煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术应用研究.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．4 D e c ．2 0 1 0 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 0 ．0 4 ．0 0 9 煤矿岩石巷道中深孑L 爆破掏槽技术应用研究母 宗琦，刘菁华 安徽理工大学土木建筑学院，淮南2 3 2 0 0 1 摘要 中深孔爆破技术以其显著的优点而被认为是目前煤矿井下岩石巷道掘进首选的爆破技术。为提 高单循环进尺和掘进速度，在满足煤矿井下爆破安全要求的前提下，通过对直眼掏槽、斜眼掏槽等各种掏槽 方式进行分析研究，提出应尽可能简化掏槽形式。以实例证明，菱形直眼掏槽和加强的楔形斜眼掏槽均能获 得较好的掏槽效果。 关键词掏槽爆破；加强楔形掏槽；煤矿岩石巷道；中深孔爆破 中图分类号T I Y 2 3 6文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 0 3 5 一0 5 A p p l i c a t i o nR e s e a r c ho nC u t t i n gT e c h n o l o g yo fM i d - d e e p H o l eB l a s t i n gi nC o a lM i n eR o c kT u n n e l Z O N GQ i ，L I UJ i n g h u a 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 T h em i d d e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g yw i t I Ii t ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si sc o n s i d e r e da st h ep r e f e r r e d t e c h n o l o g yi nc o a lm i n er o c kt u n n e l i n g ，I no r d e rt oi m p r o v i n gd r i f t i n gf o o t a g ea n dd r i f t i n gs p e e d ，a n ds a t i s f y i n gt h e s a f ；t yu n d e r g r o u n db l a s t i n gi nc o a lm i n e ，t h ep a r a l l e lc u t ，i n c l i n e dc u ta n do t h e rc u t t i n gt y p e sw e r ea n a l y z e da n dw e p r o p o s es i m p l i f yt h ec u t t i n gt y p ea 8f a r 鹊p o s s i b l e ．B o t hd i a m o n ds t r a i g h tc u t t i n ga n ds t r e n g t h e n i n gw e d g eI n c l i n e d c h a n n e lw e r ep r o v e dg e tb e t t e rc u t t i n gr e s u l t sw i t he x a m p l e ． K e yw o r d s c u tb l a s t i n g ；s t r e n g t h e n i n gw e d g ec u t ；c o a lm i n er o c kt u n n e l ；m i d - d e e ph o l eb l a s t i n g U 引吾 煤矿井下爆破，由于受瓦斯的影响，所用爆破材 料、器具和装药结构等受的严格限制，如煤矿井下只 能采用总延迟时间不超过1 3 0m s 的毫秒电雷管、高 级及沼气突出的矿井只能采用三级煤矿炸药、炮孔 不允许采用空气不耦合装药等等，严重制约了煤矿 岩石巷道、特别是坚硬岩石巷道的掘进爆破。