深立井反井井筒扩掘爆破参数选取研究.pdf

第2 7 卷第3 期爆破 V o l 2 7N o 3 2 0 1 0 年9 月 B L A S T I N GS e p ．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 3 ．0 0 6 深立井反井井筒扩掘爆破参数选取研究木 张宏涛1 ，纪洪广1 ，王秋生2 ，赵宇飞3 1 ．北京科技大学土木系，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京工业大学土木系，北京1 0 0 1 2 4 ； 3 ．中国水利水电科学研究院岩土所，北京1 0 0 0 4 4 摘要针对煤系深地层的地质特点，研究了立井反井的井筒扩掘爆破参数。分别从炮眼深度、装药量和 井筒稳定方面运用L S ．D Y N A 软件进行了数值模拟。结果表明新爆破参数的选取能取得良好的爆破效果和 生产效率，井筒稳定也达到理想效果。 ‘ 关键词立井反井；井筒扩掘；爆破参数；井筒稳定 中图分类号T D 2 3 5 ．4文献标识码A文章编号1 1 2 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 } 0 3 0 0 2 2 - 0 3 S t u d yo fB l a s t i n gP a r a m e t e r sf o rW e l l b o r eE x p a n d o fD e e pV e r t i c a la n dI n v e r s eW e l l Z H A N GH o n g t a 0 1 ，J lH o n g ．g u a n 9 1 ，W A N GQ i u ．s h e n 9 2 ，Z H A Or u - f e i 3 I ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，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 yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 1 2 4 ，C h i n a ； 3 ．C h i n aI n s t i t u t eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rR e s e a r c h ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h eg e o l o g i c a lf e a t u r e so ft h ed e e ps t r a t ac o a l ，t h eb l a s t i n gp a r a m e t e r so fw e l l b o r ee x p a n df o r v e r t i c a la n di n v e r s ew e l l 眦s t u d i e d ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tf r o mt h ed e p t ho fb l a s t h o l e ．e x p l o s i v e } m o u n ta n dw e l l b o r es t a b i l i t yu s i n gt h eL S D Y N As o f t w a r e ，a n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf u l lf a c eb l a s t i n g ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tag o o db l a s t i n gr e s u l ta n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，鹊w e l l 嬲t h ew e U b o r es t a b i l i t y 。