聚能切割爆破技术在煤矿冻结管处理中的应用.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 5 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 2N o ．3 S e p ．2 0 1 5 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 5 ．0 3 ．0 2 6 聚能切割爆破技术在煤矿冻结管处理中的应用 吕小师1 ，李壮文1 ，刘瑞华2 1 ．河南理工大学土木工程学院，焦作4 5 4 0 0 0 ；2 ．江西省圣塔实业集团，赣州3 4 1 6 1 5 摘要煤矿冻结管在立井施工后期多作为注浆之用，但必须在地下某一深度将其切断，由于空间狭小没 有爆破作业面，只能从管体内部进行装药爆破切割。为了克服地压和水压对管体本身及爆破能量的影响，根 据上述工程特点设计环形聚能切割爆破方案。以焦作某矿回风井冻结管的爆破工程实践为例，介绍了该方 案中环形聚能切割弹的筒式结构形式、爆破器材选取、实际药量计算及起爆网路设计，并从安全施工的角度 阐述了切割弹的投放起爆操作注意事项及爆破施工安全措施，以供爆破同行借鉴参考。 关键词控制爆破；冻结管；聚能原理；切割；风井 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 5 0 3 0 1 4 6 0 4 A p p l i c a t i o no fC u m u l a t i v eC u t t i n gB l a s t i n gi n F r o z e nT u b e si nC o a lM i n e L VX i a o s h i l ，L IZ h u a n g 。w e n l ，L I UR u i ．h u a 2 1 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．J i a n g x iS h e n 昏aI n d u s t r yG r o u p ，G a n z h o u3 4 1 6 1 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef r o z e nt u b e si nc o a lm i n ea r ec o m m o n l yu s e di nt h ev e r t i c a ls h a f tc o n s t r u e t i o n ．w h i c hs h o u l db e c u tb e f o r eg r o u t i n go p e r a t i o nu n d e r g r o u n d ．W i t ht h en a r r o ws p a c ef o rb l a s t i n go p e r a t i o n ，t h eb l a s t i n gc u t t i n gi n s i d e t h et u b eW a Sa p p l i e d ．I no r d e rt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo fg r o u n dp r e s s u r ea n dw a t e rp r e s s u r eo nt h et u b ea n dt h e b l a S t i n ge n e r g y ，t h er i n gs h a p e dc u t t i n gb l a s t i n gs c h e m ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ． B a S e do nam i n ev e n t i l a t i o ns h a f ti nJ i a o z u o ，t h er i n gs h a p e dc u ts c h e m eW a Sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gb l a S t i n ge q u i p m e n t s e l e c t i o n ，c a l c u l a t i o no ft h ea c t u a lc h a r g e ，d e t o n a t i n gn e t w o r k ，t h eb l a s t i n gc o n s t r u c t i o ns a f e t ya n dp r e c a u t i o n so nt h i s b l a S t i n go p e r a t i o n ． K e yw o r d s c o n t r o l l e db l a S t i n g ；f r o z e nt u b e s ；c u m u l a t i v ep r i n c i p l e ；c u t t i n g ；w i n dw e l l 冻结法是地下工程施工方法中的一种辅助方 法，一般在遇到涌水、流砂和淤泥等地质条件时用该 方法来保证施工安全，既可避免在井筒开挖过程中 发生片帮事故，同时又大大减少了开挖工程量，在煤 矿工作井中运用较为广泛J 。 