巨厚砾岩层爆破掘进快速建井技术.pdf
第3 0 卷第4 期 爆破 V 0 1 .3 0N o .4 2 0 1 3 年1 2 月B L A S T I N GD e c .2 0 1 3 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 3 .0 4 .0 1 0 巨厚砾岩层爆破掘进快速建井技术术 李廷春1 ,王超1 ,胡兆峰2 ,王庆伟2 ,尹燕霞1 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 .山东能源新汶矿业集团有限责任公司,泰安2 7 1 2 3 3 摘要立井建设投资大、施工周期长,快速建井技术对于缩短施工周期、保证煤炭生产连续性意义重大。 华丰煤矿中部立风井主要地层为巨厚砾岩层,在其建设过程中,不仅存在施工速度慢的问题,而且爆破掘进 时经常“揭不开盖”,出现爆破内部作用现象。针对以上问题,基于自由面的爆破效应原理,通过对自由面影 响掏槽效果的研究,利用不同深度分阶分段掏槽方式,解决了“揭不开盖”的难题。在设备配套和施工组织 管理方面,提出了施工机械“五大”配套方案,建立了施工人员的培养、施工设备的管理制度,通过采用多种 平行交叉作业方式,极大的提高了掘进速度。在华丰矿中部立风井的建设中,月进尺明显提高,最快达到 1 6 0m ,证明了该技术对提高掘进速度的有效性。 关键词 巨厚砾岩层;快速建井;掏槽技术 中图分类号T D 2 6 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 4 0 0 4 5 0 5 T e c h n o l o g yo fB l a s t i n ga n dE x c a v a t i o nF a s tM i n eC o n s t r u c t i o n i nG i a n tT h i c kG r a v e lS t r a t u m L /孔n g .c h u n l ,W A N GC h a 0 1 ,H UZ h a o - f e n 9 2 ,W A N GQ i n g .w e i 2 ,Y I Nr a n x /a 1 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 d M 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 .S h a n d o n gE n e r g yX i n w e nM i n i n gG r o u pC o r p o r a t i o nL t d ,T a i a n .2 7 1 2 3 3 ,C h i n a . A b s t r a c t T h es h a f ti sc o n s t r u c t e dw i t ht h ef e a t u r eo fl a r g ei n v e s t m e n ta n dl o n gc o n s t r u c t i o nc y c l e .R a p i dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ym e a I Sal o tt os h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o da n de n s u r et h ec o n t i n u i t yo fc o a lp r o d u c t i o n .H o w e v e r ,t h em a j o rs t r a t u mo fc e n t r a lv e r t i c a la i rs h a f ti sg i a n tt h i c kg r a v e ls t r a t u mi nH u a f e n gC o a lM i n e ,w h i c he x i s t s p r o b l e m so fs l