煤礦巖巷短封泥空氣柱光面爆破技術(shù)及應(yīng)用

劉一博 景林波 孟慶武

(中赟國際工程股份有限公司，河南省鄭州市，450007)

煤炭開采技術(shù)的發(fā)展為煤炭資源高產(chǎn)高效開采提供技術(shù)支撐和技術(shù)儲備，對于保障我國能源穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。我國煤炭開采中，井工開采所占比例為80%以上，煤炭井工開采的先行工序是巖巷掘進(jìn)。目前煤礦巖巷掘進(jìn)施工工藝分為鉆爆法和綜掘法兩種，其中鉆爆法對于巖巷適應(yīng)能力較強、成本低、效率可觀，因而鉆爆法巖巷施工在煤礦仍然有一定的應(yīng)用。

然而煤礦地質(zhì)賦存條件千差萬別，尚未有準(zhǔn)確且廣泛適用的計算方法能夠指導(dǎo)煤礦巷道爆破設(shè)計，煤礦爆破設(shè)計仍采用經(jīng)驗類比的方法。特別是煤礦巖巷鉆爆法中，光面爆破無法實現(xiàn)一直是影響鉆爆法巖巷施工支護(hù)質(zhì)量的技術(shù)難題，因為光面爆破質(zhì)量差，錨桿(索)的托盤或鋼帶與巖面接觸效果差，主動支護(hù)效果低。此外，巷道無法實現(xiàn)光面爆破導(dǎo)致巷道超挖和欠挖嚴(yán)重，爆破完成后仍需人工修整巖面，導(dǎo)致巷道施工效率低下。為了有效實現(xiàn)光面爆破，本文根據(jù)爆炸裂紋形成原理，對周邊眼爆炸時圍巖的破裂機理進(jìn)行分析，提出了煤礦巖巷短封泥空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)，在保證爆破裝藥結(jié)構(gòu)滿足煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)要求的同時，有效實現(xiàn)巖巷光面爆破。

1 爆炸裂紋形成原理

爆破設(shè)計最為核心的內(nèi)容為裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而光面爆破的關(guān)鍵是保護(hù)周邊眼孔壁圍巖。炮眼炸藥爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波在炮眼周圍形成輻射型的初始裂縫，然后爆生氣體進(jìn)入初始裂縫，產(chǎn)生靜態(tài)壓力，形成“氣楔破巖”效果，并進(jìn)一步撐裂巖石，形成貫穿的裂紋，裂紋形成過程如圖1所示。已裝藥的炮眼爆炸后形成初始裂縫，爆生氣體在靜態(tài)壓力的作用下，進(jìn)一步貫穿裂縫，形成貫通裂紋。

圖1 炮眼間裂隙形成過程示意圖

基于上述爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用，產(chǎn)生“氣楔破巖”效果的炮眼裂紋形成機理，如果能在爆生氣體滲入裂縫之前，降低爆炸應(yīng)力波破巖初始值，減少形成輻射型初始裂紋的效果，而增加爆生氣體的破巖能量，引導(dǎo)裂縫沿炮眼連線方向形成貫通裂紋，從而形成由沿炮眼連線破巖的光面爆破效果。目前周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)主要為不耦合裝藥，對于此裝藥結(jié)構(gòu)爆炸時產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波破巖壓力為：

(1)

式中：P——爆炸應(yīng)力波破巖壓力，MPa；

dc——藥卷直徑，mm；

D——爆炸應(yīng)力波傳播速度，m/s；

ρ0——藥卷密度，g/cm3；

k——爆炸削弱系數(shù)，一般取1～3；

L′——藥卷長度，mm；

L——炮眼空腔長度，mm。

由式(1)可知，在保證炸藥破巖威力的前提下，增加空氣柱長度L可有效降低炮眼內(nèi)爆炸壓力值P，而降低爆炸應(yīng)力波破巖壓力值可直接降低爆炸能量對孔壁周圍巖石的輻射型破壞，從而使更多的爆炸能量作為爆炸氣體能量對孔壁進(jìn)行撐裂作用。