c a nb eo b t a i n e du - s i n gt h ep a r a m e t e r so ft h en e wb l a s t i n gs t y l e ． K e yw o r d s v e r t i c a la n di n v e r s ew e U ；w e l l b o r ee x p a n d ；b l a s t i n gp a r a m e t e r s ；w e l l b o r es t a b i l i t y 0 引言 随着采掘机械化程度的提高，采煤方法的改变， 开采力度的加大，矿井向井田深部延伸的速度加快， 瓦斯涌出量不断增加，造成现有生产系统、通风系统 收稿日期2 0 1 0 0 6 0 2 作者简介张宏涛 1 9 7 8 一 ，男，讲师，博士 后 ，研究方向岩土工 程数值方法和稳定分析方法，E m a i l z h g h o n g t a 0 9 5 t s i n g h u a ．o r g ．c a o 通讯作者王秋生 1 9 7 7 一 。男，讲师，博士 后 ，研究方向岩土力 学与爆破，E - m a i l w q s 一1 9 7 7 1 6 3 ．e o l l l 。 基金项目国家自然科学基金 5 0 8 0 9 0 0 3 ；国家科技支撑计划 2 0 0 8 B A B 3 3 1 3 0 3 ；国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 2 0 0 8 A A 0 6 2 1 0 4 ；工程力学北京市重点学科资助 已不能满足安全生产的要求，多数矿井急需增加进、 回风井，而西山矿区井筒位置均布置在山区、丘陵地 带，埋藏深放在3 0 0m 以上，利用正井法施工，月进 尺只能达到5 0 ～6 0m ／月，如果遇到涌水影响，施工 速度会更慢。 结合反井钻机在立井施工中的应用．2 J ，在西 山的井筒建设中考虑采用立井开拓，用反井钻机对 立井井筒进行施工。具体工艺为采用反井钻机先 自上而下钻导向孔，再自下而上扩大为反井，最后采 用人工钻爆法自上而下刷砌成井，完成井筒施工。 这样不仅减少了凿井设备和措施工程，而且解决了 凿井时通风、排水、溜矸等问题，工期短，安全性高。 万方数据 第2 7 卷第3 期张宏涛，纪洪广，王秋生，等深立井反并井筒扩掘爆破参数选取研究 2 3 根据井筒直径和深度，确定导向孔直径为 3 7 7m i l l ，深度4 1 0r l l 左右，反井直径1 ．5i l l ，然后采 用爆破直接将井简直径扩掘到5 ．8m 。以往的井筒 爆破很多采用深孔爆破口刮，原有的爆破参数已经不 适用现有断面爆破要求，需要试验新的爆破方式确 定合理爆破参数。 根据井筒穿过的岩层情况表l ，以下将分别从 炮眼深度、炮眼密度 装药量 等对爆破的影响方面 对爆破参数进行分析，以达到最佳的爆破效果，并对 井筒的稳定性进行分析评价。 1 炮眼深度对爆破效果影响分析 分别取炮眼深度1m 、1 ．5i n 和3n l ，炮眼布置 位置如图l 所示，中间为扩掘成的直径1 ．5m 的排 矸孔。利用L S ．D Y N A 对以上3 种爆破方式进行数 值模拟分析，装药量为每眼3 卷。这里取水胶炸药 密度P 1 ．1 0g ／c m 3 ，爆速D 39 0 0m ／s ，材料模型 采用．ⅣL 状态方程 p 2A t 一南 e 吨7 B - 一南 e 也7 等 - 式中V 为炸药体积；E 为炸药内能；A ，B ，尺。，R ，∞为 状态参数。按照文献[ 7 ] ，这里取为A 3 7 1 ．2G P a ， B 3 ．2G P a ，R 1 4 ．2 ，R 2 0 ．9 5 ，∞ 0 ．3 0 。 数值模型如图l b ，单位为e m g I x s ，时间设置 为l0 0 0 斗s 。中间为空气层，取井筒深度为6m ，以 消除底部边界效应，模型直径取为1 0m ，消除边界 作用。底部和周边为固支约束。 表1 西山立井工程岩土体物理力学参数表 ／／＼＼ ／／绣窬{ ． ＼＼犍移} ’ ＼＼／／ a 爆破炮眼布置情况 单位e n l b 爆破数值模拟分析模型 图1爆破炮眼布置和分析模型 图2 爆破岩体表面单元 图2 为模拟计算中选取的爆破岩体表面的1 个 单元，炮眼深度1m 、1 ．5r l l 和3m 时对应的单元编 号分别为A 11 1 8 、A 4 6 1 6 和A 2 5 5 8 。对该单元在炸药 爆炸过程中承受的压力情况进行了监视，结果如图 3 所示。由结果可知，3 种情况下岩体表面单元的压 力峰值之比为5 ．8 3 ．9 1 ．3 ，这说明随着炮眼深度 的增加，岩体表面受到的爆破压力随之降低。