因此， 收稿日期2 0 1 0 0 4 ～2 9 作者简介宗琦 1 9 6 2 一 ，男，安徽理工大学土木建筑学院教授， E - m a i l q z o n g a u s t ．e d u ．c n 。 基金项目安徽省自然科学基金 0 9 0 4 1 4 1 7 5 ；安徽省高校自然科学 研究重点项目 K J 2 0 0 9 A 1 4 0 ；安徽省高校科技创新团队 T D 2 0 0 7 0 5 目前浅眼 孔深1 ．6 1 ．8m 爆破仍是煤矿井下岩石 巷道掘进较常用的爆破作业方式，但循环转换过程中 工艺重复多，相对增加了辅助作业时间，如放炮通风 时间、工作面清理及各工序准备时间等，成本高、工效 低等。中深孔掘进爆破技术则可减少辅助作业时间， 提高单循环进尺，因而被认为是加快掘进速度最为有 效的技术手段之一，也是目前岩巷掘进爆破的发展方 向，国内已有较多的煤矿井下岩石巷道采用中深孔光 面爆破技术[ 1 。5 1 。但是在煤矿安全规程规定之内， 如何在就现有凿岩设备和生产技术条件进行岩巷掘 进中深孔爆破，以提高爆破效率、改善爆破效果、增加 单循环进尺，仍是要深入研究的难题。通过理论研究 与实践应用相结合，研究煤矿岩巷掘进中深孔爆破技 万方数据 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 术，重点探讨掏槽爆破技术。 1 掏槽爆破破岩过程 掏槽爆破的作用是在巷道掘进工作面形成一个 新自由面，为后继炮孑L 的爆破创造有利条件，因此要 求掏槽跟爆破后，应将槽腔内的岩石充分破碎并抛 出腔外。掏槽爆破岩石破碎及槽腔的形成过程是 首先，由于各掏槽炮眼装药同时起爆，在岩石中产生 应力波并相互作用，使槽腔内的岩石破裂，而后爆生 气体产物渗入新生成的岩石裂缝引起裂缝进一步扩 展和延伸，纵横交错的裂缝将槽腔内的岩石充分割 裂和破碎，爆生气体的继续推动作用造成槽腔内破 碎岩石向巷道的移动和抛掷，形成掏槽槽腔。 2 掏槽形式 岩巷掘进所采用的掏槽形式应在保证获得良好 的爆破效率的前提下，掏槽眼越少越好。目前，从国 内外岩石巷道掘进爆破研究和应用实例来看，浅眼 时最常用的是掏槽形式仍是垂直楔形掏槽，它可以 充分利用工作面这一唯一的自由面，以较少的炮孔消 耗和炸药消耗，获得较大的掏槽面积和槽腔体积。而 中深孔爆破，当巷道断面较小时斜眼楔形掏槽的应用 就受到了巷道断面宽度的限制，此时可采用直眼掏 槽，直眼掏槽的形式有多种，较为常见的有菱形掏槽、 角柱掏槽、螺旋掏槽等多种挣7 。。各种直眼掏槽形式 的共同特点是利用数量不等的平行空眼作为首爆装 药眼的辅助自由面和破碎岩石的膨胀补偿空间。 当巷道断面较大时，还可采用楔形斜眼掏槽、直 眼和斜眼复合式掏槽 线形和垂直楔形、菱形和垂 直楔形复合 、双楔形掏槽等p t 8 J 。 对于孔深超过3 ．0m 时，笔者认为更为有效的是 阶段直眼掏槽和孔内分段直眼掏槽，前者是将掏槽眼 沿深度分成两阶段，不同掏槽眼的眼底位于不同的平 面上，按由浅入深的顺序分阶段进行掏槽。后者则是 在掏槽装药炮眼内实施上下两分段，分段装药间以一 定长度的炮泥相隔，由外向内顺序起爆一J 。 两种直眼掏槽方式的掏槽机理是一样的，前分段 掏槽 或上分段装药 爆破后，在应力波和爆轰气体的 综合作用下，槽腔内岩石被破碎并向工作面方向推 移，形成漏斗形槽腔，为后分段掏槽 或下分段装药 创造了个新自由面，并由此改变了深部岩石所受的 夹制作用，使其强度降低，有利于岩石的爆破破碎和 运动。同时还造成下分段岩石中的残余应力和大量 的爆生裂隙以增强岩石的破碎。分段间装药微差起 爆，也改善了炸药爆炸能量与岩石破碎的匹配关系， 使更多的能量用于岩石破裂破碎和更少的能量用于 碎块的抛掷。但由于这2 种掏槽方式相对复杂，煤矿 井下在炮眼深度3 ．0m 以内时采用较少。 经过研究认为岩巷掘进中深孑L 爆破采用的掏槽 方式应考虑如下原则 1 掏槽形式越简单越好。直眼掏槽中菱形掏 槽、三角柱和四角柱掏槽等虽然在理论上不及螺旋 掏槽，但其结构简单，易掌握，且只用l 一2 段雷管。 巷道断面较大时可采用楔形掏槽。 2 掏槽形式要能保证获得较大的槽腔表面积 和较高的炮眼利用率。这样才能为后爆炮眼创造更 为充分的自由面。楔形斜眼掏槽具有此优点。 