此外，周邊眼爆破時，其周圍的巖石已經(jīng)由掏槽眼和輔助眼的爆破進(jìn)行了震動破壞，部分裂隙已形成，成為破碎巖體。根據(jù)大量現(xiàn)場實測，采用式(1)對應(yīng)的裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)爆炸應(yīng)力波破巖壓力P大于1 MPa時，即可很好地完成周邊眼破巖效果，但爆炸應(yīng)力波破巖壓力P大于2.5 MPa時，周邊眼爆破就會出現(xiàn)明顯的超挖現(xiàn)象，因此，采用式(1)設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)時，爆炸應(yīng)力波破巖壓力P的取值范圍在1～2.5 MPa為宜。上述此結(jié)果僅在巷道斷面小于25 m2、巖石強度系數(shù)f小于7的巖巷巷道進(jìn)行過測試，可滿足大多數(shù)煤礦巖巷的使用，其他特殊地質(zhì)條件下的周邊眼爆炸應(yīng)力波破巖壓力P的取值范圍還需驗證和調(diào)整。

2 短封泥裝藥結(jié)構(gòu)

由炮眼炸藥的“氣楔破巖”機理可知，降低周邊眼炮眼內(nèi)的爆炸破巖壓力，從而增加爆炸高壓氣體滲入裂縫尖端，使炮眼連線形成裂隙，從而在剝落巖石的同時形成光滑巖石表面，并在巖壁留下周邊眼眼痕，整個爆破過程將孔壁圍巖的破壞降到最低，從而實現(xiàn)光面爆破。因此，結(jié)合上述爆炸應(yīng)力波破巖壓力計算式和“氣楔破巖”裂縫形成機理，提出周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

隨著我國藥品注冊審評審批制度改革的不斷深入與創(chuàng)新藥物研發(fā)環(huán)境的不斷完善，結(jié)合FDA開展生物標(biāo)志物資格認(rèn)定管理的探索與經(jīng)驗，建議我國藥品監(jiān)管部門應(yīng)對藥物研發(fā)過程中生物標(biāo)志物的應(yīng)用予以關(guān)注，探索類似FDA發(fā)出LOS倡議的方式，或通過設(shè)立基金項目、委托研究等途徑與研發(fā)機構(gòu)協(xié)作，鼓勵開發(fā)與我國多發(fā)疾病及其治療藥物相關(guān)的生物標(biāo)志物，為解決臨床需求提供支持。

圖2 周邊眼短封泥裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

此裝藥結(jié)構(gòu)，最大限度地保留了炮眼空腔的長度，使炸藥爆破時產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波首先與炮眼空腔的空氣接觸，應(yīng)力波動能極大限度地被空腔空氣吸收，并大量轉(zhuǎn)化為爆炸高壓氣體的能量，增加了爆炸高壓氣體沿炮眼間裂隙破巖的作用威力和作用時間，從而形成“氣楔破巖”，并形成光面爆破。由于最大限度地降低了封泥長度，因此稱此裝藥結(jié)構(gòu)為周邊眼短封泥裝藥結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，炮眼(深度大于1 m，小于2.5 m)封泥長度不少于0.5 m，因此對于煤礦巖巷中深孔爆破，將封泥長度設(shè)計為0.5 m。此裝藥結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是在減小封泥長度，增加藥室空間，以減少應(yīng)力波對孔壁巖石的沖擊破壞，增大爆炸高壓氣的作用時間和氣楔破巖效果。具體裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)在符合《煤礦安全規(guī)程》要求的同時，滿足爆炸應(yīng)力波破巖壓力P的取值范圍在1～2.5 MPa，即可實現(xiàn)較為理想的光面爆破。

