煤巷掘进爆破优化设计.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．2 J u n ．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 2 ，0 0 4 煤巷掘进爆破优化设计宰 范喜生L 2 1 ．煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室．北京1 0 0 0 1 3 摘要研究煤巷快速爆破掘进技术，包括炮孔布置的原则与方法、装药量的计算公式以及起爆时序问题 等，所用方法包括分析计算、数值模拟与井下试验检验。结果表明，提出的优化设计方法比经验法消耗炸药 雷管少、掘进速度快约2 0 ％。 关键词 煤巷；掘进；炮孔布置；装药量；起爆时序；优化设计 中图分类号T I Y 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 2 0 0 1 5 0 4 O p t i m i z i n gD e s i g no fB l a s t i n go fD r i v i n gC o a lD r i f t F A NX i ．s h e n 9 1 ’2 1 ．M i n eS a f e t yT e c h n o l o g yB r a n c h ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lM i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ， B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ri sd e v o t e dt et h ef a s td r i v i n gt e c h n i q u ew i t he x p l o s i v ef o rc o a ld r i f t ，i n c l u d i n gt h eR r l 日f f l g e - m e n to ft h eh o l e ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ee h a r g ea n dt h eb l a s t i n g8 c 揶e n l ee r e ．I I lt h es t u d y ，t h ea n a l y s i sm e t h o d ，i n l m e r i c a lm o d e l i n ga n de x p e r i m e n ta mu s e d ．R e s u l t s h o wt h a tt h ed e s i g nm e t h o dp r o p 0 8 e di n t h i sp a p e ri sb e t t e rt h a n e x p e r i m e n c ei nt h a tt h ee x p l o s i v ea n dd e t o n a t o r sa n dt h ed r i v i n gs p e e di n e r e a s o s ． K e yw o r d s c o a ld r i f t ；d r i v i n g ；a r r a n g e m e n t ；c l I a r g c ；b l a s t i n gs e q u e n c e ；o p t i m i z i n gd e s i g n 煤巷掘进是地下煤矿主要生产作业之一，以前， 主要采用人工或爆破的方法。随着煤矿电气自动化 技术的发展，煤巷掘进已进入机械化综合掘进阶段， 但在一些小型煤矿、小断面煤巷或特殊煤巷，爆破掘 进仍占有相当比重，还没有完全被替代。 另一方面，与通常意义上的岩石相比，煤的硬度 要小得多，采用人力 如镢头等 也能进行掘进作 业。但是，由于掘进工程量较大，人们仍愿意选用爆 破掘进，有时即使是煤较软的情况也是如此，因为随 收稿日期2 0 1 2 一O I 一0 2 作者简介范喜生 1 9 6 3 一 ，男，博士、高工，现主要从事煤矿安全方 面的研究工作， E - m a i l x s f a n 1 6 3 ．t o n i 。 基金璜目9 7 3 项目 2 0 1 1 C B 2 0 1 2 0 6 ；国家重大油气专项 2 0 1 1 蕊 0 5 0 4 0 - 0 0 1 ．0 0 7 ；煤炭科学研究总院技术创新基金项目 2 0 0 7 C X 叭 着现代工业炸药技术的发展，炸药的成本越来越低， 爆破掘进效率较高。 当然，采用爆破掘进也不是只有利没有弊。