焦作某矿一新建的回风竖井就采用的冻结施工 方法。布置单圈冻结孑L ，孔数为3 0 个，孔深为2 0 0 ～ 收稿日期2 0 1 5 0 3 0 6 作者简介吕小师 1 9 7 5 一 ，男，山西晋城人。工程师、硕士研究生， 主要从事爆破工程教学研究方面的工作， E m a i l l v x i a o s h i h p u ．e d u ．c a 。 2 7 0m ，孔间距为1 ．5 2m ，距井筒筒身1 ．9 2m ，还布 置有数个监测孔。循环盐水冻结管选用的外径为 1 1 4m m ，壁厚6c m 的无缝钢管，钢管外为3 ～5m m 的泥浆层。现风井立井工程结束，需要施工井底平 巷和斜巷，为保证竖井安全及斜巷的正常施工，需对 该循环盐水管的部分进行爆破，然后注浆以保证后 续施工安全。 1 工程特点分析 1 爆破部位位于地面以下约2 0 0m 深处，没 万方数据 第3 2 卷第3 期 吕小师，李壮文，刘瑞华聚能切割爆破技术在煤矿冻结管处理中的应用 1 4 7 有爆破作业面，只能从内部装药，即选择在冻结管内 狭小空间内装药，进行切割爆破，给爆破施工作业带 来很大困难。 2 在地面以下约2 0 0m 深处，水位压力和地压 都很大，约2 ．5M P a 左右，冻结管受此压力会发生压 缩变形‘2o 。因此，如何使装药药包沿着冻结管内径顺 利到达指定爆破位置是本工程的一个施工难点。 3 爆破能量既要保证冻结管壁充分爆炸断 裂，还要克服地压和水压对其能量的消耗，但是在如 此小的内径内没有装药空间，必须使用高威力的猛 炸药，这无疑增加了爆破施工的技术难度。 4 一般此类爆破作业距离已经完成的井筒筒 壁较近，不足2m ，因此，施工时要严格控制炸药用 量，确保井筒筒壁不受任何损坏。 2 施工方案选择 针对以上工程特点，决定根据聚能切割原理设 计一个爆破筒式的环形聚能切割弹，使炸药爆炸时 在需开挖的斜巷位置的某个的水平面上聚集大量的 能量，使冻结管沿着该平面被切断，以保证后续施工 作业顺利进行口J 。 3 聚能切割原理 大量试验研究和施工实践证明，在装药一端设 计聚能穴，利用它可产生聚能效应，进而提高该端部 的局部破坏作用。其作用原理是利用聚能穴，在聚 能穴的锥孑L 内表面垂直方向可产生高速高压聚能 流，大大提高了对该方向上的局部破坏作用H 。。 如果把这种聚能流集中分布在圆环形对称轴 上，则在环向形成一种高速高压爆轰波，若用金属材 料制作聚能穴的罩体，就能在对称轴线上形成一股 高速、高压、高密度的具有很强穿透作用的金属射 流，如图1 所示。这样，在对称环线所经过的平面上 就产生了这种高速、高密度的环状放射性平面金属 射流，从而获得很强的横向切割能力“ o 。 4 爆破参数设计 4 ．1 爆破筒规格确定 根据提供的资料数据，按甲方的要求，爆破位置 最终选择在距地面约2 1 7m 深处，斜巷宽约3 ．9m ， 因此需要爆破切割2 3 根冻结管进行注浆处理，以 便给斜巷的施工提供方便的作业环境。 受约2 ．5M P a 以上水压和地压的影响，冻结管 内径不足1 0 2m m 。为了保证爆破筒能顺利地通过 管内到达爆破位置，设计爆破筒的规格为直径 8 9m m ，壁厚2m m ，长度约1 0 0 0m m 。 导线孔 密封盖 上部炸药 上部雷管 弹体 聚能流 主炸药 下部雷管 下部炸药 配重物 图1 聚能爆破筒剖面图 F i g ．1 T h ec r o s s s e c t i o no fs h a p e db a n g a l o r e 4 ．2 爆破器材选择 1 雷管。为保证雷管同时起爆，形成对称效 果好的聚能射流，选择相同电阻的瞬发电雷管。 2 炸药。为保证在高地压、水压下发挥炸药应 有的爆轰能量，选择单质猛炸药，如T N r I ’、黑索金等。 3 起爆器。受地压、水压的影响，雷管的起爆 能量就要相对高些，必须选择高起爆能的起爆器，如 M F ．2 0 0 0 型。 4 ．3 装药量设计 文献[ 6 ] 对聚能切割弹切割能力的分析研究指 出，满足切割能力的装药量是一个与弹壳材料、流固 耦合和边界条件有关的参数，受地下水压和地压以及 结构体的相互耦合作用，爆破作用呈现出极为复杂的 现象。实际操作时，根据本工程施工条件苛刻和周围 环境复杂的特点，考虑到爆破点距已经完成的井筒不 足2m ，而且聚能爆破筒无法与冻结管内径完全紧 贴，再加上地压和水压的影响，所以装药量要比设计 值稍大些，但又要保证不能破坏临近的井壁。 根据以往工程经验和钢管裸露药包爆破切割药 量计算公式‘7 o Q 2 5 盯如 1 式中Q 为T N T 炸药的装药量，g ；1 T 为圆周率，取 3 ．1 4 ；d 为钢管外径，c m ；6 为水管壁厚，c m 。 将d 1 1 ．4c m ，6 0 ．6c m 代入式 1 得 Q 2 5X3 ．1 4 1 1 ．4X0 ．6 0 ．5k ，实际装药 时选计算药量的2 倍，即Q 1 ．0k g 。 4 ．4 破坏半径核算 根据岩石扩径破坏半径经验公式计算旧J 万方数据 爆破2 0 1 5 年9 月 2 式中R 为最大径裂半径，m ；F 为炸药爆力系数旧J ， T N T 炸药为1 ．6 2 ．4 ，这里取2 ；K ．为岩石破坏系 数，这里取0 ．6 ；K 2 为装药容器材料系数，钢管取 0 ．9 ；K 3 为装药容器直径与井径差系数。 将Q 1 ．0k g 、F 2 、K ． 0 ．6 、K 2 0 ．9 、K 3 8 9 ／1 1 4 0 ．7 8 代入式 2 得R 0 ．4 8m 。 