數(shù)碼電子雷管在高瓦斯礦井巖巷爆破掘進(jìn)中的應(yīng)用

楊仁樹 鮑舟琦 王雁冰 胡少銀 謝 平 賀治浩

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;4.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232000;5.淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦,安徽 淮南 232150)

提高巖巷掘進(jìn)速度的關(guān)鍵在于掏槽，目前學(xué)術(shù)界開展了大量有關(guān)掏槽爆破技術(shù)的研究，成果豐碩。LANGEFORS[1]開展了直眼掏槽爆破破巖的理論研究，并對(duì)不同炮孔直徑的掏槽爆破參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。STEPANOV[2]研究了平行炮孔同時(shí)作用時(shí)的相互影響，得到了平行炮孔同時(shí)爆破時(shí)的巖石破碎范圍。FOURNEY等[3]進(jìn)行了單孔爆破試驗(yàn)，研究了堵塞長度對(duì)爆破效果的影響，同時(shí)觀察分析了爆破漏斗的形成過程。單仁亮等[4]進(jìn)行大量的現(xiàn)場掏槽試驗(yàn)，從而確定了不同爆破條件下的準(zhǔn)直眼掏槽炮孔的布置方式、深度等技術(shù)參數(shù)。張召冉等[5]提出了“多階段”掏槽技術(shù)，以二階二段為對(duì)象進(jìn)行了成腔理論分析，通過改變掏槽區(qū)炸藥能量釋放的順序，取得了良好的爆破效果。王永定等[6]結(jié)合工程實(shí)踐分析得出:“切割平巷+楔形掏槽中深孔+平行直立擴(kuò)槽中深孔”的成槽方案，實(shí)現(xiàn)在軟破礦巖體條件下安全快速形成切割槽。汪平[7]開展了單空孔直眼掏槽爆破、三空孔直眼掏槽爆破和三空孔直眼掏槽爆破改進(jìn)共3種方案的現(xiàn)場爆破效果對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為適當(dāng)提高空孔數(shù)量，增大掏槽爆破的補(bǔ)償空間，有助于提高爆破掘進(jìn)效率。

由于巖巷掘進(jìn)大多采用的是淺孔爆破方案，較低的單循環(huán)進(jìn)尺在很大程度上影響了掘進(jìn)速率。使用深孔以及孔內(nèi)分段可以有效提高單循環(huán)進(jìn)尺以及炮孔利用率。馬利[8]研究了爆破和支護(hù)機(jī)理以及中深孔控制爆破理論技術(shù)，并將理論研究與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分析結(jié)果應(yīng)用到工業(yè)性試驗(yàn)中，取得了理想效果。王園園等[9]結(jié)合不同類型分段裝藥技術(shù)的特點(diǎn)，分析了分段裝藥設(shè)計(jì)的裝藥參數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)、起爆延時(shí)的合理設(shè)計(jì)方法與參數(shù)取值，為爆破作業(yè)的分段裝藥類型選擇提供了參考。上述研究主要是在基于傳統(tǒng)毫秒延期電雷管情形下，分析、驗(yàn)證多種掏槽掘進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)。但普通電雷管只能設(shè)計(jì)5個(gè)爆破段別，段別的延期時(shí)間變化空間小，難以有效發(fā)揮中深孔孔內(nèi)分段爆破技術(shù)的優(yōu)勢。因此在煤礦巖巷爆破中，嘗試用數(shù)碼電子雷管代替煤礦許用普通電雷管，具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究以顧北煤礦巖巷掘進(jìn)工程為背景，基于數(shù)碼電子雷管，在討論其可行性的同時(shí)，對(duì)比分析孔內(nèi)分段技術(shù)與原楔形爆破方案的優(yōu)勢。

1 工程概述

1.1 工程背景

顧北煤礦位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣西北23 km，占地面積約140 km2，開采范圍為顧橋井田的淺部煤炭資源，地質(zhì)儲(chǔ)量2.634×109t，可采儲(chǔ)量1.297×109t。為滿足顧北煤礦北-1煤采區(qū)爆破后出矸、通風(fēng)、行人等需要，計(jì)劃在北-1煤采區(qū)采掘期間，設(shè)計(jì)一條名為北-1煤采區(qū)頂板軌道上山的巷道，斷面尺寸為5 600 mm×4 400 mm(寬×高)，總長度為1 604.7 m。

施工巷道巖性主要為粉砂巖、粉細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖、1#煤等，(煤)巖層裂隙、滑面發(fā)育，局部發(fā)育小褶曲?？傮w上巖性偏硬。

1.2 瓦斯地質(zhì)情況

經(jīng)相關(guān)單位鑒定，顧北礦1#煤層為突出煤層。根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，1#煤在-648 m水平以上其瓦斯含量為0.31～6.97 m3/t，平均為3.64 m3/t;-648 m水平以下其瓦斯含量為2.06～11.787 7 m3/t，平均為5.46 m3/t。該礦井整體上屬于高瓦斯礦井。