在 井下瓦斯煤尘爆炸事故中，爆破是主要引爆源之一； 在煤与瓦斯突出事故中，爆破也常常是诱因之一。 为了提高煤巷爆破掘进的速度，必须研究防治爆破 引发瓦斯煤尘爆炸的措施以及爆破诱发煤与瓦斯突 出的问题，但这些问题不在本文的研究之列。 1 炮眼布置与装药量计算 煤巷断面一般为梯形 也有矩形等 。记中线 宽为彤，高为日，一次爆破的深度为埘。原则上，硼 越大越好，但要受到以下几方面因素的制约 1 煤 体的强度总的说来比较小，埘太大时，爆破后容易冒 万方数据 1 6爆破 2 0 1 2 年6 月 顶； 2 一般说来，埘越大，一次爆破需要的装药量 就越大，装药量太大时，爆破震动有可能对煤巷支 护、煤柱、底板等造成破坏； 3 炮眼布置、装药量、 起爆时序等都与埘有关。 因此，生产上，甜常根据上述因素以及生产组织 等因素综合确定。问题演变为，在几何参数和埘一 定的条件下，如何合理布置炮孔、计算装药量、选择 起爆时序，一次起爆，在满足爆破安全规程、防 治煤与瓦斯突出规定等法规的前提下，加快掘进 速度。为便于叙述。将炮眼自断面中心至边界依次 命名为中心眼、掏槽眼、主药眼和周边眼，相互之间 的距离依次记为奶、虬和彬。，起爆时序为自中心眼 向周边眼扩展。 1 中心眼 这种情况只有1 个自由面，将装药近似为球形， 考虑到重力的作用可忽略，采用下式计算装药量剖 q k w 3 0 ．5 0 ．5 n 2 2 ，1 ≤加≤1 5 ，0 ．7 ≤凡≤2 0 1 式中g 为装药量，k g ；k 为炸药单耗，k g ／m 3 ，可查资 料或通过现场试验确定 试验时，取埘 lm ，，z 1 D 时的装药量即为k ；甜为装药深度，m ；n 昙，R 为 一 漏斗半径，m ，这里，n 取0 ．7 5 。式 1 可简化为 q 0 ．6 1 k w 3 ，1 ≤加≤1 5 2 2 掏槽眼 参见图1 ，左侧的空孔为中心眼爆炸形成的自 由空间，咖一R O ．7 5 w ，右侧的小孔为 直眼 掏槽 眼。药量计算式为 q k w ； o ．5 0 ．5 n 2 2 3 式中q 为装药量，k g ；k 为炸药单耗，同前；纵为掏槽 眼与中心眼之间的距离，m ，奶 , ／2 ／n 一 O ．7 5 w ／ 2 n ；r t 仍取0 ．7 5 ，则1 ．0 。 0 ．5 w 。式 3 可简化为 q 0 ．0 8 k w 3 4 环向距离也取0 ．5 w 。 图1 直眼掏槽爆破示意图 F i g ．IB l a s t i n go fn o r m a le x c a Y s g i O l I 3 主药眼 这种情况有2 个自由面，药量计算式为⋯ q 0 ．s 3 1 , w O ．5 0 ．5 n 2 2 5 式中口为装药量，k g ；k 为炸药单耗，同前；叱为主 药眼与掏槽眼之间的距离，m ，可取吐* 埘，n l ， 式 5 可简化为 q 0 ．8 3 k w 3 6 环向距离也取埘。 4 周边眼 光爆眼 光面爆破的实质是多打眼、少装药，即使采用耦 合装药也能起到一定作用，煤巷掘进爆破即属于这 种情况。药量计算式为⋯ q k w 0 ．5 0 ．5 n 2 2 7 式中g 为装药量，k g ；k 为炸药单耗，同前；t ‘I 。为周 边眼与主药眼之间的距离，m ，可取甜。一w ／2 ，凡取 O ．7 ，式 7 可简化为 q 0 ．0 7 k w 3 8 环向距离也取0 ．5 w 。 这样，已知Ⅳ、H 、埘，根据炮眼的作用，就可进行 炮眼布置等设计。 5 炮孔堵塞长度 煤巷掘进爆破的炮眼深度一般在1m 左右， 煤矿安全规程关于封泥长度的有关规定包括 1 炮眼深度为0 ．6 ～1I n 时，封泥长度不得小 于炮眼深度的1 ／2 。 2 炮眼深度超过1m 时，封泥长度不得小于 0 ．5m o 3 光面爆破时，周边光爆眼应用炮泥封实，且 封泥长度不得小于0 ．3I l l 。 4 工作面有2 个或2 个以上自由面时，在煤层 中最小抵抗线不得小于0 ．5m 。 根据经验，采用水炮泥和黄土封孔，一般都能满 足上述规定。 2 起爆时序的数值模拟研究 1 问题归纳 前面关于装药量的计算都是基于前排孔能够及 时为后排孔提供自由面的假设的基础上提出的，如 果前排孔与后排孔之间的延期时间足够长，这一假 设是成立的。但是，煤矿安全规程规定，从最先 起爆的雷管起爆开始至最后起爆的雷管起爆之间的 总延期时间不得超过1 3 0m 。目前，我国毫秒延期 电雷管的延期时间为”J l 段 1 31 1 1 5 ，2 段2 5 ．4 - 1 0m s ，3 段5 04 - 1 0i n s ，4 段7 5 1 0 瑚，5 段1 1 0 1 5 鹏，因此，最多允许选用的雷管段数为5 段。 1 段与2 段之间的最小延期时间是1 5 1 3 2 脚，2 段与3 段之间是4 0 一3 5 5 脚，3 段与4 段 之间是6 5 6 0 51 1 1 1 8 ，4 段与5 段之间是9 5 8 5 万方数据 第2 9 卷第2 期范喜生煤巷掘进爆破优化设计 1 7 1 0m s 。