3 直眼掏槽时，先爆炮眼应有较多的空眼辅助 自由面。空眼越多、空眼直径越大，对掏槽效果越有 利，既能提供更多的辅助自由面，又能为破碎岩石提 供更多的补偿空间。 4 因煤矿井下对使用雷管总的延迟时间强限 制的情况下，可用雷管只有5 段。因此，掏槽爆破不 能占用较多的雷管段别。 故此，直眼掏槽中菱形掏槽较为实用，当巷道断 面较大时，楔形掏槽可获得较大掏槽体积，应优先采 用，为增强槽腔中岩石的爆破作用和破碎效果，提高 掏槽效率和避免形成岩石大块，楔形掏槽中布置 2 3 个直眼 与其他掏槽眼同深为好，同样装药，同 段雷管起爆 ，即构成楔形斜眼和中心直眼复合的 混合掏槽方式，或称加强的楔形掏槽。这样做还能 增加槽眼底部的炸药集中度，增强底部岩石破碎。 3 掏槽爆破技术的现场应用 3 ．1 菱形直眼掏槽形式的应用 3 ．1 ．1 工程概况 淮北刘店煤矿北翼东回风大巷断面形状为直墙 拱形，净宽4 ．8m ，净高3 ．8m 采用锚喷网支护， 西2 0l l L i nx1 0 0m l n 的高强锚杆，喷层厚度1 5 0I n m ，因 此掘进宽度5 ．1m ，掘进高度3 ．9 5m ，掘进断面积 1 7 ．3m 2 。 据巷道掘进揭露的岩层并预测，该巷道主要岩 性以粉砂岩、细砂岩、铝质泥土为主，其他还有少量 的中砂岩，砂质泥岩和泥岩等。在巷道掘进中深孔 爆破应用试验研究期间的岩性主要是砂岩，青灰色， 含少量石英成分，整体性好，裂隙少，岩石坚固性系 数f 6 8 ，较为坚硬难爆。 采用Y T - 2 8 型气腿式风动凿岩机钻眼，配 2 ．5 2 ．8i n 长度钎杆，直径3 2m m 和4 0I n i n 的柱齿 形钎头，三级煤矿安全炸药，药卷直径西2 7I n m 和 万方数据 第2 7 卷第4 期宗琦，刘菁华煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术应用研究 3 7 咖3 5m m ，1 5 段毫秒延期电雷管。 3 ．1 ．2 爆破参数 1 炮眼深度炮眼直径 合理的炮眼深度要与钻孔机械相适应。根据已 有的研究资料和我们长期的生产实践经验怕1 ，岩巷 掘进时，若使用普通气腿式凿岩机，炮眼最大深度宜 控制在2 ．5 2 ．8m 以内，岩石更坚固 坚固性系数 ， 1 0 时，眼深更不宜超过2 ．5m ，否则钻孔速度将 大为降低。若采用液压凿岩台车，则可加大炮眼深 度。合理的炮眼深度还应与循环作业方式相适应， 即合理的炮眼深度应能保证每班完成整循环，并能 保证实现正规循环作业，我们采用的是每班一循环。 再综合考虑炸药威力等，设计炮眼深度为2 ．3r n 。 增大装药直径，可以提高炸药的爆速和爆轰压 力以及爆轰的稳定性，亦即能提高炸药的有效爆破 威力，加大对岩石的破坏强度。因此，坚硬岩石掘进 爆破采用三级煤矿许用水胶炸药时，应采用较大炮 眼直径和药卷直径。但增大炮眼直径却降低了钻孔 的速度，导致钻孔工时的增加。经综合分析认为，炮 孔直径和药卷直径可根据炮孑L 种类和作用不同，而 采用不同的值，掏槽眼和辅助眼 辅助掏槽眼 直径 咖4 0m m ，对应药卷直径咖3 5m m ，周边眼和崩落眼 直径币3 2m m ，对应药卷直径咖2 7m m 。这样既能 很好的破碎岩石，又能提高巷道成型质量，还可减少 工作面钻眼工作时间。 3 ．1 ．3 掏槽爆破参数 采用等边菱形直眼掏槽，中心设置1 个空眼 装水炮泥 ，炮眼间距2 0 0m m ，眼深2 ．5m 超出其 他炮眼2 0 0r a i n ，单眼装药量4 卷 1 ．4k g ，所有槽 眼装药同用一段雷管 1 段 起爆。 3 ．1 ．4 周边光面爆破参数和装药结构 周边眼拱部眼眼距在3 5 0 4 0 0m m ，帮眼眼距 4 0 0m m ，最小抵抗线5 0 0t u r n ，实际炮眼密集系数 m 0 ．7 ～0 ．8 ，装药集中度2 5 0 3 0 0g ／m 。采用 咖2 7l n I n 直径的药卷轴向不耦合装药，装药时，先连 续装填至设计药量，再装入5 ～6 个水炮泥，最后孔 口用炮泥封实。 具体爆破参数见表l 。 表1 刘店矿爆破参数表 T a b l e 1B l a s t i n gp a r a m e t e r so fL i u d i a nm i n e 说明掏槽眼和辅助眼采用咖3 5I n t o 药卷，规格咖3 5m ．