2 孔內(nèi)分段技術(shù)

目前國內(nèi)鉆爆法采用的多為一段裝藥，如圖1(a)所示，即先將雷管與炸藥一并塞入孔底，然后用炮泥堵塞炮孔，因此也可稱之為底部裝藥。相比之下，孔內(nèi)分段是將炮孔分為前后兩段，如圖1(b)所示，先將一段炸藥和雷管塞入孔底，用炮泥堵住后，再塞入第二段的炸藥與雷管，爆破時(shí)取得一個(gè)微差起爆的效果。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of charging structure

在巖巷掘進(jìn)中，一般是掏槽孔先爆，爆破后形成的槽腔為后續(xù)起爆的炮孔提供自由面，從而提升整體的爆破效果?？變?nèi)分段技術(shù)原理上也是大致相同，即是靠近孔口的前段炸藥先爆，爆后形成的小槽腔為靠近孔底的后段炸藥提供自由面。相比較而言，孔內(nèi)分段爆破的優(yōu)點(diǎn)是利用上分段裝藥先爆破，創(chuàng)造新的自由面降低了后爆時(shí)巖石的最小抵抗線，降低了巖石底部夾制作用[10]。

數(shù)碼電子雷管采用電子控制模塊，對(duì)起爆過程進(jìn)行控制，能夠任意設(shè)置爆破段別，最小延期時(shí)間為1 ms，并可更改不同段別之間的延期時(shí)間，使用方式非常靈活。數(shù)碼電子雷管在中深孔孔內(nèi)分段中使用，能夠使得除了掏槽孔外其他炮孔有更大的空間補(bǔ)償。通過對(duì)不同段別的爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確定爆破效果最理想時(shí)對(duì)應(yīng)的延期時(shí)間，增加單循環(huán)進(jìn)尺，提高炮孔利用率。

不同的分段比例也會(huì)有不同的爆破效果。結(jié)合圖1，分段比例η大致可以用下式來表示:式中，P1，Z1分別為孔內(nèi)分段中上分段的堵塞長度以及裝藥長度，m;P2，Z2分別為孔內(nèi)分段中下分段的堵塞長度以及裝藥長度，m。

左進(jìn)京[11]通過分段掏槽模型試驗(yàn)，對(duì)比分析得出，當(dāng)分段比例為0.6時(shí)，炮孔利用率最高，槽腔體積最大。因此本研究試驗(yàn)方案也將η值確定為0.6。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及爆破效果評(píng)價(jià)

3.1 原爆破方案及爆破效果

原方案使用的是普通電雷管，分為5段起爆，采取普通的楔形掏槽設(shè)計(jì)，如圖2所示，爆破炮孔裝藥參數(shù)取值見表1。由表1可知:掏槽孔深2.0 m，其余孔深1.8 m，掏槽孔與自由面夾角為81°，輔助孔角度均為90°，周邊孔角度為87°。周邊孔孔口距離巷道周邊100 mm，周邊孔孔距360 mm。炸藥采用三級(jí)煤礦水膠炸藥，規(guī)格為0.294 kg/卷，掏槽孔裝藥量為每孔0.88 kg，周邊孔、底孔、輔助孔裝藥量為每孔0.59 kg。

圖2 巷道掘進(jìn)斷面炮孔布置(單位:mm)Fig.2 Layout of blasting holes of roadway excavation section

表1 原始方案爆破炮孔裝藥參數(shù)Table 1 Blasting hole charging parameters of the original scheme

通過現(xiàn)場跟班調(diào)研，本研究對(duì)爆破后效果進(jìn)行如線上會(huì)耗費(fèi)較多時(shí)間且連線后的檢查工作較為繁瑣。

(3)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際爆破效果(圖3和圖4)來看，采用原方案后的巷道成型質(zhì)量較差，半孔痕不夠明顯，大塊矸石較多，且呈現(xiàn)散落分布。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，原方案爆后巖石最大塊度達(dá)到了42.66 cm，平均塊度達(dá)到15.90 cm。增大了砸壞耙矸機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也增加了出矸的難度，降低了掘進(jìn)速度。下分析:

圖3 原方案爆破斷面Fig.3 Blasting section of the original scheme

圖4 原方案爆堆Fig.4 Muck-pile of the original scheme

(1)采用原爆破方案爆破時(shí)，掏槽孔孔深2.0 m，其他孔孔深1.8 m，實(shí)際打孔數(shù)為100個(gè)，裝藥量為52.92 kg，炸藥單耗為1.82 kg/m3，爆破后單循環(huán)進(jìn)尺1.50 m，炮眼利用率83.3%。

(2)原方案爆破單循環(huán)周期為13 h。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研來看，采用連續(xù)裝藥的原爆破方案在裝藥以及連

(4)巷道巖層巖性較硬，原方案的藥量較少是造成大塊較多的主要原因。同時(shí)方案的孔深設(shè)置過淺，制約了單循環(huán)進(jìn)尺，導(dǎo)致了掘進(jìn)效率的低下。