3 裝藥結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法

煤礦井下勞動強度大，施工環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致裝藥結(jié)構(gòu)往往不能有效實現(xiàn)，特別是封泥長度過短和封泥不夠密實，易造成沖炮，并導(dǎo)致爆炸能量隨爆破氣體大量外泄，嚴(yán)重影響周邊眼破巖效果。而封泥長度過長，空氣柱過短，炸藥產(chǎn)生的能量則會較多地作為爆炸應(yīng)力波破巖壓力，導(dǎo)致炮眼周圍巖石形成輻射狀破裂，無法形成平整的爆破面。因此，封泥效果是實現(xiàn)周邊眼光面爆破的關(guān)鍵，為此，本研究根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，采用水泡袋對封泥效果進(jìn)行控制，如圖3所示，在水泡袋上捆綁線繩，安裝水泡袋后，將線繩留入孔內(nèi)500 mm，并保持棉線繩固定，再進(jìn)行封泥，線繩預(yù)留長度與封泥設(shè)計長度一致。此時封泥既保證了封泥的結(jié)實牢固，又保證了封泥長度，從而可精確地控制孔內(nèi)空氣柱的長度。

圖3 水泡袋封泥現(xiàn)場操作示例

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗證巖巷短封泥空氣柱光面爆破技術(shù)的應(yīng)用效果，本研究選取永煤集團(tuán)陳四樓煤礦-750 m軌道巖石大巷開拓工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗，試驗工作面上部為粗粒砂巖，巖石硬度f為3.4，下部為砂質(zhì)泥巖，巖石硬度f為3.2，巷道斷面面積為17.86 m2的直墻半圓拱形巷道。

炸藥選用規(guī)格為?35 mm×200 mm的二級煤礦許用水膠炸藥，采用Ⅰ～Ⅴ段毫秒延期電雷管起爆。掏槽眼使用Ⅰ段管，輔助眼使用Ⅱ段管，一圈輔助眼使用Ⅲ段管，二圈輔助眼使用Ⅳ段管，周邊眼、底眼及水溝眼使用Ⅴ段管，周邊眼的間距一般選擇在350～400 mm之間。且均采用短封泥空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)。每炮計劃進(jìn)尺1.6 m，炮眼利用率90%，炮眼深度為1.8 m，根據(jù)短封泥空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)，封泥長度為300 mm。此炮眼直徑為取43 mm，藥卷直徑35 mm，爆炸應(yīng)力波傳播速度D取為3000 m/s，藥卷密度ρ0為1 g/cm3，由于封泥質(zhì)量好，故爆炸削弱系數(shù)k為1，藥卷長度L′和炮眼空腔長度L分別為200 mm和1300 mm，根據(jù)式(1)計算，周邊眼爆炸應(yīng)力波破巖壓力P為1.55 MPa，滿足光面爆破爆炸應(yīng)力波破巖壓力的取值范圍。

本次試驗爆破后周邊眼平均可見眼痕23個(共27個)，平均眼痕率達(dá)到85%，整體光面爆破效果很好，無超挖現(xiàn)象，如圖4。

圖4 周邊眼光面爆破成型效果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)爆炸裂紋形成原理，研究了爆炸應(yīng)力和爆生氣體共同產(chǎn)生氣楔破巖的作用機理和作用過程，總結(jié)了爆炸應(yīng)力波破巖壓力計算式，提出了光面爆破爆炸應(yīng)力波破巖壓力取值區(qū)間。

(2)增加空氣柱長度，可有效降低炮眼內(nèi)爆炸壓力值，降低爆炸對炮眼周圍巖體的破壞，從而提出了周邊眼空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，以利于光面爆破效果的實現(xiàn)。

(3)提出了煤礦巖巷短封泥空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)和其相對應(yīng)的封泥實現(xiàn)方法，并在永煤集團(tuán)陳四樓煤礦-750 m軌道巖石大巷得到了工業(yè)試驗驗證，平均眼痕率達(dá)到85%，實現(xiàn)了光面爆破。