含大直徑中空孔的直眼掏槽在巖巷掘進的應用

刁先鵬

(中國平煤神馬建工集團有限公司建井一處,河南省平頂山市,467000)

含大直徑中空孔的直眼掏槽在巖巷掘進的應用

刁先鵬

(中國平煤神馬建工集團有限公司建井一處,河南省平頂山市,467000)

為加大八礦運輸上山掘進工作面爆破進尺,根據施工現場的實際地質情況,決定采用CMJ17HT全液壓鉆車代替YT－28型風鉆打眼。重新設計了爆破參數,改用含大直徑中空孔的直眼掏槽方式進行爆破掘進。經過近半個月的現場試驗,爆破進尺有明顯提高,說明增加掏槽眼自由面的面積,有利于提高爆破進尺。

爆破掘進 大直徑中空眼 直眼掏槽 自由面 CMJ17 HT全液壓鉆車

1 工程概況

八礦二號井運輸上山設計全長約1021.46 m,設計最大坡度13°,最小坡度8°,根據相關地質資料及東翼回風上山實際揭露巖層情況顯示,巖層傾角6°～22°,巷道主要穿過砂巖、石灰巖,巖石硬度系數6～10,局部巖層有起伏或斷層等地質構造。施工巷道設計掘進斷面寬4440 mm,凈高3620 mm,墻高1400 mm,掘進斷面面積13.96 m2。支護形式采用錨網噴＋錨索聯合支護,噴漿厚度120 mm,混凝土強度C20。

2 施工方法

由于工期較緊,原有的掘進方式爆破進尺低,無法滿足施工要求,所以對爆破方案進行了改進,采用大直徑中空孔直眼掏槽的方式進行爆破。打眼時首先在巷道斷面中下部采用淺孔錘打大直徑中空眼,中空炮眼直徑100 mm,其余炮眼采用CMJ17 HT全液壓鉆車打眼,炮眼直徑42 mm。全液壓鉆車整機功率55 k W,重量8.8 t,爬坡能力14°。裝藥結構采用正向裝藥,使用毫秒延期電雷管串聯引爆,使用直徑為35 mm的三級煤礦許用乳化炸藥進行爆破,一次裝藥,一次起爆,一次成巷。出砟時采用P60B型耙斗機出砟,并將矸石倒入2 t礦車,然后由55 k W絞車負責斜巷提升,最后由電機車運送,由推車機推入罐籠運至地面。

3 爆破參數的計算與優化

3.1 炮眼深度的確定

理論上在一定范圍內增加炮眼深度,有利于提高單循環進尺。但隨著炮眼深度的加大,巖石夾制作用也加大,鉆眼速度大大下降,增加了鉆眼時間。所以根據斷面大小的不同和巖石條件的差異,每個斷面都有一個最為合適的打眼深度,打眼深度可以根據經驗公式確定:

式中:L——打眼深度,m;

B——掘進斷面寬度,m。

由式(1)計算得鉆眼深度的最佳取值范圍為2.66～3.55 m,又結合鉆車鋼釬的實際長度,確定炮眼深度為3.0 m,中心眼深度為3.2 m。

3.2 掏槽方式的選擇

在煤礦井下實際的施工作業中最常用的掏槽方式是直眼掏槽和楔形掏槽。直眼掏槽需要打密集炮眼,掏槽眼間距小,一般在100～200 mm,打眼多,耗時長,適合在小斷面掘進時使用。楔形掏槽打眼數量少,一般留有裝少量炸藥或者不裝藥的中空眼,但是打楔形炮眼需要的空間大,所以大斷面掘進中楔形掏槽使用的較多,但是楔形掏槽拋砟距離遠,容易砸壞機械設備。為了能更好地掘進生產,既能讓工人少打眼,又能讓爆堆集中,拋砟不至于過遠,經過理論研究和現場多次試驗認為采用具有大直徑中空眼直眼掏槽方式能夠達到上述要求。

直眼掏槽中含有大直徑中空孔,一方面增加了自由面的面積,另一方面也起到了引導爆炸應力波的作用,使其周邊的裝藥炮孔爆炸后巖石向其所在的方向塌陷。大直徑中空孔提供了足夠的自由面,使掏槽更加充分,有利于爆堆集中,同時掏槽眼的間距也可以適當增大,有利于減少了打眼數量,節省總的作業時間,大直徑中空眼直眼掏槽方式掏槽眼布置如圖1所示。