而压 力的大小直接决定着爆破的效果，例如粗粒砂岩的 抗剪断强度小于3M P a ，因此爆破压力只有大于 3M P a ，才能对岩石破坏产生作用；同时如果炮眼深 度过浅，爆破产生压力过大，对岩石的破碎效果不 利，安全和经济效益也会有影响。因此从爆破效果 万方数据 2 4 爆破2 0 1 0 年9 月 和经济效益方面来看，选取1 ．5m 炮眼深度和当前如砂质泥岩，装药量可适当减少。 装药量对砂岩是合适的。对于其它强度低的岩石， 6 言4 { 2 啕 蓑。 出一2 4 时间／ E 3 肛s a 炮眼深度lm 时表面岩石的 压力变化 N o 一 日 山 啦 巴 R 出 时问／ E 3 p e b 炮眼深度I ．5m 时表面岩石的 压力变化 时间／ E 3 ／．Ls c 炮眼深度3m 时表面岩石的 压力变化 图3 爆破岩体表面单元压力随时间变化曲线 从井筒稳定性方面考虑，选取炮眼深度1 ．5m 深的井筒周边相邻2 个单元 编号A 1 7 2 1 、B 1 7 2 2 所 受压力进行分析，如图4 a 所示。它们所受的压力 变化情况如图4 b ，结果表明偏离井筒的岩体承受 的压力迅速减小，因此该爆破布置方式不会对井筒 井壁的稳定产生影响。 图4 爆破时井壁承受压力对比 2 装药量对爆破效果影响分析 为比较不同装药量对爆破效果的影响，采用 1 ．5m 炮眼深度，分别对装药量减少一半和增加一 倍2 种爆破情况并与每卷3 眼装药量进行比较。图 5 a 、 b 为得到的岩体表面岩石所受压力变化情 况。与图3 b 相比，3 种装药量的表面岩石压力之 比为2 ．4 3 ．9 7 ．3 。装药量过少会使得表面岩石承 受的压力有可能小于其剪断强度，不利于爆破；装药 量过多会使得岩块承受压力过大，爆破块度过小，爆 破效果和经济效益会受到影响。因此选取每眼3 卷 的装药量是合适的。 时f 日q ／ E 3 雌时间／ E 3l a , s a 装药量减少一半 b 装药量增加一倍 图5 岩体表面同一单元的压力变化曲线 下转第2 8 页 万方数据 2 8爆破2 0 1 0 年9 月 上接第2 4 页 3 爆破参数选取4 距7 0 为m m 3 0 、4 0 3i 等着墨嚣李耄，其4 0 它1r a 3 m 圈, 根据以上对比分析，结合实际工程经验，本次爆炮眼装药量视岩石硬度而定，取线方式为串联。爆 破选取的炮眼深度为1 ．5m ，孑L 径4 2m m ，周边眼间破说明书和爆破效果的定量描述见表2 和表3 。 表2 爆破说明书 表3 爆破效果表 指标名称数量 炮眼深度／m 1 ．5 炮眼利用率／O ／o 9 0 循环进尺／m 1 ．3 5 每立方米岩石炸药消耗量／ k g m 。 1 ．3 每立方米岩石雷管消耗量／ 个m 。 3 每米井筒炸药消耗量／ k g m 。 3 1 每米井简雷管消耗量／ 个m 。 7 9 每循环炮眼总长度／m 1 6 6 ．5 4 小结 通过分析不同爆破深度和装药量确定了新的爆 破方式的合理爆破参数爆破深度1 ．5m ，周边眼装 药每眼3 卷，其它3 圈炮眼装药量视岩石硬度而定， 取线方式为串联。 实际的爆破表明，由于反井钻孔的存在，爆破增 加了自由面，不需要掏槽眼，使用光面爆破技术，仅 布置辅助眼和周边眼，炮响之后，大部分矸石会在自 重的作用下，进下溜矸孔，溜至井下。井下安装耙斗 机装矿车，矿车由风井提至地面。排矸孑L 提供的自 由面对于爆破效果和作业环境有明显改善，提高了 生产效率。 参考文献 [ 1 ]张兆文．用反井法施工立井新工艺研究[ J ] ．煤，2 0 0 4 ， 1 3 5 1 5 - 1 6 ． [ 2 ] 冯琪，于孝礼，肖振魁．反井钻机在立井井筒延深工 程中的应用[ J ] ．建井技术，2 0 0 5 ，2 6 3 - 4 j 6 4 - 6 6 ． [ 3 ] 张馨．深立井硬岩深孔钻爆参数的研究与应用[ J ] ． 煤炭学报，2 0 0 3 ，2 8 4 4 0 3 - 4 0 8 ． [ 4 ] 宗琦，涂耀辉．立井深孔爆破的若干技术问题[ J ] ． 矿冶工程，2 0 0 2 ，2 2 2 2 0 2 5 ． [ 5 ] 倪世顺．立井混合作业深孔爆破技术研究与应用[ J ] ． 爆破，2 0 0 3 ，2 0 S 1 4 6 4 9 ． [ 6 ]丁养红，唐功建．小断面立井井筒砾石层爆破参数调 整及效果[ J ] ．建井技术，2 0 0 7 ，2 8 2 1 2 1 3 ． [ 7 ] 赵铮，陶钢，杜长星．爆轰产物J W L 状态方程应用 研究[ J ] ．高压物理学报，2 0 0 9 ，2 3 4 2 7 7 - 2 8 2 ． 万方数据