1 nx 3 3 0m mx 3 5 0g ；周边眼和崩落眼采用咖2 7m i l l 药 卷，规格‘b2 7m m 4 3 0m i l l 3 0 0g 。 3 ．1 ．5 爆破效果 精心组织实施，严格按要求作业。北翼东回风 大巷的单循环进尺、掘进速度租成巷质量都有较大 提高。据我们的实测和统计 连续统计了3 1 个循 环，总进尺6 2 ．5m ，炮孔深度2 ．1 2 ．3m ，多数 2 ．2m 、2 ．3m ，炮跟利用率都在8 5 ％以上，多数在 9 0 ％以上，平均炮眼利用率9 0 ．2 ％，平均循环进尺 2 ．0 2m 。因岩石坚固性较高，自身承载能力强，且巷 道周边采用光面控制爆破技术，爆破对巷道围岩的 破坏较小，巷道稳定性高。在爆破材料消耗方面，平 均炸药单耗为1 ．6 8k g ／m 3 ，雷管单耗为2 ．0 6 发／m 3 。 工作面岩石破碎充分，爆破块度均匀，大块率很低， 爆堆也较为集中，大量岩石的抛掷距离被控制在 6 1 5m 的范围内，这就大大减少了人工清矸清道 的工作量，利于装岩机倒矸和装岩，同时也有效地保 护了巷道掘进设备和器具免受崩石的撞击破坏。再 配以合理有效地调车方式，保证空车及时供应，提高 了装岩机的装岩工时利用率和装岩生产率。 3 ．2 楔形掏槽形式的应用 3 ．2 ．1 工程概况 淮南潘三煤矿一水平东三采区1 5 6 2 3 底抽巷 为直墙拱形断面，巷道净宽4 ．4m ，净高3 ．4m ，其中 万方数据 爆破2 0 1 0 年1 2 月 墙高I ．2m ，净断面面积1 2 ．8 9m 2 ，巷道采用锚喷网 联合支护方式，高强金属锚杆，直径咖3 2r n m ，长度 2 ．2m ，喷层厚度1 0 0m i l l ，因此，巷道掘进宽度 4 ．6m ，掘进高度3 ．5m ，掘进断面面积1 3 ．8 3m 2 。 巷道穿过岩层主要为中细砂岩，灰白色。含少量 石英成分，整体性好，裂隙少，较为坚硬难爆，其坚固 性在， 8 左右。 采用Y T - 2 8 型气腿式风动凿岩机钻眼，钎杆长 度2 ．5m 、2 ．8m 两种，球齿形钎头，直径3 2m m 和 4 0t 姗两种，三级煤矿安全炸药，药卷直径西2 9m m 和咖3 5m m ，l 一5 段毫秒延期电雷管，脚线长 的2 ．5m 。 3 ．2 ．2 爆破参数 设计炮眼深度为2 ．3m ，掏槽眼深度2 ．6m 。掏槽 眼直径咖4 0m i l l ，对应药卷直径咖3 5 咖，周边眼和拱 基以上崩落眼直径咖3 2m n l ，对应药卷直径咖2 9n l n l 。 采用楔形斜眼掏槽，一阶中心直眼。二阶主掏槽 楔形斜眼，深度2 ．6m ，每组对称两眼间距 15 0 0m m ，上下眼距4 0 0m m ，掏槽眼装药量4 卷 中 心眼 和5 卷 楔形掏槽眼 ，所有8 个掏槽眼同用 I 段雷管起爆。 周边眼眼距4 0 0m l i l ，最小抵抗线5 5 0m m ，水炮 泥控制轴向垫层不耦合装药。 具体爆破参数见表2 。 表2 潘三矿爆破参数表 T a b l e 2B l a s t i n gp a r a m e t e r so fP a n s a nm i n e 说明掏槽眼和辅助眼采用咖3 5 咖药卷，规格咖3 5 咖3 3 0m m 3 5 0g ；周边眼和崩落眼采用咖2 9m m 药 卷，规格西2 9I 砌4 3 0t u r nx 3 1 0g o 3 ．2 ．3 爆破效果 具体统计数据维为试验段2 8 个循环总进尺为 5 4 ．1m 。炮眼深度2 ．0 2 ．3m ，循环进尺1 ．8 2 ．1m 。 循环炮眼利用率在8 8 ％一9 3 ％，最高的达9 3 ．3 ％，平均 循环进尺1 ．9 6m ，平均炮眼利用率9 0 ．9 ％。周边眼采 用光面爆破技术，巷道围岩损伤小，整体稳定性高。爆 破块度适中，爆堆集中在巷道中间，有利于倒矸和装 岩。爆破效果总体良好。 4 结论和建议 为今后更好的运用好这项技术，经过分析和实 践，对岩巷掘进中深孔爆破，综合提出一下建议，供 参考 1 在条件许可的情况下，为提高掘进速度，坚 硬岩石巷道掘进应采用先进的机械化施工设备，如 液压凿岩台车配液压凿岩机、大功率装岩机、锚杆 机、胶带出矸或大体积矿车运输等。 2 在采用普通气腿式凿岩机钻眼时，炮眼深度 应控制在2 ．5m 以内。