圖1 大直徑中空眼直眼掏槽眼布置

3.3 掏槽參數的計算

3.3.1 掏槽眼間距

掏槽眼間距的選擇至關重要,直接影響整個爆破作業的最終效果。如果掏槽眼間距過大,爆炸產生的能量無法將巖石破碎并有效拋出;如果掏槽眼間距過小,先爆的炸藥產生的爆炸作用力有可能使相鄰炮孔的炸藥產生拒爆。因此必須合理選擇掏槽眼的間距以及掏槽眼與中空孔間距。

炸藥在巖石中爆炸時,裝藥空間的巖壁會受到強烈的壓縮而形成一個空腔(即擴大的爆腔),保證產生的高溫高壓作用會對與其直接接觸的巖石產生粉碎性的破壞,形成一定范圍的粉碎圈,這一粉碎圈半徑是確定掏槽眼間距的重要依據。粉碎圈半徑的估算:

空腔半徑計算:

式中:Rc——粉碎圈半徑,m;

Rk——空腔半徑的極限值,m;

σ0——多向應力條件下的巖石強度,MPa;

σc——巖石單軸抗壓強度,取80 MPa;

ρm——巖石密度,石灰巖取2700 kg/m3;

Cp——巖石的縱波波速,取3500 m/s;

rb——炮孔半徑,m;

Pw——炸藥的平均爆炸壓力,MPa;

ρe——炸藥密度,乳化炸藥取1100 kg/m3;

De——炸藥爆速,乳化炸藥取3000 m/s。

將取值代入式(2)和式(3),得到Rc為234 mm,也就是說粉碎圈的半徑為234 mm,所以可以取掏槽眼至中空孔的距離為250 mm,即圖1中a值,圖1中的b＝0.7a(由現場經驗確定),掏槽眼之間的距離應該在2倍的粉碎圈半徑以內。

3.3.2 掏槽孔的單孔裝藥量

掏槽孔的單孔裝藥量可以根據蘭格福斯提出的掏槽裝藥集中度的公式計算:

式中:k——直眼掏槽炮眼裝藥集中度,kg/m;

a——裝藥炮眼距中空眼的間距,取250 mm;

φ——中空眼的直徑,取100 mm。

由式(6)計算可得直眼掏槽炮眼裝藥集中度為0.76 kg/m,已知炮眼深度3 m,所以得出每個炮眼的裝藥量為2.28 kg,已知使用的炸藥每卷重量是0.42 kg,長度是400 mm,所以得出每個炮眼的裝藥長度為2.17 m,占炮眼總長度的72.4%,與實際施工中要求的掏槽眼裝藥長度應為炮眼長度的2/3左右相符。

3.4 炸藥單耗的計算

合理確定爆破單位體積巖石所用的炸藥量(即單耗)要考慮巖石的性質、巷道的大小、炸藥的性質、裝藥直徑、炮眼直徑和炮眼深度等諸多因素。因此要精確計算炸藥的單耗相當困難。在實際施工過程中,單耗的選擇多根據經驗公式確定,但所得的單耗值還應根據實際情況進行一定的調整。一般將計算得到的單耗值再乘以一個放大系數1.0～1.5(由經驗確定)。

式中:q——單位炸藥消耗量,kg/m3;

k0——炸藥爆力的修正系數;

P——爆力,使用炸藥說明書中給出,取260 m L;

f——巖石的普氏系數,石灰巖取8;

