超深孔一次和分段爆破成井技术试验.pdf

第2 9 卷第3 期 爆破 V o l j 2 9N o ．3 2 0 1 2 年9 月 B L A S T I N G S e p ．2 0 1 2 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 2 ．0 3 ．0 1 5 超深孔一次和分段爆破成井技术试验水 李廷春1 ，刘洪强1 ，张亮2 1 ．山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，青岛2 6 6 5 9 0 ；2 ．天津市高速公路管理处，天津3 0 0 2 4 0 摘要超深孔一次和分段爆破成井技术，机械化程度高，不需在井筒内进行爆破作业，是目前2 种比较先 进的筒状硐室施工方法。为进一步阐述2 种爆破技术的设计方法和施工工艺，并比较2 者的不同，在华丰煤 矿1 1 1 0 8 双矸石仓，结合实际施工条件，分别设计了一次和分段爆破成井2 种爆破开挖方案。爆破试验后， 基于深孔直眼掏槽爆破机理、应力波反射机理和应力波叠加原理，对爆破结果进行分析，得出结论在相同爆 破条件下，超深孔一次爆破成井技术较分段爆破成井技术，具有施工速度快、成本低、劳动强度小、环境污染 小、爆破效果好等优点。 关键词超深孔；一次成井；分段爆破；施工工艺；现场试验 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 2 0 3 0 0 6 1 一0 4 T e s to nT e c h n o l o g yo fS h a f tE x c a v a t i o nb yO n e - s t e p a n dS e g m e n t e dD e e p - h o l eB l a s t i n g L ／T i n g ．c h u n l ，L I UH o n g ．q i a n 9 1 ，Z H A N GL i a n 9 2 1 ．S h a n d o n gP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fC i v i lE n g i n e e r i n gD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dM i t i g a t i o n ， S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，C h i n a ； 2 ．T i a n j i nE x p r e s sW a yA d m i n i s t r a t i o nD e p a r t m e n t ，T i a n j i n3 0 0 2 4 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h em e t h o d so fs h a f te x c a v a t i o nb ys e g m e n t e da n do n e - s t e pd e e p - h o l eb l a s t i n g 黜s u i 3 e r i o rt oo t h e r m e t h o d sa tp r e s e n t ，o fw h i c ht h em e c h a n i z a t i o nl e v e li sh i g h e ra n dn ob l a s t i n gi nt h ew e l l h o l e ．I no r d e r ．t os t a t et h e d e s i g np r o c e d u r e sa n dc o n s t r u c t i o nc r a f to ft h et w ob l a s t i n gt e c h n i q u e ，t h et e s t sw e r ed o n ei nac o a lm i n e ．B a s e do n t h ec o n d i t i o n so fw a s t er o c ks t o r a g e sc o n s t r u c t i o n ．