半煤巖巷快速掘進(jìn)爆破參數(shù)優(yōu)化研究

高超建

(山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西陽泉 045008)

在進(jìn)行半煤巖巷掘進(jìn)過程中會(huì)遇到諸多問題，如半煤巖巷道在掘進(jìn)時(shí)巷道成型差，圍巖破壞比較嚴(yán)重，尤其在掘進(jìn)比較破碎的巖層破壞更為嚴(yán)重，使得在掘進(jìn)過程中安全系數(shù)下降。這還造成巷道的支護(hù)難度加大，推延巷道掘進(jìn)的進(jìn)度等。這就加大了施工的難度，并且掘進(jìn)工序比較復(fù)雜。造成這些問題的原因有很多，如爆破技術(shù)不先進(jìn)、支護(hù)技術(shù)不足、施工工藝落后等。為此本文對(duì)半煤巖巷快速掘進(jìn)爆破的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以解決以上問題。本文以呂溝煤礦38026工作面進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化。

1 爆破參數(shù)的計(jì)算

首先對(duì)巷道的斷面進(jìn)行確定，根據(jù)各因素考慮，原來梯形巷道上底太寬，故要對(duì)此進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)修改后上底為3.8 m，下底寬度為4.5 m。這就可以對(duì)巷道的掘進(jìn)工程進(jìn)行減少，同時(shí)也對(duì)巷道周邊應(yīng)力集中狀態(tài)進(jìn)行改善，掘進(jìn)的速度也隨之加快。

1.1 炮眼數(shù)目的選擇

炮眼數(shù)目的選擇是起爆工作中重要部分之一。對(duì)巷道的圍巖穩(wěn)定有著決定性影響。炮眼數(shù)目計(jì)算公式如下:

其中，N為炮眼個(gè)數(shù)，個(gè);q為定額單位炸藥消耗量，取值為1.45 kg/m3;S為巷道掘進(jìn)斷面面積，m2;η為炮眼利用率;lL為炮眼平均裝藥系數(shù)，取 0.5 ～0.8;mex為每個(gè)藥卷質(zhì)量，kg。

對(duì)38026工作面炮眼數(shù)目進(jìn)行計(jì)算:

所以可以確定炮眼數(shù)目為37個(gè)。

1.2 炮眼深度

炮眼深度的確定也是爆破工作中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。炮眼的深度決定著循環(huán)進(jìn)尺，本文采用中深孔爆破技術(shù)。確定合理炮眼深度，必須依照巷道的實(shí)際情況而定，同時(shí)也要考慮月進(jìn)度要求、裝藥條件等因素來確定炮眼的深度。炮眼深度的確定的公式如下:

其中，Lm為計(jì)劃進(jìn)尺，m;M為每月掘進(jìn)天數(shù);N為每日完成的掘進(jìn)循環(huán)數(shù);η為炮眼利用率，0.85～1.0;η1為正規(guī)循環(huán)率，0.85 ～0.9，38026 工作面取 0.87。

可計(jì)算38026工作面炮孔深度:

故可知炮眼深度L=2 m。

同時(shí)為了滿足要求炮眼直徑選擇40 mm～42 mm。

2 掏槽參數(shù)計(jì)算

掏槽眼的作用是為了在爆破工作中創(chuàng)建第二個(gè)自由面。掏槽眼一般分為斜眼掏槽和直眼掏槽。但就巷道深孔爆破來看掏槽眼可分為階段直眼掏槽、分段直眼掏槽。根據(jù)38026工作面的特點(diǎn)，為了使煤炭回收率提高，其空眼內(nèi)應(yīng)裝少量炸藥，先定掏槽方式為階梯直線掏槽，布置在煤層中，利用其生產(chǎn)的能量及氣體的體積膨脹，將煤向外推出，最大限度地提高煤炭回收率。

2.1 掏槽眼深度

掏槽眼的深度也是決定巷道能否快速掘進(jìn)的因素，故也要對(duì)掏槽眼的深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先按照工作面銜接的要求，每個(gè)循環(huán)凈進(jìn)度應(yīng)大于1.8 m，還有也要考慮炮眼利用率最小應(yīng)為90%，并且要求炮眼應(yīng)比其他炮眼的深度多出200 mm，只有這樣才能確保該爆破工作的起爆效果，故現(xiàn)定掏槽眼深度為2.2 m。因?yàn)樵撎筒鄯绞绞请A段直掏槽眼，故可將掏槽分為第一階段和第二階段。其中第一階段的掏槽眼深度為1.5 m，這個(gè)為第二階段的掏槽創(chuàng)造自由面，同時(shí)也對(duì)該周邊煤巖產(chǎn)生一定的裂隙，這也為接下來的第二階段的掏槽工作創(chuàng)造了良好的條件，即為第二階段減小了夾制力的制約。第二階段的掏槽眼深度為2.2 m，它的作用主要是再次加大掏槽眼的深度和巖石的投擲，以提高巷道掘進(jìn)的效率。

2.2 掏槽眼間距

中深孔直眼掏槽眼間距的布置沒有一個(gè)明確理論對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。但是可以根據(jù)爆破所產(chǎn)生的內(nèi)部作用時(shí)期煤巖進(jìn)行破碎的大小來確定其掏槽眼的排布間距。其計(jì)算方式如下:

作用在其炮眼孔壁上的壓力為:

徑向方向應(yīng)力波衰減規(guī)律:

其中，db為炮眼的直徑，mm;r為與炮眼中心的距離;α為應(yīng)力波衰減系數(shù)，α=2－μ/(1－μ)。

此時(shí)，如果P是大于巖石的抗壓強(qiáng)度σc，則表示所爆破的巖石已經(jīng)破碎。根據(jù)此理論可以計(jì)算掏槽破碎區(qū)域的半徑rp，可知掏槽眼孔距，令p=σc，得到孔距:

同時(shí)也要考慮炮孔的孔距影響，即孔距值應(yīng)該比計(jì)算的理論值大30%。

這時(shí)將 ρ0=1 050 kg/m3，D=2 000 m/s，db=40 mm，dc=32 mm，掏槽眼長度一階段計(jì)算Lb=1 541 mm，Lc=800 mm，μ=0.28，a=1.61，ρ=1 512 kg/m3，σc=8.5 MPa，n=8 代入式(1)，式(3)得到 P=154.0 MPa;a=241.8 mm;放大30%后，a1=314.3 mm。

因?yàn)樘筒墼O(shè)計(jì)沒有應(yīng)用通常的空孔，空孔內(nèi)也要裝少量的炸藥，因此掏槽眼的間距可以比計(jì)算值大，即可以取值為400 mm。

2.3 掏槽眼裝藥計(jì)算

掏槽眼裝藥量根據(jù)裝藥系數(shù)確定直掏槽眼的裝藥量，計(jì)算如下:

Q= ηLq1。

其中，L為炮孔的深度，m;η為炮孔裝藥系數(shù)，為裝藥長度與炮孔長度的比值，本文的取值為0.52;q1為直孔掏槽線裝藥密度，kg/m，見表1。

可知 Q=0.59 kg，所以實(shí)際裝藥為 0.60 kg。

表1 2號(hào)巖石直孔掏槽線裝藥密度

3 輔助眼參數(shù)計(jì)算

輔助眼起到的作用是崩落大量的巖石和繼續(xù)使掏槽眼進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.1 輔助眼最小抵抗線和其間距

在掏槽眼起爆后，會(huì)形成槽腔，這時(shí)輔助眼就有兩個(gè)自由面，其爆破的參數(shù)應(yīng)以自由面的面層布置，均勻的分布在巷道掘進(jìn)的設(shè)計(jì)斷面上，并根據(jù)斷面的大小調(diào)整最小抵抗線及臨近系數(shù)，根據(jù)單孔的裝藥量，其最小抵抗線可按表2進(jìn)行確定。

表2 崩落最小抵抗線W m

根據(jù)表2可知最小抵抗線取值為0.85 m。

其輔助眼炮孔間距為 ar=(0.8∶1.3)W=620 mm。

3.2 輔助眼裝藥量

其裝藥計(jì)算按照經(jīng)驗(yàn)公式去計(jì)算，其計(jì)算公式如下:

其中，q為單位體積裝藥消耗量，在這里取值1.45 kg/m3;ar為爆破間距，0.62 mm;W 為輔助眼抵抗線，0.85 m;L為炮眼深度，2.0 m;η 為炮眼所在部位系數(shù)，0.3。故經(jīng)過計(jì)算 Q=0.45 kg。

4 周邊光面爆破參數(shù)計(jì)算

光面爆破參數(shù)是在爆破工作中至關(guān)重要的技術(shù)，其決定爆破的質(zhì)量。光面爆破受到多種因素的影響，如煤礦的地質(zhì)條件、鉆孔的質(zhì)量、炸藥的質(zhì)量等因素的影響。該巷道爆破掘進(jìn)應(yīng)用的是2號(hào)巖石乳化炸藥，見表3，光面爆破技術(shù)參數(shù)見表4。

根據(jù)表4可知該巷道周邊眼孔距定為500 mm。最小抵抗線可以取為0.85 m。

5 實(shí)例及結(jié)論

呂溝煤礦，生產(chǎn)能力為450 kt/年，開采5號(hào)，6號(hào)煤層，煤層厚度為1.3 m和0.9 m。巷道掘進(jìn)的煤層傾角為13°～15°。38026采煤工作面機(jī)巷設(shè)計(jì)長度為600 m，沿煤層掘進(jìn)。其運(yùn)輸巷平面圖見圖1。

表3 2號(hào)巖石乳化炸藥參數(shù)

表4 周邊光面爆破技術(shù)參數(shù)

圖1 巷道工作面機(jī)巷平面圖

表5，圖2分別為爆破的初始數(shù)據(jù)和爆破的巷道炮眼布置及裝藥結(jié)構(gòu)。其數(shù)據(jù)是指導(dǎo)爆破作業(yè)的重要技術(shù)。

表5 爆破的初始數(shù)據(jù)

圖2 巷道炮眼布置圖

通過以上研究得出以下結(jié)論:

1)對(duì)工作面的機(jī)巷進(jìn)行了爆破具體參數(shù)的設(shè)計(jì)，如炮眼的數(shù)目、深度、裝藥量等。

2)對(duì)起爆的掏槽眼、周邊眼都進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，及各炮眼的布置及裝藥的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3)掘進(jìn)半煤巖巷道時(shí)，循環(huán)進(jìn)尺1.8 m以上，炮眼利用率高，無超欠挖。對(duì)于爆破使用的炸藥消耗比較低，很大程度上減少了爆炸應(yīng)力波對(duì)巷道圍巖的破壞，最重要的是提高了巷道的掘進(jìn)速度，同時(shí)也提高煤礦生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

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