显然，该影响半径远小于2m ，因此爆破不会对 井壁造成破坏。 4 ．5 起爆网路设计 为了确保爆炸时形成高质量的聚能射流，保证 爆破效果，因此，起爆雷管的布置应严格对称于所设 计的切割平面上下对称布设，设置8 枚电阻相同的 瞬发电雷管，采用并串联起爆网路，如图2 所示H ⋯。 这样，确保爆破筒内炸药从两端同时起爆，向中间聚 能穴方向传爆，保证了爆破能量在环向聚能穴位置 的集聚，形成切割聚能射流。 图2 起爆网路示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fi n i t i a t i o nn e t w o r k 5 投放起爆操作 1 爆破筒制作好后，在施工现场进行装药，装 药结束后，将从导线孑L 预留出的雷管脚线和母线连 接好后，用防水胶带将接头包好。 2 将爆破筒固定在吊绳上，吊绳用4 钢3 铜 爆破线，同时为了保证下放操作安全，配一根备用起 爆线并在下放过程中保证其松弛状态川。 3 在投放过程中，要有统一指导，一人负责下 放吊绳，速度要均匀，同时有专人负责投放起爆线， 使其随着吊绳自然下放。投放绳要选择张拉性几乎 为零的钢丝绳或麻绳。 4 为保证投放位置的准备性，因此还要选择 一根张拉性几乎为零的钢丝绳或麻绳，随爆破筒一 筒一起下放，该绳上事先做好位置标记。 5 待爆破筒到达爆破位置后，固定吊绳和起 爆母线，所有人员迅速撤离到警戒区域外，然后由指 挥长下令起爆。 6 爆破安全措施 1 制作爆破筒应选择用无缝钢管，其强度高、 韧性大，聚能罩加工选用扇形板铜焊接、车床加工和 锻造等方法，条件许可的情况下最好选用铜质聚能 穴㈦。 2 由于爆破切割作业是在地面以下进行的， 受地下水影响较大，在制作爆破筒时应注意防水处 理。如在起爆药两端加一定量的防水乳化炸药；在 弹体密封盖的丝扣上、导线孔处涂抹5 0 2 强力胶进 行密封，等等。 3 起爆线路应尽量无接头，有接头时要用防 水胶带缠好，药包投放前和投放后均要对雷管及线 路的电阻进行检测，发现异常应立即停止爆破作业。 4 爆破施工应在甲方人员的监护下进行，所 有人员应远离冻结管口后方可起爆，为防止爆炸时 冲击波造成损坏，冻结管口上方的设备应进行移除。 5 爆破应在无雨、雾等不良天气的情况下进 行，起爆后应等待1 0m i n 后再检查爆破效果，然后根 据爆破效果制作炮弹进行下一个冻结管的爆破作业。 6 爆破作业应有应对异常情况或造成井壁影 响的应急预案，一旦发生应立即停止施工，在甲方人 员的配合下按应急预案进行处理，待险情排除后再 行施工。 7 几点体会 1 利用聚能原理制成的环向聚能切割弹，制 作方便，操作简单，对处理该类型无法到达的狭小空 问的工程爆破项目相当适用。 2 该类爆破必须一次成功，可以先配重试放， 在标记绳上做好位置标记，既可保证切割位置的准 确性，又可为弹体的投放操作带来方便。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 刘捷．冻结法施工在李楼铁矿副井施工中的应用 [ J ] ．现代矿业，2 0 1 1 1 1 1 1 3 - 1 1 4 ． [ 1 ] L I UJ i e ．A p p l i c a t i o no ff r e e z i n gm e t h o dc o n s t r u c t i o ni nL i ． 1 0 uI r o nM i n ea u x i l i a r ys h a f ti nc o n s t r u c t i o n [ J ] ．M o d e m M i n i n g ，2 0 1 1 1 1 1 1 3 - 1 1 4 ． i nC h i n e s e [ 2 ]王毅，毛东．爆破处理卡钻事故的实践[ J ] ．爆破， 2 0 0 0 ，1 7 2 4 0 4 1 ． [ 2 ] W A N GY i ，M A OD o n g ．P r a c t i c eo ft r e a t i n gj a m m e db i ta c c i d e n tb yb l a s t i n g [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 0 ，1 7 2 4 0 - 4 1 ． i n 万方数据 第3 2 卷第3 期 吕小师，李壮文，刘瑞华聚能切割爆破技术在煤矿冻结管处理中的应用 1 4 9 [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] C h i n e s e 石连松，宋衍吴，陈斌．聚能爆破技术的发展及研究 现状[ J ] ．山西建筑，2 0 1 0 ，3 6 5 1 5 5 ．1 5 6 ． S H IL i a n s o n g ，S O N GY a n h a o ，C H E NB i n g ．T h ed e v e l o p - m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fa c c u m u l a t i v eb l a s t i n gt e c h n o l o g y [ J ] ．S H A N X IA r c h i t e c t u r e ，2 0 1 0 ，3 6 5 1 5 5 1 5 6 ． i nC h i n e s e 戴俊．