t w ok i n d so fb l a s t i n ge x c a v a t i o np r o g r a m sw e r ed e s i g n e d ．T h er e s u i t ss h o wt h a t ，o nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h eo n e s t e pb l a s t i n ge x c a v a t i o ni ss u p e r i o rt os e g m e n t e db l a s t i n ge x c a v a t i o n ． K e yw o r d s u l t r a ．d e e ph o l e ；o n e s t e ps h a f te x c a v a t i o n ；s e g m e n t e db l a s t i n g ；c o n s t r u c t i o nc r a f t ；i n - s i t ut e s t 超深孔一次和分段爆破成井技术，许多学者进 行了研究，并取得了诸多成果‘10 | 。实践已证明2 种爆破技术都能有效提高筒状硐室施工速度和安全 度。为了大力推广超深孔爆破技术，达到优选方案 的目的，基于超深孔爆破破岩基本理论，在相同施工 条件下，利用华丰煤矿1 1 1 0 8 双矸石仓展开试验。 收稿日期2 0 1 2 0 5 一1 3 作者简介李廷春 1 9 6 8 一 ，男，博士、副教授、硕士生导师，主要从 事岩石工程爆破及裂隙岩体力学特性方面的研究工作， E m a i l t c h l i _ s d 1 6 3 ．c o r n 。 基金项目中国煤炭工业协会计划项目 M T K J 2 0 0 9 - 2 8 7 进一步阐述一次和分段爆破成井的设计方法，比较 其在钻孔、装药、封堵、排矸等施工工艺及炸药消耗 量方面异同。 1 超深孔爆破破岩基本理论 超深孔爆破是深孔爆破的延伸，为了取得良好 的爆破效果，超深孔掏槽爆破破岩机理是不变的研 究主题，创造良好的自由面和提供破碎岩石的补偿 空间是超深孔爆破成功的关键。 1 ．1 超深孔直眼掏槽爆破机理 超深孔掏槽爆破时，在爆炸应力波和爆生气体共 万方数据 6 2爆破2 0 1 2 年9 月 同作用下，岩石将发生如下破碎过程①强大的冲击 波压应力使炮孔周围岩石瞬间受压破碎，并激活孔壁 附近岩石中的原生裂隙或产生新裂纹；②应力波使岩 石中的裂隙扩展，引起岩石进一步破裂，包括初始裂 隙的扩展和二次裂隙的形成；③爆生气体静压力作用 使岩石中的裂隙贯穿形成碎块，并使岩石成块或成片 向空孔和工作面方向运动，最后排出槽腔。 1 ．2 应力波反射机理及作用 炸药爆炸产生的应力波到达自由面时，初始压 缩波从自由面反射形成拉伸波，该波再由自由面向 孔内传播。虽然此时的拉伸波强度己经大为降低， 但由于岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，所以仍 然会引起岩体发生拉伸断裂，这一过程通常称为 “层裂”或“片落”。随着反射波向里传播，层裂产生 的裂纹与应力波产生的裂纹相交贯通，直至该范围 内的岩石完全破裂为止。 应力波反射的作用主要表现为①在孔口处产 生爆破漏斗。辅助孔和掏槽孔孔日产生的爆破漏 斗，能扩大爆破范围，并为后续爆破提供自由面和补 偿空间，有利于提高爆破效果；但周边孔孔口产生的 爆破漏斗，会造成围岩超挖现象，且破坏围岩的稳 定，单从此角度分析，减少周边孔分段爆破次数，有 利于保持围岩稳定。②使相邻分段炮孔处岩石发生 拉伸破坏，造成相邻分段空孔堵塞和分段处断面 不齐。 1 ．3 应力波叠加原理 应力波叠加原理，即先起爆的炮孑L 在岩体内形 成一个应力波作用区，岩石受压而产生变形和位移， 应力波不断向外传播，使先起爆炮孔作用范围内的 岩体遭受破坏，并且给一定范围内岩体以预应力。 在这种预应力尚未消失时，其余炮孔起爆，产生的应 力波传到与先起爆炮孔之间的岩体中，形成应力波 的增强与叠加，使岩体易于破碎，提高了爆破效果。 