顧北煤礦巖巷準楔形復式掏槽爆破試驗研究

謝 平,張 航,趙亞斌,彭 喆

(1.淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦,安徽 淮南 232150;2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院,北京 100083)

0 引言

我國是最大的發展中國家,今后一段時期仍將處于工業化、城鎮化加快發展階段,能源需求量還將持續增加。 在未來相當長的時期內,煤炭作為我國主體能源的地位不會改變。 巷道掘進的施工進度一直制約著煤礦井下開采的效率[1-3],近些年來,我國針對巖石巷道掘進鉆爆法優化開展的研究相對較少。 楊仁樹等[4]基于掏槽孔超深長度優化問題,引入超深系數,發現存在最優掏槽孔超深系數,使得炮眼利用率達到最高。 張召冉等[5]對直眼掏槽的空孔效應進行研究,并確定掏槽技術參數。 單仁亮等[6]對巷道掏槽爆破的作用機理進行研究,提出了應力應變特性和巖石性質對掏槽爆破效果的影響。 楊仁樹等[7]采用高速紋影試驗系統和巖體損傷測試技術,對切縫藥包爆炸波與爆生氣體的傳播機制進行探討研究。 岳中文等[8]研究了切縫藥包微差爆破孔間裂紋的動態力學行為特征。 楊國梁等[9]分析了復式楔形掏槽爆破機理,發現了復式楔形掏槽爆破有利于炮孔底部巖石破碎拋出。

顧北煤礦-648 m 水平降溫硐室管子道的現場槽形式單一、炮眼數目及炮眼布置不科學、爆破效率低、巷道成型差,針對上述問題,通過對比分析準楔形復式掏槽與原方案對爆破效果的影響,驗證準楔形復式掏槽爆破技術的效果,并推廣適用于本巷道的爆破施工方案。

1 工程概述

管子道位于該巷道-648 m 井底車場西北側,根據實測資料分析,預計巷道揭露巖性主要為泥巖、中細砂巖及菱鐵質細砂巖等,(煤)巖層裂隙、滑面發育,受斷層影響,構造應力集中,小褶曲較發育,施工期間的主要水害為煤層頂板砂巖裂隙水。

2 原爆破方案與爆破效果評價

2.1 原爆破方案

-648 m 水平降溫硐室管子道采用傳統楔直復合掏槽爆破方法,爆破技術落后,爆破過程中產生的大塊矸石給后續出矸工作造成較大困難,影響了巷道的施工進度。 原爆破方案如圖1 所示。

圖1 原爆破方案(單位:mm)

2.2 原爆破方案爆破效果評價

通過現場跟班調研,采用原爆破方案爆破時,掏槽孔深為2. 0 m,其余孔深為1. 9 m,總打孔數103 個,爆破進尺為1.65 m,炮孔利用率為82.5%,裝藥總量為68.24 kg,雷管112 支。 由于原方案掏槽孔采用楔直復合打孔方式,最小抵抗線較大,掏槽效果較差,無法提供足夠自由面,導致巷道成型不均勻,右上角欠挖較嚴重,殘余炮孔較多,并且大塊矸石較多,爆破后的爆堆情況如圖2 所示。

圖2 原方案爆破后的爆堆情況

3 新爆破方案確定及爆破效果分析

3.1 爆破參數設計

針對-648 m 水平降溫硐室管子道在爆破過程中存在的問題,結合現場實際施工條件,提出相應的爆破掘進方案。

為提高掏槽爆破效果,采用準楔形復式掏槽爆破技術,在掏槽眼中間增設3 個中心直眼,有利于破碎槽腔中心巖體,避免了槽腔底部巖石破裂不均的現象,并改善槽腔破碎巖石的拋擲效果。 同時,在掏槽眼上方增設2 個崩落眼,以擴大槽腔體積。 優化后的爆破方案中掏槽孔孔深為2.1 m,其余孔深均為2 m,槽間距為1.2 m,掏槽孔水平角度為77°,共94個炮孔,總裝藥量為55.05 kg。 優化后方案Ⅰ的炮孔布置圖和爆破參數如圖3(a)、表1 所示。

表1 新方案Ⅰ爆破參數

圖3 新方案Ⅰ炮孔布置(單位:mm)

根據管子道的實際情況,對爆破參數采用不同的方法進一步優化,提出方案Ⅱ:掏槽孔孔深為2.1 m,其余孔深均為2 m,槽間距為1.2 m、掏槽孔水平角度為77°,共92 個炮孔,總裝藥量為53.25 kg。 優化后方案Ⅱ炮孔布置圖和爆破參數如圖3(b)、表2 所示。

表2 新方案Ⅱ爆破參數

3.2 新爆破方案爆破效果評價

針對原方案中的不足,采用準楔形復式掏槽技術對爆破方案進行改進。 爆破方案使用礦用毫秒延期電雷管,炸藥選用三級煤礦普通水膠炸藥,炸藥參數為?27 mm×430 mm。 根據實地考察,各方案現場爆破情況見表3。

表3 新方案現場爆破情況

爆破前依照設定好的爆破段別將雷管和炸藥組合,按順序分別裝入炮孔,待連線完畢后進行爆破,爆破實驗較為成功。 采用準楔形復式掏槽技術后,掏槽孔與崩落孔先爆破,使巖石破碎并拋擲,產生更多新自由面,然后,中心孔滯后爆破,為后續其他炮眼爆破創造足夠的空間。 中心孔爆破能量粉碎大塊巖石,減小了大塊率。 掏槽爆破成腔后、輔助掏槽孔、輔助孔、周邊孔依次爆破,巖石破碎并拋出,直至爆破完成。 新方案Ⅰ爆破后的爆堆情況如圖4 所示。

圖4 新方案Ⅰ爆破后的爆堆情況

原方案的炮孔利用率為82.5%,新方案中炮孔利用率最高為91.5%,平均炮孔利用率為88.7%,相對于原方案提高了6.2%;原方案裝藥68.24 kg,新方案裝藥量最低53. 05 kg,平均裝藥量54. 15 kg,較原方案減少14.09 kg。 新方案相對于原方案取得了更好的爆破效果,其中,方案Ⅰ相對于方案Ⅱ設置了三圈孔,巷道上部巖石崩落更加徹底,最終炮孔利用率達到了91.5%,說明多層崩落孔的設置形式更適用于細長型巷道。

4 結語

對比原爆破方案和新爆破方案Ⅰ和Ⅱ的爆破效果發現,采用準楔形復式掏槽爆破技術具有以下優點:①炸藥量明顯減少;②新方案炮孔數減少,節約了打孔、裝藥、爆破的時間;③眼痕率、炮孔利用率、單循環進尺及巷道成型質量比原方案有明顯提高,爆堆范圍、大塊率明顯降低,綜合爆破效果更好;④新方案的炮孔利用率接近90%,相比原方案有較大提升。 炮孔利用率的提高對提升淮南市顧北煤礦巖巷掘進水平,解決采掘接續矛盾,保障安全高效生產具有一定的現實意義。