿岩巷安全高效掘进技术现状与展望 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 1 3 ，4 1 9 0 1 8 2 3 ． Y A N GR e n s h u ．P r e s e n ts t a t u sa n do u t l o o ko ns a f e t ya n d h i g he f f i c i e n th e a d i n gt e c h n o l o g yo fm i n er o c kr o a d w a yi n C h i n a [ J ] ．C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 3 ，4 1 9 0 1 8 2 3 ． i nC h i n e s e 夏红兵，徐颖，宗琦，等．深部大断面硬岩巷道掘 进中深孔爆破参数研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 8 1 4 4 5 2 ． X I AH o n g - b i n g ，X U Y i n g ，Z O N GQ i ，e ta 1 ．R e s e a r c ho n l o n g h o l eb l a s t i n gp a r a m e t e r si nl a r g ec r o s s - s e c t i o nr o a d - w a yh e a d i n g i nh a r dr o c ka t d e p t h [ J ] ．M e t a l m i n e ， 2 0 0 8 1 4 4 5 2 ． i nC h i n e s e 郝飞．坚硬岩石巷道中深孔掘进爆破实践[ J ] ．煤炭 科学技术，2 0 0 9 ，3 7 9 2 4 - 2 6 ． H A OF e i ．P r a c t i c e so nd e e pb o r e h o l eb l a s t i n gf o rm i n e r o a d w a yh e a d i n gi nh a r dr o c k [ J ] ．C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 9 ，3 7 9 2 4 - 2 6 ． i nC h i n e s e 余永强，王超，褚怀保，等．硬岩巷道中深孔爆破掘 进复楔形掏槽试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 2 9 5 - 9 9 ． Y UY o n g q i a n g ，W A N GC h a o ，C H UH u a i b a o ，e ta 1 ．D u p l e xw e d g ec u t t i n go nm i d - - d e p t hb o r e h o l et u n n e l i n gb l a s - - r i n gi nh a r dr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 2 9 5 - 9 9 ． i n C h i n e s e 宗琦，刘菁华．煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术 [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 3 ] 应用研究[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 3 5 3 9 ． Z O N GQ i ，L I UJ i n g h u a ．A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nc u t t i n g t e c h n o l o g yo fmi d d e e ph o l eb l a s t i n gi nc o a l mi n er o c k t u n n e l [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 4 3 5 3 9 ． i nC h i n e s e 戴 俊，杜晓丽．岩石巷道楔形掏槽爆破参数研究 [ J ] ．矿业研究与开发，2 0 1 1 ，3 1 2 9 0 9 3 ． D A IJ u n ，D UX i a o l i ．R e s e a r c ho nb l a s t i n gp a r a m e t e r so f w e d g e s h a p e dc u t t i n gf o rr o c k t u n n e ld r i v i n g [ J ] ．M i n i n g R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t ，2 0 1 1 ，3 1 2 9 0 - 9 3 ． i nC h i n e s e 黄文尧，颜事龙．炸药化学与制造[ M ] ．北京冶金工 业出版社，2 0 0 9 ． 陆明．提高硝酸铵炸药威力的途径研究[ J ] ．爆破器 材，2 0 1 1 ，4 0 5 1 4 ． L UM i n g ．S t u d yo nt h ei m p r o v i n gs t r e n g t hf o ra m m o n i u m n i t r a t ee x p l o s i v e [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 1 ，4 0 5 1 4 ． i nC h i n e s e 唐友生，孙德勇，罗比武，等．一种新型三级煤矿许用 乳化炸药的研制[ J ] ．爆破器材, 2 0 0 8 ，3 7 1 9 - 1 1 ． T A N GY o u s h e n g ，S U ND e y o n g ，L U OB i W U ，e ta 1 ．R e s e a r c ho nan e wc l a s s3c o a lm i n ep e r m i s s i b l ee m u l s i o n e x p l o s i v e [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 8 ，3 7 1 9 - 1 1 ． i nC h i n e s e 徐颖，宗琦．地下工程爆破理论及应用[ M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，2 0 0 1 9 - 1 4 ． 宗琦，任庆峰．煤矿硬岩下山巷道掘进中深孔爆破 技术试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 2 4 9 - 5 2 ． Z O N GQ i ，R E N Q i n g f e n g ．E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i d d e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g yi nd i p h e a dt u n n e lo fc o a l m i n eh a r dr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 1 ，2 8 2 4 9 5 2 ． i n C h i n e s e 高文乐，周奥博，张强．坚硬岩石巷道爆破掘进参 数优化[ J ] ．爆破，2 0 1 5 ，3 2 2 6 4 6 7 ． G A OW e n l e ，Z H O UA o b o ，Z H A N GQ i a n g ．P a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o no nt u n n e lb l a s t i n gi nh a r dr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 5 ，3 2 2 6 4 6 7 ． i nC h i n e s e 杨国梁，冯栋凯，冀文欢，等．不同掏槽形式成腔过程 比较数值分析[ J ] ．爆破，2 0 1 5 ，3 2 2 5 9 6 3 ． Y A N GG u o l i a n g ，F E N GD o n g k a i ，J IW e n h u a n ，e ta 1 ． N u m e r i c a la n a l y s i so fc o m p a r i s o no fc a v i t i e sf o r m a t i o nb y d i f f e r e n tc u t t i n gp a t t e r n s [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 5 ，3 2 2 5 9 6 3 ． i nC h i n e s e 万方数据