试验表明在深孔微差爆破中，后起爆药包较先起爆 药包滞后几十毫秒起爆，2 组深孔爆破产生的应力 波叠加，有利于改善爆破效果。 根据应力波叠加原理，利用微差爆破技术，实施 筒状硐室全断面、全深度一次爆破，有利于提高爆破 效果。 2 一次和分段爆破成井的对比试验 2 ．1 矸石仓地质条件 1 1 1 0 8 矸石仓共设计2 个，矸石仓 i 和矸石 仓 i i ，2 个矸石仓中心间距为3 0n l ，上部为1 1 1 0 8 ．矸石仓上绕道，下部为1 1 1 0 8 下平巷。掘进目的是 为形成1 11 0 8 采煤工作面的矸石回填系统。 2 矸石仓具有相同几何尺寸和施工条件。①矸 石仓规格垂直净高度为7 ．8m ，掘进直径为5 ．01 T I ， 荒断面积为1 9 ．6 3m 2 。②地质条件1 1 1 0 8 矸石仓 为铅垂穿层布置，取芯钻孔揭露地层岩性为粉砂岩 岩层，普氏系数为6 ～8 。③炸药主要指标使用煤 矿许用二级水胶炸药。其规格质量为1 0 0g ／个，直 径为2 7m m ，长度为1 5 0m m 。④现场钻孔直径空 孔为1 2 7m m ，其它为7 5m m 。 为验证该施工条件下超深孔爆破技术的可行性 和试验并修正爆破参数，决定矸石仓 i 采用分段 爆破成井技术，一分段爆破后，及时分析爆破效果， 修正爆破参数，然后进行其余分段的爆破，试验成功 后，再采用一次爆破成井技术对矸石仓 i i 进行爆 破施工。 2 ．2 爆破方案设计 2 ．2 ．1 掏槽方式的选择 为保证爆破效果，充分利用抛渣孔的自由面作 用和辅助抛渣作用，掏槽方式采用以中心抛渣孑L 和 4 个裂槽孔组成的含抛渣孔的菱形掏槽方式，裂槽 孔距抛渣孔距离分别为3 0 0m m 和4 0 0m m 。 2 ．2 ．2 起爆顺序与起爆网路 矸石仓 i 采用先下后上分2 段起爆，电雷管 段数为5 段，延期时间分别为0 、2 5m s 、5 0n l s 、7 5I r i s 和1 1 0m s ；矸石仓 i i 采用先下后上预裂爆破技 术，电雷管段数为7 段，延期时间分别为0m s 、 2 5m s 、5 0m s 、7 5m s 、1 1 0m s 、1 5 0m s 和2 0 0m s 。 为使每个药包准确起爆，每个药包设置2 个同 段并联雷管，然后再进行大串联。 2 ．2 ．3 爆破参数设计 1 分段装药高度的确定。应用利文斯顿爆破 原理和掏槽爆破理论，同时考虑对施工质量和补偿 空间的要求，2 矸石仓分段高度为第1 分段3 ．01 1 1 ， 第2 分段4 ．8m 。 2 炮孔布置和单位炸药消耗量的确定。根据 辅助孔和周边孔作用机理，并考虑补偿空间的要求， 确定辅助孔和周边孔的炮孑L 间距及抵抗线；掏槽孔 的单位炸药消耗量由修正的兰格福斯公式确定。 2 ．2 ．4 施工工艺 1 依据钻孔防偏斜及纠偏措施和装药注意事 项，保证钻孔和装药施工质量。 2 周边孔采用粗绳和塑料管辅助装药；抛渣 孔采用钢管抛掷爆破筒；炮孔下端利用木楔封堵法 封堵，其余部分采用炮泥和沙子封堵。 3 排矸采用集中式排矸方法，即在爆破前，预 计落渣位置，在矸石仓下部巷道安置若干条钢板或 万方数据 第2 9 卷第3 期李廷春，刘洪强，张亮超深孔一次和分段爆破成井技术试验 6 3 锁链，连接牵引钢丝绳，需要矸石下落时，沿倾斜巷 道向下合理拉动钢板或锁链，控制矸石仓内的矸石 下落高度，支护完成后集中出渣。 2 ．32 种爆破方案的主要区别 2 ．3 ．1 爆破参数 超深孔分段爆破成井技术炸药消耗量为 4 6 0 ．5k g ，单位炸药消耗量为3 ．0k g ／m 3 ； 超深孔一次爆破成井技术炸药消耗量为 4 3 6 ．5k g ，单位炸药消耗量为2 ．8 5k g ／m 3 。 2 ．3 ．2 施工顺序 1 分段爆破成井技术施工分2 步 。孓‘4 9 牟, 9 足2 1 心2 2 3 7 ， f 。。f1 7 ～r r i 3 5 ＼1 氏 矿4f 芬 。寸～t i 扎s } 明 图1 分段爆破成井炮孔布置示意图 单位m F i g ．1A r r a n g e m e n td i a g r a mo fb l a s t h o l eo fs h a f t e x c a v a t i o nb ys e g m e n t e db l a s t i n g u n i t m 3 爆破效果及分析 应用2 种爆破方案，顺利完成了2 个矸石仓施 工，通过试验证明，一次爆破成井技术较分段爆破成 并技术更优越，主要表现在 1 施工速度快。