o wc o n s t r u c t i o na n di n t e r n a le f f e c ti nb l a s t i n ga n de x c a v a t i o n .T os o l v et h e s ep r o b l e m s ,b a s e do nt h e p r i n c i p l eo ff r e es u r f a c eb l a s t i n ge f f e c t sa n dt h es t u d yo ff r e es u t f a c ee f f e c t i n gc u t t i n g ,d i f f e r e n td e e ps u b - p h a s e sc u t t i n gw a yi su s e d .I no r d e rt od r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ed r i v i n gs p e e d ,p r o g r a mo f “B i gF i v e ’’c o n s t r u c t i o nm a c h i n ei s p r o p o s e d ,s y s t e mo fw o r k e rt r a i n i n ga n de q u i p m e n tm a n a g e m e n ti se s t a b l i s h e da n dm u l t i p l ep a r a l l e lc r o s so p e r a t i o n m o d ei sa d o p t e di na n c i l l a r ye q u i p m e n ta n d .c o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t .T h es p e e do fc o n s t r u c t i o ni si m p r o v e ds i s , a m c a n t l ya n dt h ef a s t e s ts p e e dr e a c ht o1 6 0mi nt h eb u i l d i n go fc e n t r a lv e r t i c a la i rs h a f ti nH u a f e n gC o a lM i n e ,w h i c h p r o v e st h et e c h n o l o g yi se f f e c t i v e l yi ni m p r o v et h ee x c a v a t i o ns p e e d . K e yw o r d s g i a n tt h i c kg r a v e ls t r a t u m ;r a p i dm i n ec o n s t r u c t i o n ;c u t t i n gt e c h n o l o g y 收稿日期2 0 1 3 0 9 0 9 作者简介李廷春 1 9 6 8 一 ,男,教授、工学博士,主要从事裂隙岩石 力学特征方面的研究, E m a i l t c h l i s d 1 6 3 .c o i n 。 项目基金国家自然科学基金 5 1 2 7 9 0 9 6 ;山东省自然科学基金 Z R 2 0 1 2 E E M 0 3 0 井筒是采煤的重要通道之一,提高立井的建设 速度,缩短建井周期,尽早发挥投资效益,具有特别 重要的现实意义‘1 | 。在华丰煤矿中部立风井掘进 中,由于其地层为巨厚砾岩层,爆破掘进时经常“揭 万方数据 爆破2 0 1 3 年1 2 月 不开盖”,出现了爆破的内部作用现象,严重影响了 正常的施工循环。同时存在常见的立井施工速度慢 的难题,主要原因是施工设备落后、效率低下,造成 作业时间长、劳动强度大;施工管理缺乏科学性,严 重影响了劳动力和设备在时间和空间上的有效利 用。