这表明，l 段与2 段有可能近似同时起爆 只差2 m s ，故在雷管段数选择方面，对于中心眼选 择1 段或2 段均可；掏槽眼选用3 段；主药眼选用4 段；周边眼选用5 段。这种安排既符合煤矿安全 规程的要求，也满足通常情况下巷道断面炮孔布 置的要求 4 组 。问题是，5m s 的延期时间能否满 足创造自由面的要求 以下通过计算机数值模拟研 究该问题。 2 软件选择、计算模型、参数调试等 目前，关于炸药在岩土介质内爆炸过程数值模 拟方面的软件首推美国A N S Y S 公司的A N S Y S ／ L S D Y N A ，该软件的最新版本为1 2 ．0 。 计算模型见图2 ，计算范围为一长方体，坐标原 点取在装药中心，x 轴沿水平方向指向右侧，Y 轴沿 垂直方向指向顶板，轴沿水平方向指向巷道方向。 图2 计算模型简图 采用c m g 一“s 单位制 F i g ．2 S c h e m a t i co fn u m e r i c a lm o d e l i n g u n i t si nr 2 m g 一“s 装药取为长方体，长1 0c m ，高、宽均为4c m ，炸药 密度取为1g ／c m 3 ，装药量约为1 6 0g 1 个药卷1 5 0g 。 长方体大小x 、Y 方向均取为2m ；z 轴方向，在 装药底端内部方向取3 0c m ，在装药顶端至迎头表 面方向取1 0 01 2 1 1 1 ，即孔深取为1 ．1m ，在迎头外考虑 了厚度为1 5e m 的空气层。 边界条件为空气层的外侧为自由边界，其余5 个面限制其垂直位移。 模型由炸药、煤体和空气3 部分组成，采用欧拉 网格建模，单元多物质A L E 算法。 具体数值模拟方法按照A N S Y S ／L S - - D Y N A 的 标准步骤、方法进行。 3 结果分析 图3 为t 5m s 时的爆破图像。 数值模拟结果清楚地反映出炸药起爆、爆轰、应 力波到达煤壁、煤壁外突等过程。煤壁外突最先出 现在迎头中心部位，然后向周边扩展，在t 5m s 时 已扩展至近2m 的范围，煤体内部发生相应的位移、 变形等，满足创造自由面的要求。 3 应用实例 上述研究成果曾在河南新密恒泰煤业公司 1 2 0 3 0 运输巷及切眼掘进爆破中进行试验检验。 图3t 5I r i s 的爆破图像 F i g ．3 N u m e r i c a lm o d e l i n go fb l a s t i n ga tl 5m s 1 传统设计方法 原炮眼布置见图4 ，采用Z M I ．2 T 型煤电钻和螺 旋型麻花钻杆打眼，使用煤矿许用2 号硝铵炸药和 瞬发电雷管串联起爆，水炮泥和粘土混合封孔，起爆 器为K B 5 0 型。每循环爆破1 ．0i n ，循环进度 1 ．0n l 。百米消耗炸药2 1 0k g ，雷管6 0 0 发。 o 图4 原炮眼布置图 单位m F i g ．4 F o r m e ra r r a n g e m e n to fb l a s t i n gh o l e s u n i t m 2 优化设计方法 1 炮眼布置与起爆时序 按照本文提出的设计方法的钻孔布置见图5 所 示，孔深1 ．3m 。起爆时序中心眼采用1 段，下排 中间2 个周边眼采用3 段，2 个底眼采用4 段，2 个 顶眼采用5 段，串联起爆。 图5 优化设计方案 单位n 1 F i g ．5O p t i m i z i n gd e s i g na p p r o a c h u n i t m 1 引1 立 万方数据 1 8爆破 2 0 1 2 年6 月 2 装药量计算 煤质较软，炸药单耗取k O ．3k g ／m 3 。中心眼 叮 O ．6 1 k w 3 O ．4k g ，实装2 ，5 个药卷0 ．3 7 5k g ；下 排中间边眼按主药眼设计叮 0 ．8 3 k w ’ 0 ．5 5l 【g ， 实装3 ．5 个药卷0 ．5 2 5k g ；底眼按边眼设计 g O ．0 7 枷3 O ．0 5k g ，实装1 ／3 药卷5 0g ；顶眼只起 振动作用，每眼装药5 0g 。 3 爆破效果 爆破后效果与原设计相比，轮廓更规整，循环进 尺1 ．2m ，百米消耗炸药1 3 4 ．5k g ，雷管5 8 1 发。 可以看出，采用优化设计方法后爆破循环进尺 提高了2 0 ％，百米炸药与雷管消耗分别减少了 2 1 0 1 3 5 ／1 3 5 5 5 ．6 ％和 6 0 0 5 8 1 ／5 8 1 3 ．3 ％，效果明显。 4 结论 煤巷掘进爆破是一项传统技术，一些小型煤矿、 小断面煤巷或特殊煤巷仍在采用爆破掘进方式，因 此，如何加快爆破掘进速度、减小爆破器材消耗等仍 是一个值得研究的课题。