硬塑性紅粘土層斜井高效爆破技術研究

吳信遠

【摘 要】紅粘土層的井巷施工的理論、技術和工程實踐都較為缺乏，本文結合寧東礦區紅石灣煤礦斜井掘進，解決了紅粘土斜井爆破的鑿巖機具設備配置，提出了適用于紅粘土層優化的中深孔爆破方案，大大提高了紅粘土層爆破效率，解決了紅粘土層拒爆率高的技術問題，掘進速度比原有提高30%以上。

【關鍵詞】斜井，中深孔爆破，紅粘土層

1 引言

紅粘土層廣泛分布，以其特殊的物理力學性質區別于一般粘性土。從地表至基巖面，寧東礦區以堅硬、硬塑狀態紅粘土層為主在地表廣泛分布，具有較大的塑性變形。紅粘土鉆爆相比巖石層爆破具有不同的特性，鉆孔排粉困難，紅粘土變形大，爆破參數設計要求嚴格，炮眼利用率低，爆破效率差。

巷道鉆爆法的施工水平及技術經濟指標受多種因素制約。由于紅粘土特殊的工程特性，其施工水平及技術經濟指標受多種因素制約，主要包括設備配置、施工組織管理以及鉆掘工藝水平三方面，三者之間相互聯系、相互制約。其中設備配置是最基本的影響因素，科學合理的施工組織是實現快速掘進的前提條件，鉆掘工藝水平是影響掘進水平的關鍵。目前對于紅粘土爆破的現場應用研究不多，施工中爆破技術和機械化配套仍存在一些不足，表現為掘進循環效率低，爆破效果差，炮孔拒爆率高，嚴重的拒爆率達到30%，嚴重制約紅粘土斜井掘進效率。

2 斜井全斷面中深孔控制爆破技術

采用全斷面一次爆破成巷工序簡單、協調方便、效率高，便于組織管理。主要爆破參數包括以下內容。

（1）掏槽方式。巷道掏槽爆破近似為逐段等效集中裝藥下單自由漏斗爆破，掏槽眼間距主要利用條形裝藥在介質中產生的破碎區大小為依據確定。為取得良好的掏槽效果，對于眼深在1.8m左右中深孔爆破，多采用多對斜眼的復式楔形掏槽方式，保證每對斜眼的孔底距在200mm左右。

（2）掏槽中心孔設置與作用。由于掏槽爆破夾制大，有部分紅土層難以拋出，造成炮眼利用率較低，在掏槽眼內部設置中心孔，中心孔起爆后，可以克服紅粘土的“再生”，能把掏槽孔破碎的紅粘土拋出槽外，大大加深掏槽的有效深度，解決炮眼利用率低的問題。

（3）輔助眼和周邊眼的布置。輔助眼和周邊眼的作用主要是繼續擴大掏槽，形成巷道輪廓。輔助眼距一般700mm，方向垂直于工作面，均勻地布置在掏槽眼與周邊眼之間。輔助眼和周邊眼的眼深應盡量一致，周邊眼間距不宜過小，一般500mm，由于紅粘土屬于硬塑性，不同于巖石，周邊眼藥量可以適當加大，但也應考慮周邊成型。

（4）炮眼深度。炮眼深度主要由試驗要求、鉆眼機具的鑿巖能力及工人操作水平決定，還與爆后空頂距有關，空頂距直接影響圍巖的支護和安全施工。基于快速掘進的需要考慮，循環進尺設計在一個班內能完成一個正規作業循環的所有工序。

3 紅粘土層斜井高效掘進優化技術方案與工程實踐

3.1 斜井基本技術特征與施工方案

紅石灣煤礦斜井傾角250，穿越200m以上紅粘土層，巷道斷面為半圓拱形，掘進斷面面積14.42m2，掘進高度3.9m、寬度4.1m。通過比較最后選用規格￠43mm梅花鉆頭、￠40×2200mm梅花鉆桿。炸藥采用礦用乳化炸藥。支護材料為￠20×2200mm螺紋鋼樹枝錨桿、MSCK3540型及MSCK3535型的樹脂藥卷、￠18mm圓鋼的鋼帶，網片為網孔100mm×100mm、規格￠6.5×1000mm×2000mm，噴射混凝土的水泥為PO42.5太西牌水泥，速凝劑采用北京邁克龍力牌，選用砂為中砂、米粒石5～10mm。臨時支護采用￠75mm鋼管制作。噴射混凝土厚度100?，錨桿間排距為800×800?。