本次试验一次爆破成井较分 段爆破成井节约时间7 0 ％左右。原因在于①分段 爆破成井清孔困难。根据应力波反射机理，第1 分 段爆破时，中间封堵范围内岩石破碎，下次爆破前必 须先进行清孔，才能顺利装药，清孔花费时间约5h 。 ②分段封堵困难。一方面木楔封堵存在一定难度， 下端封堵一测深 保证装药在同一深度 _ 第1 分段装药一中间封堵_ 联线起爆； 清理炮孔_ 测深一中间封堵一测深_ 第2 分段 装药_ 上端封堵_ 联线起爆_ 排矸、支护。 2 一次爆破成井技术施工顺序 下端封堵_ 测深_ 第1 分段装药。中间封堵叶 测深_ 第2 分段装药。上端封堵_ 联线起爆一排 矸、支护。 分段爆破成井技术炮孔布置和炸药消耗量如 图1 、表1 和表2 所示；一次爆破成井技术炮孔布置 和炸药消耗量如图2 、表3 、表4 和表5 所示。 3 矿 ＼2 3 图2 一次爆破成井炮孔布置示意图 单位m F i g ．2A r r a n g e m e n td i a g r a mo fb l a s t - h o l eo fs h a f t e x c a v a t i o nb yo r l e - s t e pb l a s t i n g u n i t m 分段爆破增加了一次木楔封堵工序；另一方面，第2 分段爆破时，炮孔下端破碎，封堵难度增大。 2 成本低。一次爆破成井炸药、导线等爆破 器材消耗量减少，工人工时减少，降低了成本。 3 劳动强度小。一次爆破成井不需清孑L ，木 楔封堵次数减少，降低了劳动强度。 4 环境污染小。一次爆破成井炸药消耗量减 少，降低了有毒气体和粉尘污染。 5 爆破矸石块度均匀，硐室成型好。①根据 应力波叠加原理，一次爆破成井，炸药有用功比例较 分段爆破成井大；②分段爆破时，2 分段很容易造成 万方数据 6 4爆破 2 0 1 2 年9 月 装药不在一个高度，降低了炸药共同作用效果。 表1 第1 分段爆破参数表 I1 ．Table 1 B l a s t i n gp a r a m e t e r st a b l eo ft h et h ef i r s ts e g m e n t s ，．二 炮孔装药封堵蓬廑』婴 段孔 装药量』虹 起爆 扎々 名称 参数／m m上下深／i n每孔孔数总量 顺序． 0 抛渣 5x 2 7 4 ．63 ．03 ．00 ．5 10 ．53 3 。4 裂槽 5X 2 70 ．80 ．9 3 ．07 ．021 4 ．01 1 。2 ， 裂槽 5 2 7 0 ．80 ．93 ．07 ．02 1 4 ．01 5 ～1 2 辅助 5X 2 71 ．01 ．0 3 ．06 ．585 2 ．02 1 3 ～2 0 辅助 5 2 71 ．0 1 ．03 ．06 ．585 2 ．0 4 2 1 ．4 0 周边 2X 2 71 ．1 1 ．23 ．02 ．42 04 8 ．05 、 表2 第2 分段爆破参数表 I T a b l e2B l a s t i n gp a r a m e t e r st a b l eo ft h es e c o n ds e g m e n t ，。。 炮孔装药挝缝长廑』堡 段孑L 装药量』虹 起爆 鱼签 叁耋墅竺竺土 i 墼竺 墨至 至 墼 垦量堡壁 0抛渣00 4 ．8． 。，t 3 ，4 裂槽 5 2 7 0 ．70 ．84 ．81 1 ．0 22 21 1 。2 裂槽 5X 2 7 0 ．70 ．84 ．81 1 ．O 22 21 5 。1 2 辅助 5 2 7 0 ．81 ．04 ．81 0 ．088 0 3 1 3 ～2 0 辅助 5X 2 70 ．81 ．04 ．8 1 0 ．088 04 2 l 。4 0 周边 2X 2 70 ．9 1 ．14 ．83 ．82 07 6 5 表3 第1 分段爆破参数表 Ⅱ T a b l e3B l a s t i n gp a r a m e t e r st a b l eo ft h et h ef i r s ts e g m e n t s ，，。 