打掏槽眼和辅助掏槽眼采用 大直径的炮眼和大直径药卷，以增强掏槽破岩效果， 而周边眼和崩落眼则可采用小直径炮眼，配小直径 药卷，以提高打眼速度。 3 可根据现场情况，采用菱形直眼掏槽、楔形 斜眼掏槽、双楔形掏槽、混和掏槽等。在采用楔形掏 槽时，为增大槽腔内岩石的破碎和加大槽腔底部岩 石的破碎和运动，在槽腔中心布置2 个与倾斜槽眼 同深的直眼，实际上构成了直眼和斜眼混合的加强 掏槽方式，同时适当加大槽眼的装药量。所有槽眼 装药同用一段雷管起爆。 4 辅助眼 或最邻近掏槽眼的崩落眼 与掏槽 眼眼口间距应控制在2 5 0 ～4 0 0m n l 特别是楔形掏 槽应控制取较小值 ，否则，眼底抵抗线太大难以崩 落，辅助眼深度应于掏槽眼同深。 5 适当增大掏槽眼与辅助眼 或最邻近掏槽眼 的崩落眼 问起爆延迟时间，以保证槽腔内岩石充 分破碎并抛出，形成真正的空腔自由面，可掏槽第一 段、辅助第三段雷管起爆。 6 周边眼光面爆破，采用水垫层轴向不耦合装 万方数据 第2 7 卷第4 期宗琦，刘菁华煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术应用研究 3 9 上接第3 0 页 [ 5 ] 于宝新．齐大山铁矿爆破优化试验研究[ J ] ．金属矿 山，2 0 0 7 5 3 5 - 3 7 ． [ 5 ] Y UB a o - x i n ．T e s tr e s e a r c ho nb l a s t i n go p t i m i z a t i o ni nq i c l a s h a ni r o nm i n e [ J ] ．M E T A LM I N E ，2 0 0 7 5 3 5 - 3 7 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 夏红兵，徐颖，宗琦，等．深部软岩巷道爆破卸压 技术及工程应用研究[ J ] ．安徽理工大学学报 自然科 学版 ，2 0 0 7 ，2 7 1 1 3 - 1 6 ． [ 6 ] X I AH o n g - b i n g ，X UY i n g ，Z O N GQ i ，e ta 1 ．R e s e a r c hO i l t h et e c h n o l o g yo fu n l o a d i n gb l a s tf o rad e e ps o f tr o c kt u n - n e la n di t se 晒n e e r i n ga p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fA n h n i U 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 N a t u r a lS c i e n c e ， 2 0 0 7 ，2 7 1 1 3 - 1 6 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 王新民，赵彬，张德明，等．基于A H P 的矿岩爆破破 碎性能影响因素分析[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 4 l 一6 ． [ 7 ] W A N GX i n m i n ，Z H A OB i n ，Z H A N GD e - m i n g ，e ta 1 ．I n - f l u e n c ef a c t o r sa s s a yo fe x p l o s i o na n dc r a s hp r o p e r t i e so n m i n eb a s e do nA H P [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 8 ，2 5 4 1 - 6 ． i n C h i n e s e [ 8 ] 邓建，古德生，李夕兵．可视化自适应神经网络及在 矿业中的应用[ J ] ．中南工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ，3 1 3 2 0 5 - 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