根據設備性能、施工順序、施工要求，全斷面掘進的機械化作業線的主要設備有EZL-21/2型手持式氣動鉆機鑿孔配麻花鉆桿，MQB-50型手動手持錨桿鉆機打錨桿孔，運輸采用￠2.5mm絞車提升，6立方箕斗運輸。

根據現場條件、設備配制及施工水平，采用“三八”制組織生產和“三班掘進、邊掘邊噴”的施工工藝。迎頭采用全斷面一次掘進，施工操作主要程序如下：迎頭打眼→裝藥→放炮→敲幫問頂→初噴→排矸→浮矸臺上錨網噴支護→排矸→支護兩幫（滯后迎頭兩循環）。

為了充分利用掘進循環時間，在平巷快速掘進中積極采用多工序平行交叉作業。從整個平巷施工工序來看，主要是掘進、支護平行作業，而掘進主要是鑿巖和裝巖兩個主要工序的平行作業。為充分利用大斷面空間，采用“前面打眼，后面裝車；前面施工，后面復噴；前面初噴，后面裝車”作業方式。為更好提高工效和施工進度，工序安排原則上是能后放的盡量放后，使迎頭集中力量掘進，從而加快巖巷施工速度。

3.2 紅粘土層的爆破參數優化

現場調研發現原方案微差爆破技術實施不合理，爆破效果較差，炮眼利用率僅為70%左右，同時拒爆率高，殘眼多，出現區域一般在斷面上中部的崩落眼或周邊眼上，基本情況是雷管響了，而炮眼內的炸藥未起爆，循環進尺低，原有施工方案平均1.3m，拒爆率高導致全斷面一個循環的爆破次數達到2次以上，有的甚至達到4次，降低了炸藥爆轟的共同作用，炸藥消耗量大。主要是由于槽眼布置的掏槽眼間距大、槽眼未超深、起爆順序不合理等造成。通過對現場條件和爆破效果分析，該斜井急需解決的問題：（1）提高循環進尺；（2）控制拋擲量；（3）改善斷面成型；（4）提高炮眼利用率；（5）降低爆破次數；（6）降低單位炸藥消耗量；（7）降低炮眼拒爆率。

3.3 紅粘土層的現場爆破效果比較

紅石灣煤礦斜井掘進的紅粘土層現場爆破試驗前后歷時近40天，主要從爆破參數上進行調整，輔助部分施工工序調整。通過改變爆破參數，加大打眼深度，打眼深度由以前的1.6m提高到1.8m；同時針對巖性特點，采用優化炮眼排列、角度、深度、裝藥量以及爆破順序，炮眼利用率顯著提高了，循環進尺加大了，提高了掘進速度，而且巷道周邊成形好。

爆破參數優化后，從現場記錄和統計，打1.8m深的炮眼，其炮眼爆后殘眼深度為0～0.15m，單班循環的炮眼數在現有基礎上減少5個，單班循環進尺由原來的1.3m平均提高到1.72m，炮眼利用率由原來的80%提高到達90%以上，有的循環炮眼利用率達到100%。

爆破參數優化后炸藥消耗量得到降低，單班循環原有共計用藥31.7kg，采用爆破優化方案后單班循環共計用藥29.6kg，單位炸藥消耗量由原來的1.69kg/m3顯著降低到1.25kg/m3。

特別在嚴格執行微差爆破技術，微差時間控制在一個段別，不允許跳段，炮眼間距交叉布置，解決了高塑性紅粘土爆破的高拒爆率問題，由原來的拒爆率達到24%到3%左右。

4 結論

通過改變爆破參數，采用優化炮眼排列、角度、深度、裝藥量以及爆破順序，適當加大打眼深度，提高了炮眼的利用率及循環進尺。分析現有爆破中存在的問題，從現場下山掘進的試驗實施來看，解決了制約掘進單進水平的最為關鍵的爆破拒爆的技術難題，采用新的科學勞動組織形式，取得了良好的技術經濟效果，實現了煤礦深部巷道安全優質高效掘進，降低了材料消耗，大大提高了井巷工程質量，掘進速度比原有提高30%以上，具有顯著的技術效果和巨大的經濟效益。提出的紅粘土層爆破技術方案在同類地質條件具有廣闊的推廣和應用前景。