S——掘進斷面的面積,取13.96 m2。

將數據代入式(7)計算得到炸藥單耗為1.68 kg/m3,乘以放大系數,得到實際炸藥單耗1.68～2.52 kg/m3。

3.5 光面爆破裝藥結構

光面爆破技術在我國的礦山掘進中應用比較廣泛,其作用是使爆破后巷道成型符合設計輪廓線,超挖量少,同時可減少爆破對巷道圍巖的擾動,增加圍巖的自身承載能力,減小支護工作難度,節約支護材料成本。根據巖石和炸藥性質的不同,周邊眼的徑向不耦合系數一般取1.5～2.5;炮眼密集系數一般取0.8～1.0為宜,但由于條件限制,目前只有直徑35 mm的藥卷,采用該炸藥時其不耦合系數只有1.2,為彌補其徑向上的不足,對藥卷進行了改進,在軸向方向上采用間隔裝藥,用水泡泥作為間隔介質,常規裝藥結構與改進后的裝藥結構示意圖見圖2。常規裝藥結構通常是將炸藥送到孔底,然后緊隨其后用黃土炮泥封口,如圖2(a)所示,這種裝藥結構,炸藥爆炸后釋放的能量在裝藥處作用較強而其他地方較弱,不能在整個炮孔全長范圍內均勻釋放;而改進后的裝藥結構是將炸藥分成兩部分,采用統一段別的雷管同時起爆,中間用水炮泥作為間隔介質,黃土炮泥堵在孔口處,如圖2(b)所示,采用這種裝藥結構,炸藥爆炸后其中一部分能量傳遞到水介質中,并進一步作用到孔壁上,這樣在整個炮孔的全長范圍內都有爆炸能量的作用,有利于減小對圍巖的破壞,同時水泡泥在炸藥的爆炸作用下產生的水霧還能夠起到降低粉塵、吸熱降溫的作用。

圖2 周邊眼不耦合裝藥結構示意圖

4 現場爆破

4.1 爆破參數

根據上述計算的各數據以及現場施工經驗,確定了全斷面的炮眼布置,見圖3,炮眼數目及裝藥量等參數見表1。該方案的實際炸藥單耗為2.046 kg/m3,與之前計算的炸藥單耗范圍相符。

圖3 全斷面炮眼布置圖

表1 爆破參數

4.2 試驗結果

經過近半個月的現場試驗,總共采集了13組試驗數據,均取得了較好的爆破效果。爆破后爆堆集中,巖石塊度合理。同時因為采用了光面爆破技術,爆破后巷道成形規整。爆破后的實測數據見表2。

表2 爆破實驗數據

以前使用YT－28型風鉆打眼時,單循環進尺約為1.9 m左右,平均炮眼利用率約75%,改進方案后由現場實測記錄表中可以看出,平均單循環進尺達到2.68 m,平均炮眼利用率達到89.38%,爆破進尺與炮眼利用率達到預期目標。還記錄了光爆的眼痕率,平均眼痕率達到42.13%,但由于放炮后只能記錄到上部斷面的合格眼痕,兩幫的眼痕被爆矸掩蓋無法記錄,實際的眼痕率應大于記錄數據。爆破后拋矸距離也較近,爆堆相對集中,巖石的平均拋擲距離控制在11.5 m以內,有利于后期出矸。

5 結論

采用新的爆破方案后,爆破進尺顯著提高,由原來的1.9 m/炮增加到2.7 m/炮,炮眼利用率也得到有效提高,達到了89.38%,說明了在直眼掏槽中大直徑的中空孔起到了導向孔和增加自由面面積的作用,有利于提高掏槽爆破的效果,并且爆破后爆堆集中,拋矸距離小,工藝安全、高效,對類似的巖巷掘進施工具有一定的參考價值。

另外,采用液壓鉆車打眼,打眼速度快,全斷面75個炮眼只需要約1.5 h,大大節省了作業時間,減小了工人的體力勞動。采用光面爆破技術,有利于巷道成形,保證了圍巖穩定,減小后續支護工作難度,節約了支護材料成本。

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(責任編輯 張毅玲)

The application of parallel cut with large diameter hollow bore in rock drivage

Diao Xianpeng
(China Pingmei Shenma Jiangong Group Jianjing No.1 Bureau,Pingdingshan,Henan 467000,China)

In order to increase the blasting footage in driving face of transportation uphill in No.8 mine,the CMJ17HT full hydraulic drill carriage was chosen to replace the YT－28 type pneumatic drill according to the actual geological conditions in the construction site.The blasting parameters are redesigned,and parallel cut with large diameter hollow bore was applied during blasting excavation.After conducting field trails for nearly half a month,the blasting footage had been significantly increased,which showed that enlarging the free surface area of cutting hole could help to increase the blasting footage.

blasting excavation,large diameter hollow bore,parallel cut,free surface,the CMJ17 HT full hydraulic drill carriage

TD263

A

刁先鵬(1987－),男,安徽天長人,碩士,2013年畢業于安徽理工大學應用化學專業爆破方向,研究方向主要是爆炸技術與應用。