宋培章，陳 弦，黃保營

(陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司，陜西 西安 710021)

在西部白堊系含水層中，煤礦立井井筒施工多采用凍結法[1]，深孔爆破技術已被廣泛應用于立井井筒的掘進中[2-4]。但是在凍結法施工中，巖石處于低溫的凍結狀態(tài)，巖石內部的水全部凍結，改變了原有巖石的物理特性[5-10]。在現(xiàn)場實踐過程中，立井凍結基巖段采用鉆爆法施工時往往存在以下問題[11-15]：采用常溫下巖石力學參數(shù)進行爆破參數(shù)設計勢必導致爆破效果不理想；受凍結的影響殘眼長度大，影響爆破進尺，爆破效率低，爆破效果控制難度大；炮眼布置不合理造成凍結巖體塊度大，裝巖效率低。本文針對新莊煤礦回風立井井筒凍結基巖鉆爆法施工過程中的爆破方案進行優(yōu)化，增強了爆破效率，提高了爆破效果。

1 工程概況

新莊礦井建設規(guī)模為800萬t/a，采用立井開拓方式，其回風立井設計深度966.6m，其中，包括井頸14m，井身952.6m，井筒凈直徑7.5m，掘進荒徑最大處11.3m。地層以白堊系志丹群洛河及侏羅系為主要含水層，含水層厚度大，涌水量較大，因此回風立井按原普通法設計方案已經(jīng)施工90m后變?yōu)閮鼋Y法施工，凍結深度至直羅組中的部分含水層，凍結深度910m，其中基巖段長692m，采用鉆爆法施工。

井筒穿過基巖地層自上而下有：白堊系環(huán)河華池組，厚度為203.27m，巖性為中、細粒砂巖、粉砂質泥巖、泥巖，總體抗壓強度為25.7～63.48MPa；白堊系洛河組，厚度為450.61m，巖性主要為細～粗粒砂巖，泥質膠結，該巖組巖石總體抗壓強度為20.8～65.2MPa；侏羅系安定組，厚度為31.32m，巖性為泥巖、砂質泥巖夾中粗粒砂巖、砂礫巖，該巖組巖石總體抗壓強度為33.2～55.2MPa。

2 凍結基巖段爆破初步方案及效果評價

2.1 爆破初步方案

使用XFJD-6.11型傘鉆，配6臺YGZ-70型風鉆，B25中空六角鋼鉆桿，配?52mm十字型鉆頭打眼。煤礦許用T330水膠炸藥，藥卷規(guī)格為?45mm×500mm×0.8kg，周邊眼采用?35mm×500mm×0.6kg藥卷。選用6m長腳線，段別分別為1、3、5、7、9、11或2、4、6、8、10、12段毫秒延期電雷管。

根據(jù)井筒所穿過巖層巖性，初期爆破參數(shù)按軟巖f<3進行設計。采用“多打眼、少裝藥”的施工方法，為了配合模板高度4.0m，確定炮眼深度4.4m。凍結基巖段采用雙階直眼掏槽法，掏槽眼深度分別為3.5m和4.7m，共布置炮眼157個，井筒施工爆破參數(shù)見表1。

表1 凍結基巖爆破參數(shù)表

2.2 存在問題

1)實際施工過程中，按照表1爆破設計參數(shù)進行爆破施工，成井速度不理想。當炮眼深度為4.4m時，每炮平均進尺3.5m，炮眼平均利用率為80%左右。而且每炮進尺差異大，部分井筒段出現(xiàn)炮眼利用率僅有68.1%的情況。

2)為提高爆破效率，在施工過程中又嘗試采用5.5m加長鉆桿，眼深5.2m，增加鉆孔數(shù)量(由157個增加到210個左右)、增加裝藥量等方法，但掘進進尺依然難以提高，平均進尺僅為3.8m，仍未達到4.0m，平均炮眼利用率僅為72%左右，嚴重影響井筒快速施工，成本增加明顯。而且隨著鉆桿加長和炮眼加深，斷鉆桿現(xiàn)象嚴重，平均每炮斷鉆桿達17.8根，特別是巖層破碎處、層位明顯處斷鉆桿幾率大，同時也出現(xiàn)了鉆眼時鉆進非常容易，拔鉆桿費時費力現(xiàn)象，個別鉆桿拔出需要十幾分鐘，大大影響了掘進效率。

2.3 原因分析

新莊風井剛進入基巖段時月進尺只有70.6m，成井速度遠低于預期要求。通過現(xiàn)場觀察和分析，主要存在以下原因：靠周邊位置的炮眼內有積水，受凍結環(huán)境影響孔底結冰，裝藥裝不到底，導致爆破后，井幫、井底成形不規(guī)則，欠挖量較多，光面爆破成形差；施工采用的鉆孔深度4.4m和5.2m，屬于中深孔和深孔爆破，而且?guī)r石凍結后強度增加。當炮孔深度較深時，爆破的夾制作用增加，對爆破不利，尤其是掏槽效果不理想，因此造成爆破后殘眼長度大，炮眼利用率低；深孔爆破由于炮眼利用率低，殘孔深，裝藥又位于底部，爆破對殘眼周圍及其下部巖石損傷較大，爆破后出現(xiàn)更多裂隙，在此基礎上鉆孔，其孔眼很不規(guī)整，必然引起夾鉆和拔釬困難的問題，而深孔的釬桿長，撓度又大，釬桿就容易斷裂，影響施工進度，施工成本增大。

