深孔聚能爆破掏槽技術在張小樓井掘進實踐中的應用

摘要：針對龐莊煤礦張小樓井傳統的鉆爆法施工中存在的機械作業效率低、單循環進尺小且爆破作業的安全性難題，基于聚能定向爆破效應，創造性地設計出多縫線射流聚能藥卷，可在煤層獲得較大范圍爆生裂隙網，增大炮孔間距，大大減少鉆孔工作量，提高巖石破碎度；同時采用雙楔形掏槽爆破，所需掏槽眼數目較少，單位耗藥量小，具有極大的優勢。因此此高效掏槽技術可在硬巖巷道爆破掘進中進行試驗，對解決張小樓井大斷面硬巖巷道的安全快速掘進難題有極大的參考價值。

關鍵詞：深孔聚能定向爆破 掏槽技術 硬巖巷道 快速掘進

0 引言

我國煤炭開采以井工為主，巷道掘進量非常大。為了加快建井速度，目前高產高效礦井提倡開拓巷道多做煤巷少做巖巷，但當巷道服務年限較長，或者礦山壓力較顯現時，為減少支護難度，一般選擇巖巷來進行開拓和準備[1]。雖然巖巷掘進推廣使用液壓鉆車、鉆裝機械，使掘進裝載機械化程度達到了80%，但鉆眼爆破法容易出現超挖或者欠挖，如果裝藥不當，有可能對巷道圍巖造成損傷，增加支護的難度[2]。如果仍采用傳統的鉆爆法施工，則不足以滿足礦井安全高效的要求。

龐莊煤礦張小樓井埋深大、圍巖堅硬，普氏系數在8以上，有的甚至達到了12，致使巖巷掘進困難，巖巷掘進爆破施工技術主要為“淺眼多循環”爆破施工技術，這就降低了機械作業效率，不僅降低了單循環進尺，且爆破作業的安全性得不到保證。因此需要優化現有工藝，為此提出采用深孔聚能定向爆破新技術，實現高效掏槽，以解決張小樓井大斷面硬巖巷道的安全快速掘進難題。

1 工程概況

龐莊煤礦張小樓井隸屬于徐州礦務集團有限公司，礦井位于徐州市西北銅山縣柳新鎮和劉集鎮境內，距徐州市區13km。東鄰江蘇天能集團柳新煤礦，西鄰徐州礦務集團夾河煤礦，南鄰龐莊井。張小樓井采用立井、多水平開拓，主要開采煤層為下石盒子組2煤及山西組七煤和9煤。新主井和新副井落底水平為-1025m水平，回風水平為-400m水平，現生產水平為-1025m水平，采用上、下山開采。

張小樓井巖巷集中了深部開采、地應力復雜、巖石堅硬、斷面大的特點，由于圍巖應力特性十分明顯，給巷道鑿巖帶來了較大的困難。如鉆孔效率低、爆破效果差、循環進尺小等特點，因此如何解決巷道快速掏槽，尤其是受夾制力作用較大的堅硬圍巖條件下巷道快速掏槽問題就成為亟待解決的問題。其技術難點在于：隨著礦井逐漸向深部發展，巷道圍巖呈現地壓大的特點，常規的鑿巖鉆孔和爆破技術及其對應機械設備和裝置已不能滿足安全生產和快速掘進的需要；巷道的開拓，為了最大程度的控制變形，巷道的布置必須選在穩定和比較穩定的巖層中，依靠圍巖自身的強度減少圍巖的變形。相應的關鍵技術在于：采用多向聚能掏槽裝置，正確設計掏槽參數；依靠高效的鑿巖設備，提高掏槽效率，提高循環進尺；采用深孔爆破，合理選擇掏槽方式。

2 聚能定向爆破效應

爆轟產物運動方向具有與表面垂直或大體垂直的基本規律。利用這一基本規律將藥包制成特殊形狀（如半球形空穴，拋物形空穴、雙曲線形空穴、錐形空穴等），爆炸時靠空穴閉合產生高壓、高密度、高速度的運動氣體流，使爆轟產物集聚，能量密度提高。沿軸線向外射出的高能量、高密度聚能流的現象稱之為聚能效應，又稱諾爾曼效應[3]。

聚能藥卷維持了炸藥爆轟的穩定傳播，高壓爆生氣體的“氣楔效應”是聚能方向的壓縮徑向裂紋得到擴展的主要驅動力，同時也抑制了非切縫方向壓縮徑向裂紋的發展，在定向裂紋擴展中占有主要的地位[4]。