炮孔装药 封堵筮廑』里 段孔 菱药量』虹 起爆 扎々 名称参数／m m 上下深／m每孔孔数总量 顺序 0 抛渣 5X 2 74 ．63 ．0 3 ．00 ．510 ．53 3 ，4 裂槽 5X 2 7 0 ．91 ．03 ．06 ．52 1 3 ．02 1 ～2 裂槽 5 2 70 ．91 ．03 ．0 6 ．521 3 ．02 5 ～1 2 辅助 5X 2 71 ．1 1 ．23 ．06 ．08 4 8 ．03 1 3 ～2 0 辅助 5X 2 71 ，11 ．23 ．06 ．0 84 8 ．04 表4 第2 分段爆破参数表 Ⅱ T a b l e4 B l a s t i n gp a r a m e t e r st a b l eo ft h es e c o n ds e g m e n t ，．。 炮孔装药塾塑拯廑』里 段孔鳖堑量』虹 起爆 鱼整叁型竺竺占翌竺 堡至 至 塑 望重 堡壁 0抛渣00 4 ．8 10 3 。4 裂槽 5X 2 70 ．80 ．94 ．8 1 0 ．522 15 1 ～2 裂槽 5X 2 70 ．80 ．9 4 ．8 1 0 ，5 22 15 5 。1 2 辅助 5X 2 70 ．91 ．1 4 ．89 ．587 66 1 1 二 Q塑墅 兰 竺 兰 i 表5 周边孔爆破参数表 Ⅱ T a b l e5 B l a s t i n gp a r a m e t e r st a b l eo ft h es u r r o u n d i n gh o l e s ，．。 炮孔装药 塾墙量廑Z 望 段孔 装药量[ 虹 起爆 鱼签叁型竺里占． 望翌竺堡至 至 塑璺量 堡壁 2 1 ～4 0 周边 2X 2 71 ．6 1 ．77 ．862 0 1 2 01 4 二结论 通过一次爆破成井和分段爆破成井技术的试验 研究和理论分析，可以得出如下结论 下转第1 2 2 页 万方数据 1 2 2 爆破2 0 1 2 年9 月 上接第6 4 页 1 在基本条件、掏槽方式、分段高度、炮孔布 置等方面相同的前提下，一次和分段爆破成井在起 爆顺序、施工工艺、炸药消耗量等方面有较大差异。 2 通过对比一次和分段爆破成井在清孔、装 药、封堵等施工工艺的不同，可见分段较一次爆破成 井难度大。 3 基于深孔直眼掏槽爆破机理、应力波反射 机理和应力波叠加原理，对2 种爆破技术进行比较 分析，得出一次爆破成井较分段爆破成井具有施工 速度快、成本低、劳动强度小、环境污染小、爆破效果 好等优点。 4 在华丰煤矿1 1 1 0 8 双矸石仓，通过合理运 用2 种爆破技术，顺利完成了2 个矸石仓的施工，较 木垛法、钻井法等其它施工方法提高了施工速度和 安全度，证明了超深孔爆破技术的优越性。 参考文献 R e f e r e n c e s 】 [ 1 ]蒋跃飞．盲天井深孔爆破一次成井掏槽方式试验研究 [ D ] ．昆明昆明理工大学，2 0 0 6 ． [ 2 ] 刘殿中，杨仕春．工程爆破实用手册[ M ] ．2 版．北京 冶金工业出版社，2 0 0 3 ． [ 3 ] 于亚伦．工程爆破理论与技术[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 4 ． [ 4 ] 周传波．深孔爆破一次成井模拟优化与应用研究[ D ] ． 武汉中国地质大学，2 0 0 6 ． [ 5 ] 危时安．爆破一次成井技术在漂塘钨矿的应用实践 [ J ] ．中国钨金，2 0 0 6 ，2 1 2 驻．1 4 ． [ 5 ] W E IS h i a n ．A p p l i c a t i o no fw e l ld r i l l i n gt e c h n o l o g yo n c e o fb l a s t i n gi nP i a o t a n gt u n g s t e nm i n e [ J ] ．C h i n aT u n g s t e n I n d u s t r y ，2 0 0 6 ，2 1 2 1 2 1 4 ． i nC h i n a [ 6 ] 张奇，李加庆．深孔爆破成井在召口分矿的应用 [ J ] ．山东冶金，2 0 0 9 4 3 8 - 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