3 凍結基巖爆破參數(shù)優(yōu)化

3.1 凍結基巖強度分析

凍結后的巖石抗壓強度和普氏硬度系數(shù)均有一定程度提高，在爆破設計時應充分考慮巖石凍結的影響。因此在凍結作用下對白堊系華池組砂質泥巖類和粉砂巖、洛河組泥巖類和粉砂巖f系數(shù)取8；對白堊系華池組泥巖和細粒砂巖、白堊系洛河組中粒砂巖、粗粒砂巖、礫巖類f系數(shù)取3；對白堊系洛河組細粒砂巖、侏羅系安定組所有巖層f系數(shù)取6。在進行爆破參數(shù)設計時，將圍巖統(tǒng)分為兩類：即f>6和f<6。

3.2 優(yōu)化后的爆破方案

1)掏槽方式。為了提高爆破效果，增加爆破自由面，在井筒中心鉆打2m深鉆孔，做為爆破的空心眼，并且減少掏槽眼間距，提高掏槽效果。掏槽孔選擇2階直眼掏槽。

2)眼深。施工模板高度為4m，結合凍結基巖的巖石系數(shù)選擇炮眼深度，當圍巖硬度系數(shù)f<6時，輔助眼及周邊眼深度為4.5m，一階掏槽眼深度為3.5m，二階掏槽眼深度為4.7m；f>6時，輔助眼及周邊眼炮眼深度為4.7m，一階掏槽眼炮眼深度為4.0m，二階掏槽眼炮眼深度為4.9m。

3)最小抵抗線。根據(jù)巖石的性質和選取的炸藥，確定最小抵抗線。圍巖硬度系數(shù)f<6時，圈距取800mm；f>6時，圈距取700mm。

4)孔距。根據(jù)新莊風井基巖段爆破經(jīng)驗，確定密集系數(shù)f<6時，輔助眼m=1m，周邊眼m=0.62m。確定密集系數(shù)f>6時，輔助眼m=1.2m，周邊眼m=0.7m。

按照不同巖石系數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化后的爆破參數(shù)見表2、表3。

表2 凍結基巖段爆破參數(shù)表(f<6)

表3 凍結基巖段爆破參數(shù)表(f>6)

3.3 施工技術要點

1)為了提高光爆成形質量，周邊眼采用細長木條進行預留空氣柱裝藥，掏槽眼、輔助眼堵塞長度不得小于500mm，周邊眼堵塞長度為400mm。

2)對于底部殘眼松動部分清底時撬除干凈，防止打鉆時夾釬，鉆孔時控制好各圈眼落底深度，爆破后底部呈鍋底形，便于支鉆、鉆孔以及巖粉聚集。

3)在鉆眼時，鉆進過程不能停止，一旦停止，立即拔出鉆桿，否則凍住很難處理。

4)炮眼鉆好后，應在炮眼內注高濃度鹽水并用木楔將炮眼塞上，有效地避免炮眼積水結冰。

5)根據(jù)凍結管偏斜圖，嚴格控制周邊眼的傾角，確保周邊眼與相鄰凍結管的距離大于1.2m，并不能使炮眼向凍結管方向偏斜。

3.4 優(yōu)化方案實施效果分析

1)光面爆破效果良好。采用木楔封堵眼孔和炮眼內注高濃度鹽水，有效避免了因炮眼內水凍結導致炸藥不能裝入炮眼底部，導致爆破后需要風鎬開幫或二次打開幫眼爆破的現(xiàn)象。周邊眼裝藥結構采用空氣墊層裝藥結構，提高了光面爆破效果，保證了井筒周邊光爆成形質量，周邊眼平均眼痕率達62.4%；避免了超挖和欠挖現(xiàn)象，混凝土用量由原來的超設計140%降低至125%左右，大大節(jié)約了支護材料費用。

2)炮眼利用率大大提高。根據(jù)圍巖凍結后強度并將其分類，針對不同的硬度系數(shù)采用不同的爆破設計參數(shù)進行爆破。爆破后平均進尺達到4.0m，炮眼利用率達到85%以上。

3)采用中深孔爆破技術，同時施工過程中對井底進行徹底清理，避免了采用深孔爆破時，炮眼利用率低且易出現(xiàn)斷鉆桿現(xiàn)象的發(fā)生，避免了鉆桿難以拔出且降低了鉆孔時間，提高了掘進效率。

4)爆破后巖石塊徑適中，裝巖時間明顯縮短，雙鉤不甩罐，每小時提升矸石量平均達70m3。

綜上分析，新莊風井井筒外壁施工中，通過對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，結合科學的組織管理，連續(xù)3個月凍結外壁成井超110m，取得了良好的經(jīng)濟效益。

4 結 論

針對新莊風井凍結基巖段施工初期出現(xiàn)的爆破效率低、掘進速度慢、斷鉆桿嚴重等問題，提出了三方面的優(yōu)化，主要包括：

1)根據(jù)巖石凍結后的硬度系數(shù)將圍巖分為兩類(f>6和f<6)進行爆破參數(shù)設計，確定了不同的炮眼深度、最小抵抗線、眼距等。

2)采用二階直筒掏槽和中空眼相結合的方式，大大提高了掏槽效率。

3)改變周邊眼裝藥結構，采用空氣墊層裝藥結構，提高了光面爆破效果，保證了井筒周邊光爆成形質量，減少了混凝土用量，節(jié)約了支護材料費用。