因此,立足先进掏槽技术,以增加进尺、提高掘 进速度;借助先进机械,提高施工速度和减小劳动强 度;通过科学施工组织管理方法,保证各工序有序进 行,对实现煤炭生产的接续性、高效性和节约型具有 非常重要的意义。 对于立井爆破掘进快速建井技术,许多学者进 行了研究。在掏槽技术方面,王仕林、倪世顺、宗琦 等对掏槽爆破理论及掏槽形式、掏槽参数进行了研 究口4o ;在机械化作业方式和施工管理方面,杜家 友、严家辉等讨论了快速建井的先进机械化配套设 备及适用条件∞’6o ;常进良、常进良等论述了立井井 筒快速掘进的施工管理组织模式0 7 8 I 。基于上述研究 成果,结合华丰煤矿中部立风井的断面、地层和施工 等情况,围绕巨厚砾岩层自身的特点,有必要深入研 究合理高效的掏槽爆破技术、适宜的机械化作业方式 和科学的施工管理方法,达到提高掘进速度的目的。 1 工程条件分析 1 .1 工程概况 华丰矿属低瓦斯矿,岩温高,一直依靠通风降 温。随着开采深度和范围的不断增大,风量需求增 加与通风阻力增大这一矛盾更加突出,预计在未来 的2 ~3 年之内矿井通风将成为制约矿井生产的瓶 颈问题,立风井建设迫在眉睫。 华丰煤矿中部立风井井口标高为 1 2 2 .5 5 1m ,井 底标高一5 7 3m ,井深为6 9 5 .5 5 1m ;根据通风能力和风 速要求,确定井筒净直径为5 .51 T I ,开挖直径为7 .0m , 井壁采用C 3 0 厚度为7 5 0m m 的钢筋混凝土结构。 1 .2 工程地质条件 根据钻孔所揭露的井筒岩层情况,中部立风井 上部覆盖厚度4 5 1 .4 0m 的巨厚砾岩层,钻孔采长 3 2 9 .0 3m ,采取率为7 3 * /.。主要岩性为砾岩,局部 夹红砂岩层,砾石主要成分为灰岩块、砂岩块,砾径 0 .5 5c m 不等,次棱角状至次圆状,钙质胶结,杂 基支撑,泥质充填。 1 .3巨厚砾岩层爆破掘进难题 由物理力学实验测得砾岩层岩石抗压强度较 高,达8 0M P a ,而泥岩、红砂岩层岩石抗压强度较 低,一般在2 0M P a 左右。由于岩层之间的强度差异 很大,在爆破掘进过程中,当炮孔穿过这种不同强度 的岩层时,爆破后下部泥岩、红砂岩软弱,上部的砾 岩层完好无损,即爆破“揭不开盖”,必须进行二次 爆破,严重影响了施工进度。因此,需要研究一种针 对此地层特征的掏槽技术。 2 巨厚砾岩层爆破掘进掏槽技术研究 2 .1 自由面的爆破效应 在工程爆破中,自由面可以降低爆破阻力、减少 爆破夹制作用,是影响爆破效果和经济效益的重要 因素一J 。炸药爆炸后,自由面附近的岩石既受到入 射压缩应力波的压应力作用,又同时受到反射拉伸 波的拉应力作用叫。两种应力波的合成应力为拉 应力,在自由面附近产生应力集中,使岩石处于受拉 状态。当合成拉应力达到岩石的动态抗拉强度时, 岩石被拉断而破碎,从而改善爆破效果。 2 .2 掏槽方式的优化 立井掘进工作面狭小,岩石所受夹制作用强,改 善掏槽效果是提高立井掘进效率的主要手段之 一【1 1 1 。在华丰煤矿中部立风井爆破掘进中,若采用 传统的直眼掏槽方式,炸药起爆产生爆生气体所形 成的高压被泥岩层所吸收,瞬间达不到一种高压状 态,炮眼上部砾岩层不会被挤压破碎,出现爆破内部 作用现象,即‘‘揭不开盖”。不能为后续爆破提供充 足的自由面,严重影响了正常的施工循环。 基于上述原因,需要对传统掏槽方式进行优化, 利用自由面的爆破效应原理,研究采用不同深分阶 分段直眼掏槽,如图l 所示,一阶、二阶为连续装药。 中部浅孔作为第一阶,由于炸药爆破的抵抗小,爆破 后首先解决了揭不开盖的难题,并为第二阶创造自 由面;周围深孔作为第二阶,主要作用是掏槽,为后 续炸药的起爆提供了充足的自由面。 炮泥 、 第 阶 装药 第第 、 』 一 阶阶 万方数据 第3 0 卷第4 期 李廷春,王超,胡兆峰,等巨厚砾岩层爆破掘进快速建井技术4 7 3 爆破参数计算方法 3 .1 炮孔数目 根据砾岩层矿山施工经验,炮孔数目Ⅳ用循环 药量炮孔均分计算方法[ 1 2 1 N K s g /r T I 凡’ 1 式中s 为筒状硐室断面面积,m 2 ;g 为单位炸药消耗 量,k g /m 3 ;r 为每米炮孔药量,k g /m ;为炮孔装药系 数;n ‘为补偿孔数,个;K 为断面系数。 