孫龍華 楊雙鎖 李達(dá)昌 蘇 鑫

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

巷道平行空孔直線掏槽一般采用三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3種掏槽方式。掏槽爆破的作用是在掘進(jìn)工作面形成第二個自由面，為后續(xù)炮孔的爆破創(chuàng)造自由面和巖石碎脹補(bǔ)償空間［1］，因此，合理選擇掏槽形式和爆破參數(shù)是實現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在滿足爆破安全的條件下，為實現(xiàn)石灰?guī)r平巷的高效掘進(jìn)，單仁亮等［2］提出了準(zhǔn)直眼掏槽方式;宗琦等［3］還提出了采用中深孔爆破和盡量簡化掏槽形式以實現(xiàn)石灰?guī)r高效掘進(jìn)的方法。本研究在優(yōu)化爆破參數(shù)的基礎(chǔ)上，對三角柱掏槽、螺旋掏槽、菱形掏槽3種掏槽方式進(jìn)行了現(xiàn)場對比試驗，得出了一種在石灰?guī)r平巷掘進(jìn)中能實現(xiàn)高效掘進(jìn)的掏槽方法。

1 掏槽爆破破巖機(jī)理

當(dāng)裝藥孔起爆時，在孔內(nèi)產(chǎn)生爆炸沖擊波和高溫高壓氣體，沖擊波在巖體內(nèi)傳播，它使裝藥孔和空孔之間的部分巖石介質(zhì)發(fā)生破碎并產(chǎn)生一定范圍的破碎區(qū)。在爆轟結(jié)束的瞬間，沖擊波衰減為應(yīng)力波，其在徑向方向產(chǎn)生壓應(yīng)力，切向方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，徑向壓應(yīng)力使炮孔徑向方向裂隙范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，切向拉應(yīng)力通常大于巖石的抗拉強(qiáng)度，巖石被拉斷，構(gòu)成與破碎區(qū)貫通的裂隙。最后，隨著爆轟氣體的不斷膨脹，巖石碎塊和爆生氣體混合在一起開始向徑向方向發(fā)生外溢拋擲，最終形成槽腔。

2 工程背景及存在問題分析

2.1 工程背景

陽煤集團(tuán)五礦平巷位于+211 m水平，斷層、節(jié)理、裂隙和溶洞較發(fā)育，巷道圍巖大多為石灰?guī)r(f=8～10)，巷道頂板大多為石灰?guī)r，局部為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖。巷道斷面為直墻半拱，荒斷面尺寸寬為3.2 m，高為3.38 m，斷面面積為10.63 m2。打眼采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)，使用直徑為42 mm的柱齒釬頭，釬桿長度為1.0 m或1.8 m。爆破采用煤礦許用III級乳化炸藥，規(guī)格為?35 mm×200 mm×200 g。巷道掘進(jìn)目前采用菱形掏槽技術(shù)，每循環(huán)炮眼數(shù)目為37個，炸藥消耗量為26 kg，單循環(huán)進(jìn)尺為1.7 m。起爆方式為電雷管毫秒微差起爆。經(jīng)現(xiàn)場觀察和分析，平巷主要存在下列問題:

(1)炮眼利用率低，巷道掘進(jìn)炮眼深度為2.5 m，每次循環(huán)平均進(jìn)尺為1.7 m，炮眼利用率僅為68%。

(2)爆破后巖石拋擲距離較遠(yuǎn)，嚴(yán)重威脅工作面設(shè)備和人員安全。

2.2 存在問題分析

(1)炮眼利用率低的原因分析。選擇合理的掏槽方式和爆破參數(shù)對整個循環(huán)爆破的炮眼利用率起至關(guān)重要的作用。經(jīng)現(xiàn)場觀察和分析，發(fā)現(xiàn)影響爆破效率低的原因是原掏槽方式掏槽眼起爆后，爆炸應(yīng)力波和爆生氣體在巖體內(nèi)形成的槽腔過小，后續(xù)起爆眼巖石碎脹補(bǔ)償空間狹窄，巖石夾制系數(shù)大，當(dāng)后續(xù)掏槽眼起爆時，炸藥的大部分能量用于克服夾制力做功，從而造成后續(xù)掏槽眼掏槽失敗，影響炮眼利用率的提高。

(2)拋擲距離較遠(yuǎn)問題分析。在巖石中爆破，爆破能量主要分為爆炸沖擊波能量和爆生氣體能量［5］，前者主要用于巖石的初始裂隙擴(kuò)張，使巖石發(fā)生彈性變形，形成粉碎區(qū)和產(chǎn)生裂隙;后者則主要用于擴(kuò)大槽腔，延伸初始裂隙和拋擲破碎巖石。陽煤五礦平巷掘進(jìn)針對硬巖采用了加大掏槽眼裝藥系數(shù)的方法，這在一定程度上實現(xiàn)了巖石初始裂隙的擴(kuò)展，但由于炸藥單耗與單孔裝藥量過大，炮孔內(nèi)爆生氣體產(chǎn)生的能量也隨之增大，爆破后破碎巖石拋擲距離遠(yuǎn)就不足為奇，因此，在保證填塞質(zhì)量的前提下，合理選擇掏槽爆破參數(shù)是關(guān)鍵。