对煤巷掘进爆破进行了研 究，提出了炮孔的系统布置原则与方法，将爆破领域 的一些理论成果 如波克洛夫斯基公式 应用于煤 巷掘进药量计算。用数值模拟方法研究了起爆时序 问题等，最后，用一个实例说明所提方法的可行性、 先进性，可供有关人员参考。 参考文献【R e f e r e n c e sl [ 1 ] r 1 4Y l o x p o a c K 曲．B 3 P b l B [ M ] ．H e Ⅱp a ，1 9 8 0 ． [ 2 ] J 亨里奇，著．爆炸动力学及其应用[ M ] ．熊建国，等。 译．北京科学出版社，1 9 8 7 ． [ 3 ] 钮强．岩石爆破机理[ M ] ．沈阳东北工学院出版 社，1 9 9 0 ， 4 ] 交通部一航局．港口工程施工手册 上册 [ M ] ．北京 人民交通出版社，1 9 9 4 ． [ 5 ]中国力学学会工程爆破专业委员会．爆破工程 上、下 册 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 2 ． 上接第9 页 [ 9 ] X UG u o y a n n ．G UD e s h e n g ，C H E NS h o u - r u ．E x p e r i m e n - t a li n v e s t i g a t i o nO nm e c h a n i s m0 fr o c kf r a g m e n t a t i o nb y b l a s t i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h - n o l o g y ，1 9 9 7 ，2 8 6 5 2 2 - 5 2 5 ． i nC h i n e s e [ 1 0 ]宗琦，罗强．炮孔水耦合装药爆破应力分布特性 试验研究[ J ] ．实验力学，2 0 0 6 ，2 1 3 3 9 3 3 9 8 ． [ 1 0 ] Z O N GQ i ，L U OQ i ∞g ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nd i s t r i b u - t i o nc h a r a c t e ro fb l a s t i n gs t r e s sw h e nb o r e h o l e sw i t hw l i - t e r - c o u p l ec h a r g e [ J ] ．J o u r n a l0 fE x p e r i m e n t a lM o c h a n - i e s ，2 0 0 6 ，2 1 3 3 9 3 - 3 9 8 ． i nC h i n e s e 【1 1 ] 余尚江，李科杰．混凝土结构内冲击波应力传感器设 计及其行为[ J ] ．爆炸与冲击，2 5 4 3 5 0 - 3 5 4 ． [ 1 1 ] Y US h a n g - j i a n g ，L IK e - j i e ．D e s i 弘a n dp e r f o r m a n c eo f P V D Fp r e s s l l r es e n s o rf o rs h o c kw a v em e a s u r e m e n ti n c o n c r e t es t r u c t u r e s [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ， 2 0 0 5 ，2 5 4 3 5 0 3 5 4 ． i nC h i n e s e 【1 2 ] 焦楚杰，孙伟，高培正．钢纤维高强混凝土抗爆炸 研究[ J ] ．工程力学，2 0 0 8 ，2 5 3 1 5 8 1 6 6 ． [ 1 2 ] J I A OC h u - j i e ，S U NW e i ，G A OP e i - z h e n g ．S t u d y0 ns t e e l f i b e rr e i n f o r c e dh i 【g hs t r e n g t ho o n e r e t es u b j e c tt ob l a s t l o a d i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gM e c h a n i c s ，2 0 0 8 ，2 5 3 1 5 8 1 6 6 ． i nC h i n e s e [ 1 3 ] 张贤达．现代信号处理[ M ] ．北京清华大学出版社， 2 0 0 2 4 4 8 4 5 3 ． [ 1 3 ] Z H A N GX i a n - d a ．矾耐∞s i g 【dp I _ ∞e ∞i l 】g [ M ] ．