3 .2 炮孔布置 为保证槽腔内岩石充分破碎,炮孔圈径、眼距必 须满足在径向裂隙区内。因此有下式成立[ 1 D c ≤2 R .P 和E ≤R P 2 式中D “E 分别为炮孔圈径和炮孔间距,m m ;R ,为 以各炮孔为中心径向裂隙半径,m m ,其值为 坚硬岩石时尺, b r 6 6 P d /S , Ⅳ“ 3 松软岩石时尺, r 6 P 。/S , ∽ 4 式中r 6 为炮孔半径,m m ;S ,为岩石抗拉强度,M P a ; b 为侧压力系数,b t ,/ 1 一u ,1 3 为岩石泊松比; d 为应力波衰减指数,O l 2 1 3 / 1 一t , ;P 。为孔壁 上的初始冲击压力,M P a ;P 。为炮孔内爆生气体准静 压力,M P a 。 3 .3 起爆顺序 ’ 根据华丰煤矿中部立风井建设中所遇到的难 题,爆破掘进首先需要揭开盖,在揭开盖的基础上掏 槽,扩大槽腔,由上到下、由内到外层层起爆。因此, 起爆顺序为分阶分段掏槽第一阶_ 分阶分段掏槽第 二阶_ 内层辅助眼一外层辅助眼_ 周边眼。 3 .4 起爆时差 根据上述掏槽方式和起爆顺序,起爆时差r 可 以定义为分阶分段掏槽第一阶炸药起爆揭开盖所经 历的时间。即 T L /D 2 b /C P x /L 5 式中£为孔内装药长度,m .;D 为孔内平均爆速或导 爆索爆速,m /s ;6 为炮孔间最大间距,m ;C ,为应力 波传播速度,m /s ;X 为炮孔最小抵抗线方向距离, m ;H 为平均抛渣速度,m /s 。 4 华丰煤矿中部立风井爆破技术方案 4 .1 爆破条件 炸药为满足中深孔爆破的要求,选用T 2 2 0 水胶 炸药,其主要技术参数为爆速3 7 0 0 。4 0 0 0m /s ,密 度1 .2 1 .3g /c m 3 ,猛度1 6 2 0m m ,殉爆距离3 0 ~ 2 0 0m m ,药卷规格选用t h 3 5 4 0 0m m 0 .5k g 。为 满足深孔起爆要求,雷管选用脚线长6m 的高精度 毫秒延期电雷管。 4 .2 爆破设计方案 1 炮眼深度。根据确定的成井速度,模板高 度为4 .2 8m ,循环进尺为3 .8m ,综合考虑采用 1 0 掘9 砌的施工工艺,并尽量减少井壁接茬,确定炮 眼深度4 .0m 。 2 炮眼数目。考虑井筒断面面积,根据式 1 循环药量炮孔均分计算法估算,确定N 8 9 个。 3 炮眼布置。根据式 2 一式 4 推导并结 合实践经验确定掏槽眼7 个,辅助掏槽及辅助眼 4 2 个,周边眼4 0 个;炮孔的圈径R , 5 0 0m i l l , R 2 1 4 0 0m m ,R 3 2 3 0 0m m ,R 4 3 3 0 0m m 。 4 装药结构及起爆顺序。掏槽眼、辅助眼、周 边眼采用反向装药结构;起爆顺序从掏槽眼到辅助 眼依次起爆,周边眼最末起爆,雷管从内向外逐次为 I 、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V 段起爆,并由式 5 推导,雷管段号 为1 、3 、5 、7 、9 ,隔段使用。 5 堵塞长度见图2 。爆破参数见表1 。 J J q 厂 f 6 { J j .j 虬 d ;星地谢 ● 乏i \ ● I 善 m 装奠 l ∥ \ I Ⅱ Ⅳ 扩 丌Ⅱ 图2 炮眼布置和封堵长度 单位m m F i g .2 T h eb l a s t - h o l ea r r a n g e m e n ta n dl e n g t ho f b l o c k i n g u n i t m m ] 万方数据 4 8 爆破2 0 1 3 年1 2 月 4 .3 应用效果 爆破后井筒成型较好,矸石块度均匀。每循环 掘进进尺3 .8m ,炮眼利用率达9 5 %以上,炸药单耗 为1 .4k g /m 3 ,解决了揭不开盖的难题,保证了掘进 工作顺利进行。 5 机械化作业线配套方式研究 快速建井施工的关键环节凿岩、装岩、提升运 输和井壁支护。经过几十年的不懈努力,我国立井 施工设备,已逐步发展成以伞形钻架、大斗容抓岩 机为主,配以大提升机、大吊桶、整体金属模扳、强 制式搅拌机等成套快速凿井设备3 | 。