爆破工程[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 1 0 1 7 2 ．1 7 6 ． 罗勇，沈兆武，崔晓荣，等．多点聚能切割爆破新技 术[ J ] ．工程爆破，2 0 0 6 ，1 2 2 1 4 ． L U OY o n g ，S H E NZ h a o W 2 1 ，C U IX i a o - r o n g ，e ta 1 ．N e w t e c h n o l o g yo fc u m u l a t i v ec u t t i n gb l a s t i n g w i t hm u l t i p l e p e r f o r a t i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 6 ，1 2 2 1 - 4 ． i nC h i n e s e 吕小师，王光勇，苗子伟．被卡钻杆的环向聚能切割弹 爆破切割技术及应用[ J ] ．辽宁工程技术大学学报 自 然科学版 ，2 0 1 2 ，3 1 1 7 3 7 6 ． L VX i a o - s h i ，W A N GG u a n g y o n g ，M I A OZ i - w e i ．B l a s t c u t t i n gt e c h n o l o g yo fh o o pc a v i t ye f f e c tc u t t e rs h o tf o rr e c o v e r i n gs t u c kd r i l lp i p e [ J ] ．J o u r n a lo fL i a o n i n gT e c h n i - e a lU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c e ，2 0 1 2 ，3 1 1 7 3 - 7 6 ． i n C h i n e s e 汪旭光．爆破手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 11 7 1 4 5 ． 晏俊伟，龙源，唐献述，等．线型聚能切割器在不同 连接角度下切割能力的研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 5 9 [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] l 一4 ． Y A NJ u n w e i ．L O N GY u a n ，T A N GX i a n s h u ，e ta 1 ．S t u d y o ni n c i s i n ga b i l i t yo fl i n e a rs h a p e dc h a r g ec u t t e ra td i f f e r - e n tc o n n e c t i n ga n g l e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 5 9 1 4 ． i nC h i n e s e 周保顺，张立恒，王少龙，等．T N T 炸药爆炸冲击波的 数值模拟与实验研究[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 1 0 ， 3 0 3 8 8 - 9 0 ． Z H O UB a o s h u n ，Z H A N GL i h e n g ，W A N GS h a o l o n g ，e t a 1 ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o n T N Te x p l o s i o ns h o c kw a v e [ J ] ．J o u r n a lo fP r o j e c t i l e ， R o c k e t s ，M i s s i l e sa n dG u i d a n c e ，2 0 1 0 ，3 0 3 8 8 - 9 0 ． i n C h i n e s e 江德安，李晓杰，闫鸿浩．一种新型聚能爆破切割水 下废弃油井方法的探索[ J ] ．爆破器材，2 0 0 8 ，3 7 3 7 1 0 ． J I A N GD e - a n ，L IX i a o - j i e ，Y A NH o n g - h a o ．E x p l o r a t i o n o fan e wm e t h o do fe x p l o s i v ec u t t i n gd i s c a r d e du n d e r w a t e ro i lw e l l [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 8 ，3 7 3 7 一1 0 ． i nC h i n e s e 余永强，蔡鑫．控制爆破法处理深井卡钻事故[ J ] ． 工程爆破，2 0 0 9 3 3 1 - 3 4 ． Y UY o n g q i a n g ，C A IX i n ．R e m o v a lo fd r i l l - j a m m i n ga c c i d e n ti nd e e pw e l lb yc o n t r o l l e db l a s t i n gt e c h n i q u e [ J ] ． E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 9 3 3 1 3 4 ． i nC h i n e s e 中华人民共和国标准．