3 深孔聚能定向爆破高效掏槽技術

3.1 聚能藥包 對傳統藥包在結構上進行了改造，聚能藥包由PVC套管、礦用乳化炸藥等組成，設計出多縫線射流聚能藥卷，其原理是在PVC套管上管壁環向映射布置加工成多條狹長縫形成多縫線射流聚能藥卷，示意圖見圖1所示，可在炮孔徑向形成多股聚能射流，實現爆炸主裂紋多方向擴展，在聚能槽周圍孔壁集中受力，最易形成裂紋，爾后在爆生氣體作用下快速擴展，切割巖石形成碎塊[5]。

3.2 爆破方式 目前張小樓井巖巷掘進爆破施工技術主要為“淺眼多循環”爆破施工技術。這就降低了機械作業效率，增加輔助作業量，延長了輔助作業時間，不僅降低了單循環進尺，也降低了月進尺，且爆破作業的安全性得不到保證。

國內外巖巷施工的大量經驗表明，加大每個循環的爆破深度可以減少設備的移動和間歇時間，減少工序的交換和輔助工作時間，利于多臺鉆機機械化作業，加快井巷掘進速度。但是炮孔深度增加并不一定意味著循環效率提高，也并不能改善炸藥能量的合理分配。提高循環效率的關鍵在于以合理的爆破設計為基礎，最大限度地提高炸藥能量利用率，以提高炮眼利用率，同時減少炮孔數量，縮短循環時間。另一方面，由于炮孔深度增加，使施工人員常存在著懼怕爆不下來的心理，往往裝藥量較多，造成超挖嚴重，圍巖成型效果不高，圍巖松動破壞。不僅增加了出矸量和錨護材料消耗，也降低了巷道的穩定性。因此，爆破方案的選擇應根據現場工程條件、技術條件、施工機具、人員配置和施工安全性綜合考慮。經研究和實驗，確定采用深孔全斷面一次起爆爆破方式，可增加炮眼深度，以便增加單循環進尺，增加一次爆破巖石量，減少打眼裝藥等輔助作業。

3.3 掏槽方式 要改善巷道整體爆破效果，必須通過掏槽方式人為地創造新的自由面，掏槽眼將自由面上某部位的巖石順巷道前進方向掏出一個凹槽作為第二個自由面，以利其他炮眼爆破時提高炮眼利用率，它是決定爆破效果的關鍵。

由于巷道斷面較大，巖石硬度大，深孔爆破時雙楔形掏槽方式具有較好的掏槽效果。其掏槽機理是，一階掏槽爆破后，在應力和爆轟波氣體的綜合作用下，槽腔內巖石被破碎并向工作面方向推移，形成漏斗形槽腔，為二階掏槽創造了一個新的自由面，并由此改變了深部巖石所受的夾制作用，使其強度降低，有利于巖石的爆破破碎和運動；同時還造成巖石中的殘余應力和大量的爆生裂隙以增強巖石的破碎[6]。研究結果表明，雙楔形掏槽可以增大槽腔體積，提高掏槽深度，拋擲作用下，爆堆集中，利于裝巖。采用雙楔形掏槽爆破，一階掏槽和二階掏槽間隔時間25ms。

在起爆的先后順序上，確定第一階掏槽眼為一段，第二階掏槽眼為二段。

4 結論

①基于聚能爆破定向致裂效應，創造性地設計出多縫線射流聚能藥卷，可在煤層獲得較大范圍爆生裂隙網，增大炮孔間距，大大減少鉆孔工作量，提高巖石破碎度。②針對張小樓井巖巷斷面大、巖石硬度大、受夾制作用強的特點，采用雙楔形掏槽爆破，所需掏槽眼數目較少，單位耗藥量小。③此高效掏槽技術可在硬巖巷道爆破掘進中進行試驗，對解決張小樓井大斷面硬巖巷道的安全快速掘進難題有極大的參考價值。

參考文獻：

[1]閆日武，王高.大斷面巖巷快速掘進技術[J].建井技術，2002，

23（1）：6-8+39.

[2]崔增祁，李樹青.巖巷施工技術的回顧與展望[J].建井技術，1996，38（Z2）：3-5.

[3]郭德勇，裴海波，宋建成等.煤層深孔聚能爆破致裂增透機理研究[J].煤炭學報，2008，33（12）：1381-1385.

[4]李清，梁媛，任可可.聚能藥卷的爆炸裂紋定向擴展過程試驗研究[J]，巖石力學與工程學報，2010，29（8）：1684-1689.

[5]郭德勇，宋文健，李中州.煤層深孔聚能爆破致裂增透工藝研究[J].煤炭學報，2009，34（8）：1086-1089.

[6]張煒，張東升，邵鵬，王旭鋒.深部高應力巖巷快速鉆爆施工技術[J].煤炭學報，2011，36（1）：43-48.