考虑大型机 械化配套施工设备之间保证科学合理匹配,主要 应保证炮眼深度与一次爆破矸石量、一次爆破矸 石量与装岩能力、装岩能力与提升能力、地面排矸 与提升能力、支护能力与掘进能力的匹配。根据 华丰矿中部立风井断面特点,为保证井筒快速、安 全地顺利建成,研究采用以下大型机械化配套 设备 ①打眼机具。采用性能较先进的S J Z 5 .6 系列 伞形钻架,同时配备Y G Z - 7 0 凿岩机。 ②装岩机械。采用H Z - 6 型中心回转式抓岩 机,其性能可靠、机动灵活,设计装岩能力为6 0m 3 /h 。 ③提升设备。提升机选择2 J K - 3 .6 /1 3 .2 3 型, 配4m 3 吊桶。 ④砌壁设备。为适应一掘一砌混合作业方式, 采用M J Y 系列整体移动金属模板,段高为4 .2 8m 。 ⑤混凝土搅拌及运输系统。采用了J S 一1 0 0 0 强 力搅拌机和P L D .1 6 0 0 A 配料机组合搅拌站,满足月 成井1 5 0 2 0 0m 的混凝土拌制需要。 6 科学施工组织方法研究 科学的施工组织方法,是建井实现快速、优质、 高效、低耗和安全的要求。华丰煤矿中部立风井建 设过程中主要应用以下科学的施工组织方法。 1 施工人员的培养。新工艺施工前,对职工 进行技术培训,使工人尽快掌握每一道工序及要求; 掘进施工中,人员配备上做到工种齐全、分工明确、 密切配合,各工程衔接紧密,有效地提高工效,培养 出尽可能多的多面手。 2 加强施工设备的管理。提高职工操作机械 设备的熟练程度,提高劳动效率,缩短循环时间,加 快施工速度。加强设备维护管理,实行包机、定人、 定岗维修,在每次交接班前完成机械设备的检修工 作,使设备处于1 0 0 %完好状态。例如,伞钻下井前 检查钻具各注油口是否灌满,油管各接头是否漏油, 并开动风马达试机;抓岩机每次提升、下放时要有专 人负责检查钢丝绳套、马蹬、连接装置;每日指定专 人对钩头、提升钢丝绳、提升悬吊连接装置等进行详 细检查等。 3 推广多工序平行交叉作业。根据一些快速 施工的经验0 7 ‘9J ,华丰矿中部立风井建设可实现平 行交叉作业的工序有交接班与工作面安全质量检 查平行作业;井口利用临时井架凿井和安装永久井 架同时进行;伞钻升井与装药、联线同时进行;清扫 炮眼、装药与搬离、保护设备和工具平行作业;管线 悬吊和浇筑砼同时进行;井下立模、砼浇筑工作与地 面伞钻检修工作同时进行;等等。 7 结论 选题以华丰矿中部立风井为背景,研究了巨厚 万方数据 第3 0 卷一第4 期李廷春,王超,胡兆峰,等巨厚砾岩层爆破掘进快速建井技术 4 9 砾岩层爆破掘进快速建井技术。取得成果如下 1 根据巨厚砾岩层岩层性质,分析钻眼爆破 掘进遇到的难题,基于爆破的自由面效应,对掏槽方 式进行优化,研究采用不同深分阶分段直眼掏槽方 式。起爆时由浅到深依次起爆,使得掏槽工作顺利 进行,为后续爆破提供充足的自由面,保证了掘进的 顺利进行。 2 根据华丰矿中部立风井断面特点并达到快 速施工的目的,研究采用大型机械化配套设备,即采 用大型伞钻、大型中心回转式抓岩机、大提升机、大 模板和大搅拌机的“五大”方案。同时各种设备的 生产能力相匹配,满足了正规循环要求。 3 科学的施工组织管理要求做到培养出高 素质、高水平的施工人员;加强对施工设备的维护和 管理;大力推广多种平行交叉作业方法,使尽可能多 的工序实现平行作业,提高施工速度。 4 快速建井技术应用于华丰矿中部立风井的 爆破掘进中,爆破后没有出现揭不开盖的现象,而且 掘进速度极大提高,循环时间由原来的2 2h 一个循 环,缩短到1 6h 一个循环,最快的1 2h 完成一个循 环,月成井最快1 6 0m 以上,六个月完成6 9 5m 深的 井筒建设,为企业创造了良好的经济和社会效益。 参考文献 R e f e r e n c e s El O ] [ 1 ] 路耀华,崔增祁.中国煤矿建井技术[ M ] .徐州中国 矿业大学出版社.1 9 9 5 . 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