G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 4 爆破安全规程 [ S ] ．北京中国标准出版社，2 0 1 4 ． 上接第9 4 页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 赵根，吴新霞，陈敦科，等．数码雷管起爆系统在三 峡三期碾压混凝土围堰拆除爆破中的应用[ J ] ．工程 爆破，2 0 0 7 4 2 1 - 2 5 ． Z H A OG e n ，W UX i n x i a ，C H E ND u n k e ．A p p l i c a t i o no f d i g i t a ld e t o n a t o r se n e r g yc o n t r o ls y s t e mt ob l a s t i n gd e m o l i t i o no fT G P ’S Ⅲ一P h a s eu p s t r e a mR C Cc o f f e r d a m [ J ] ． E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 7 4 2 1 2 5 ． i nC h i n e s e 卿伟，李 由．新型爆破器材在关子岭大断面隧道 施工中的应用[ J ] ．重庆交通大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 5 7 0 0 7 0 4 ． Q I N GW e i ，L IY o u ．A p p l i c a t i o no fn e wb l a s t i n gd e v i c e si n l a r g e c r o s s s e c t i o nc o n s t r u c t i o no fG u a n z i l i n gT u n n e l [ J ] ．J o u r n a l o f C h o n gQ i n gJ i a oT o n gU n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 5 7 0 0 7 0 4 ． i nC h i n e s e 张乐，颜景龙，李风国，等．隆芯l 号数码电子雷管 在露天采矿中的应用[ J ] ．工程爆破，2 0 1 0 4 7 3 7 6 ． Z H A N GL e ，Y A NJ i n g l o n g ，L IF e n g - g u o ，e ta 1 ．A p p l i c a - t i o no fL a xN o ．1d i g i t a le l e c t r o n i cd e t o n a t o ri na no p e n [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] p i tm i n e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 0 4 7 3 - 7 6 ． i n C h i n e s e 陈锋华，唐小再，汪竹平．电子雷管在船坞围堰爆破拆 除中的应用与思考[ J ] ．爆破2 0 1 1 1 1 0 4 1 0 6 ． C H E NF e n g - h u a ，T A N GX i a o z a i ，W A N GZ h u p i n g ．A p p l i c a t i o na n dd i s c u s s i o no fe l e c t r o nd e t o n a t o ri ne x p l o s i v e d e m o l i t i o no f d o c k y a r dc o f f e r d a m [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 1 1 1 1 0 4 1 0 6 ． i nC h i n e s e 刘星，徐栋，颜景龙．I - K o n 电子起爆系统[ J ] ．火 工品，2 0 0 4 4 4 5 4 8 ． L I U X i n g ，X UD o n g ，Y A NJ i n g - l o n g ．I - K o ne l e c t r o n i c b l a s t i n gs y s t e m [ J ] ．I n i t i a t o r s P y r o t e c h n i c s ，2 0 0 4 4 4 5 4 8 ． i nC h i n e s e 陈辉峻．电子雷管起爆系统研究[ J ] ．煤矿爆破， 2 0 1 2 2 8 - 1 1 ． C H E NH u i - j u n ．E l e c t r o n i cd e t o n a t o rd e t o n a t i n gs y s t e mr e s e a r c h [ J ] ．C o a lM i n eB l a s t i n g ，2 0 1 2 2 8 1 1 ． i nC h i n e s e 万方数据