B 两i n g T s i n g h t mU n i v e r s i t yP r e s s ，2 0 0 2 ．- 4 4 8 4 5 3 ． 血C h i n e s e [ 1 4 ] T H O M S O ND { 耐dJ ．Q u a d r a t i c ．i n v e r s ee x p a n s i o n0 ft h e R i h a e z e kd i s t r i b u t i o n [ c ] ／／C o n f e r e n c eR e c o r do ft h e [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 】 [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 0 ] T h i r t y n i n t hA s i l o m a rC o n f e r e n c eo nS i g n a l s ，S y s t e m s a n dC o m p u t e r s ．2 0 0 5 9 1 2 - 9 1 5 ． C O N D R O NJ ，C O Y L EE ，d eP A O RA ．C o m p a r i s o no f t i m e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o nt e c h n i q u e su s i n gm u l t i e o m - p o n e n tn o n s t a t i o n a r yt e s ts i g n a l s [ C ] ／／I E E EI r i s hS i g - n a l sa n dS y s t e m sC o n f e r e n c e ，2 0 0 5 2 6 4 - 2 6 9 ． C H O IHI ．W I L L I A M SWJ ．I m p r o v e dt i m e f r e x l u e n c y r e p r e s e n t a t i o no fm u l t i c o m p o n e n ts i g n a l su s i n ge x p o n e n t i a lk e r n e l s [ J ] ．I E E ET r a n sA e o u s t ，S p e e c ha n ds i w a P r e c ，1 9 8 9 ．3 7 6 8 6 2 ．8 7 1 ． 刘本书．非平稳信号分析导论[ M ] ．北京国防工业 出版杜，2 0 0 6 2 - 7 ． L I UB e n - s h u 。A ni n t r o d u c t i o nt on o m t a t i o n a r ys l g ∞la - h a l y s i s [ M 】．B e r i n g N a t i o n a lD e f e n s el n d m t r yP r e s s ， 2 0 0 6 2 - 7 ． i nC h i n e s e H U A N GZ h e r 堰- p i n g ．1 i EY u a n - h a n g ．E x p l o s i o n Ⅱ∞柏 u r m u e n tt e c h n i q u e s [ M ] ．B e i j i n g B e i j i n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g yP r e s s ．2 0 0 5 ． 李世义．动态测试技术基础[ M ] ．北京国防工业出 版社，1 9 8 9 1 3 1 6 ． L IS k i y i ．F o u n d a t i o n0 f 由T 血c 衄螬㈣m 吐t e c h n i q u e s [ M ] ．蹦i I l g N a t i o n a lD e f e n s eh k 时P r e s s ，1 ％9 1 3 1 6 ． i nC h i n e s e 李夕兵，古德生．岩石冲击动力学[ M ] ．长沙中南工 业大学出版社，1 9 9 4 5 - 7 ． uX i b i n g 。G UD e s h e n g ．R o c ki m p a c td y n a m i c s [ M ] ． C M n 酗h a C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yP r e s s ，1 9 9 4 5 - 7 ． i l I C h i n e s e 万方数据