3 掏槽方法和爆破參數(shù)的選擇

針對以上存在的問題，從選取合理的掏槽形式和爆破參數(shù)入手，對光面爆破進(jìn)行優(yōu)化，以期在保證周邊圍巖穩(wěn)定的條件下，實現(xiàn)巖巷安全、高效掘進(jìn)。

3.1 掏槽形式

平巷掘進(jìn)掏槽方式主要分傾斜孔掏槽和平行空孔直線掏槽兩大類，傾斜孔掏槽因?qū)ο锏罃嗝嬗幸欢ǖ囊?，故?yīng)用較少，常用的為平行空孔直線掏槽，它施工簡單、易于工人掌握、拋擲力小、適于各類巖層且能實現(xiàn)高效生產(chǎn)，故在井巷施工中應(yīng)用較多。結(jié)合陽煤五礦平巷的掘進(jìn)掏槽方式，選用菱形掏槽、螺旋掏槽、三角柱掏槽3種掏槽布孔形式進(jìn)行對比試驗。

(1)單空眼菱形掏槽。單空眼菱形掏槽(如圖1)一般在工作面中央偏下位置布置1個大直徑減震空眼和4個裝藥眼。為保證首爆起爆眼具有較大的自由面和巖石破碎擴(kuò)展空間，防止根底現(xiàn)象的出現(xiàn)，結(jié)合工程實際情況和月進(jìn)尺要求，選取大空孔直徑為100 mm，炮眼深度為2.6 m，裝藥眼直徑為42 mm，炮眼深度為2.5 m。由于巖石密度約為2.42 g/cm3，巖體內(nèi)縱波波速約為3.43×103m/s，巖石泊松比為0.26，彈性模量28.5 GPa，巖石的動抗拉強(qiáng)度約為5.65 MPa，炸藥為煤礦許用Ⅲ級乳化炸藥，爆速為3 500～4 000 m/s，結(jié)合聲學(xué)近似法［5］，選取L1=100 mm，L2=200 mm。裝藥孔分2段爆破，1、2號掏槽眼同時起爆，3、4號掏槽眼利用3段雷管起爆。菱形掏槽空孔能為首爆裝藥眼提供較大的自由面和巖石碎脹補(bǔ)償空間，因此，掏槽眼爆破后會形成較大的槽腔體積。

圖1 單空眼菱形掏槽

(2)單螺旋掏槽。單螺旋掏槽(如圖2)的特點是以1個大直徑空孔為中心，裝藥孔呈螺旋線布置在空孔周圍，并按由近及遠(yuǎn)順序起爆的掏槽方法。裝藥眼與空眼間距L一般按下列公式確定:

式中，d為孔徑。結(jié)合工程實際情況，選取L1=100 mm、L2=150 mm、L3=200 mm、L4=400 mm。為滿足被爆巖石破碎所產(chǎn)生的體積擴(kuò)容增量，空孔直徑一般為100 mm，炮眼深度為2.6 m。掏槽孔起爆順序分4段依次起爆。螺旋掏槽每個炮眼在起爆時都是以前一炮眼爆破后形成的最大槽腔為自由面起爆，這樣布置有利于掏槽，另外，2、3、4號炮眼至1、2、3號炮眼爆破后所產(chǎn)生的最大自由面的距離是隨著自由面的增大而增加的，這樣也有利于提高炸藥爆破能的利用率，符合掏槽爆破簡單高效的原則［8］。

圖2 單空眼螺旋掏槽

(3)三角柱掏槽。采用三角柱掏槽(如圖3)，炮眼一般由3個裝藥眼和4個空眼組成，一般布置于巷道中央偏下位置，由于巖石的堅固性系數(shù)為f=8～10，斷面大小S=10.63 m2，炮孔直徑d=42 mm，根據(jù)工程實際經(jīng)驗，裝藥眼與空眼間距取200 mm。為減小掏槽過程中巖石的夾制系數(shù)，使炸藥大部分能量用于巖石介質(zhì)的塑性變形，在三角柱中央布置一個大直徑空孔，直徑D=100 mm。裝藥孔1、2、3同時起爆。三角柱裝藥孔起爆時，相鄰裝藥眼之間的空眼起隔離沖擊波和對爆炸應(yīng)力波方向起集中導(dǎo)向作用，裝藥眼內(nèi)的炸藥不易被壓實而發(fā)生拒爆，因此，掏槽效果較好。

圖3 三角柱掏槽

3.2 爆破參數(shù)

井巷掘進(jìn)爆破效果的優(yōu)劣在很大程度上取決于爆破參數(shù)的選擇。合理地選擇爆破參數(shù)不僅可以在確保巷道穩(wěn)定和安全的條件下實現(xiàn)高效掘進(jìn)而且可以降低成本。針對陽煤五礦平巷掘進(jìn)掏槽爆破參數(shù)存在的問題，從以下幾個方面對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)單位炸藥消耗量。單位炸藥消耗量可用下式確定:

式中，q為單位炸藥消耗量，kg/m3;f為巖石堅固性系數(shù)，取f=9;S為井巷斷面，取10.83 m2;k0為校正系數(shù)，取0.8。經(jīng)計算，q=0.82 kg/m3。

(2)掏槽眼裝藥量的確定。掏槽眼裝藥量可根據(jù)裝藥系數(shù)來確定，其計算公式為

式中，Q1為掏槽眼裝藥量，kg;d為裝藥直徑，取35 mm;ψ為裝藥系數(shù)，見表1，取0.65;L為炮眼深度，取2.5 m;ρ0為炸藥密度，取1.05 g/cm3。根據(jù)以上計算得掏槽孔裝藥量Q1=1.6 kg。結(jié)合工程實際，掏槽眼裝藥數(shù)目取8卷。

表1 炮眼裝藥系數(shù)［7］

(3)每循環(huán)炸藥消耗量。

式中，η為炮眼利用率，取90%。代入數(shù)據(jù)可得Q0=20 kg。

(4)炮泥填塞長度。炮泥的長度應(yīng)為裝藥長度的35%～50%，因此，裝藥的炮泥長度應(yīng)該在0.63～0.9 m。取0.9 m，其中前0.6 m填塞炮泥，靠近藥包的0.3 m填充水炮泥。

(5)裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式。在堅硬巖層中，正向裝藥的炮眼利用率較低，巖石爆破效果較差，大塊率較高，而反向裝藥起爆藥包距自由面距離較遠(yuǎn)，爆炸氣體從眼口逸出較慢，爆炸能量能充分應(yīng)用于巖石破碎，爆破效果較好。因此，各裝藥孔均采用反向裝藥，掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖4。起爆方式采用電雷管反向起爆為主。

圖4 掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)

4 爆破效果分析

根據(jù)設(shè)計方案在該礦+211 m水平平巷對3種掏槽方式分別進(jìn)行了3次試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同掏槽方式爆破效果對比

菱形掏槽爆破后巷道成型不規(guī)則，巖面不平整;周邊眼炮孔周圍有明顯的爆破裂隙且鉆孔壁眼痕不明顯，如圖5;巷道超欠挖現(xiàn)象突破規(guī)定的指標(biāo)，炮眼利用率為84%;采用UBOX－5016－Ⅱ振動信號自記儀記錄數(shù)據(jù)如圖6所示，爆破震動對圍巖影響較嚴(yán)重;爆破后碎石塊度不均勻且拋擲距離較遠(yuǎn)，嚴(yán)重威脅人員、設(shè)備的安全，不利于排矸工序的進(jìn)行。

圖5 菱形掏槽爆破效果

圖6 菱形掏槽爆破振速

單螺旋掏槽爆破后巷道成形規(guī)則，基本滿足直墻半拱巷道近寬3.2 m，近高3.38 m的尺寸要求;巷道輪廓較為平整，在新的巷道壁面上可觀察到較清晰的鉆孔壁痕跡，如圖7;巷道超欠挖現(xiàn)象沒有突破規(guī)定的指標(biāo);炮眼利用率達(dá)92%;爆破震動對圍巖影響相對較小，爆破振速如圖8所示;爆破后碎石較均勻且拋擲距離較近，利于排矸工序的高效進(jìn)行。與試驗前的掏槽方法相比，炮眼數(shù)目減少了23%，單位炸藥消耗量降低了約12.6%，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益較顯著。

圖7 螺旋掏槽爆破效果

圖8 螺旋掏槽爆破振速

三角柱掏槽爆破后巷道輪廓成型規(guī)整，巖面平整;在巷道壁上可以看見清晰的周邊眼眼痕，如圖9;巷道超欠挖量沒有超過質(zhì)量規(guī)定要求;爆破震動對圍巖影響中等，爆破振速如圖10所示;三角柱掏槽炮眼數(shù)目較多，鉆眼工作量較單螺旋掏槽和菱形掏槽較多;爆破后巖石塊度較大，不利于排矸。

圖9 三角柱掏槽爆破效果

5 結(jié)論

(1)螺旋掏槽完全適合于在小斷面石灰?guī)r平巷中掏槽爆破。具體爆破參數(shù)為:d1=150 mm，d2=250 mm，d3=350 mm，d4=450 mm。

圖10 三角柱掏槽爆破振速

(2)在石灰?guī)r平巷掘進(jìn)中，螺旋掏槽優(yōu)于菱形掏槽和三角柱掏槽。螺旋掏槽炮眼數(shù)目少，單位炸藥消耗量低，循環(huán)進(jìn)尺較大，巷道超欠挖量符合質(zhì)量規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，材料消耗較少。

(3)在巖巷掘進(jìn)過程中，確保鉆眼質(zhì)量、裝藥質(zhì)量和炮眼堵塞質(zhì)量也是提高掏槽爆破效果的關(guān)鍵因素。

(4)巖巷掘進(jìn)過程是一個動態(tài)變化過程，在保證爆破工藝和炸藥性能一定的前提下，針對不同的巖石特性采用適宜的掏槽方式是巖巷實現(xiàn)快速掘進(jìn)的有效途徑。

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