鑒于原始方案的種種弊端，本研究對(duì)巷道爆破方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用中深孔以及孔內(nèi)分段技術(shù)設(shè)計(jì)兩套新方案，并進(jìn)行多次試驗(yàn)。

3.2 新方案炮孔數(shù)目設(shè)計(jì)

對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化，采用準(zhǔn)楔形復(fù)式掏槽技術(shù)，在掏槽孔中心設(shè)置3個(gè)中心孔，中心孔的存在可以使掏槽孔附近的大塊巖石充分破碎，有利于形成更深更大的爆破槽腔。

顧北煤礦采用的鉆錨機(jī)鉆桿長度為3 m，考慮到將掏槽孔設(shè)計(jì)為斜孔，因此將兩套方案的掏槽孔孔長設(shè)定為2.5 m和2.7 m，編號(hào)分別為方案1和方案2。

炮孔數(shù)目確定時(shí)，首先要保證爆破效果，并且盡可能減少打孔數(shù)量，減少打孔時(shí)間，提高打孔效率。炮孔數(shù)目的計(jì)算式為[12]

式中，N為炮孔總數(shù)，個(gè);q為炸藥單耗，考慮到煤礦巖性偏硬，取2.3 kg/m3;s為斷面面積，m2;η為炮孔利用率，取95%;φ為裝藥系數(shù);dc為炸藥直徑，取33 mm，ρ0為炸藥密度，取1 000 kg/m3。

對(duì)于方案1，試驗(yàn)場地為顧北礦北-1煤頂板軌道上山第三中部車場，斷面面積為19.7 m2，炮孔長度為2.5 m，裝藥系數(shù)定為0.42，經(jīng)過式(2)計(jì)算得出炮孔數(shù)為119個(gè)。

對(duì)于方案2，試驗(yàn)場地調(diào)整為顧北礦北-1煤頂板軌道上山，斷面面積為21.3 m2，炮孔長度為2.7 m，裝藥系數(shù)定為0.43，經(jīng)過式(2)計(jì)算得出炮孔數(shù)為126個(gè)。

在孔內(nèi)分段掏槽方案中，掏槽孔內(nèi)需要有二段裝藥，第一段炸藥爆炸后形成爆破槽腔，為后續(xù)其他炮孔內(nèi)炸藥爆破提供自由面，掏槽孔附近巖石需要盡可能破碎，則每個(gè)掏槽孔孔內(nèi)需要裝4卷藥;中心孔內(nèi)炸藥使掏槽孔附近巖石徹底破碎，巖石更容易拋擲出腔，使爆破槽腔更好地形成，起輔助作用，則每個(gè)中心孔內(nèi)裝3卷藥;周邊孔為了保護(hù)圍巖，保障周邊成型質(zhì)量，則每個(gè)周邊孔裝2卷藥。

3.3 炮孔布置

根據(jù)顧北礦北-1煤頂板軌道上山第三中部車場的現(xiàn)場情況，對(duì)原方案的炮孔布置進(jìn)行了改進(jìn)。采用準(zhǔn)楔形復(fù)式掏槽和孔內(nèi)分段裝藥技術(shù)，同時(shí)為了滿足孔內(nèi)分段對(duì)延期段位的需求，用數(shù)碼電子雷管代替普通電雷管。

方案1的炮孔布置如圖5所示，該方案的爆破炮孔裝藥參數(shù)取值見表2。由表2可知:掏槽孔長度/深度為2.5 m/2.45 m，其余孔深2.25 m，掏槽孔與自由面法線方向夾角為79°，輔助掏槽孔與自由面法線方向夾角為86°，總炮孔數(shù)為119個(gè)，掏槽孔和中心孔采用分段裝藥，分段比例為0.6，炸藥采用三級(jí)煤礦水膠炸藥，標(biāo)準(zhǔn)密度為1 000 kg/m3，規(guī)格為0.33 kg/卷，總裝藥量為86.7 kg。

圖5 方案1炮孔布置(單位:mm)Fig.5 Layout of the blasting holes of No.1 scheme

表2 方案1爆破炮孔裝藥參數(shù)Table 2 Charging parameters of the blasting holes of No.1 scheme

《煤礦安全規(guī)程》(2017年版)規(guī)定巖巷掘進(jìn)中最后一段的延期時(shí)間不能超過130 ms，對(duì)爆破時(shí)間做出了嚴(yán)格的限制。左進(jìn)京[11]提出隨著延期時(shí)間延長，在孔內(nèi)分段中介質(zhì)受爆炸荷載作用時(shí)間增長，下分段介質(zhì)會(huì)受上分段先爆炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波作用發(fā)生破壞，這樣更有利于下分段介質(zhì)的破碎。因此，本研究將原爆破方案的5段改為7段進(jìn)行爆破，同時(shí)為了增大延期時(shí)間至130 ms[13]，將各段延期時(shí)間定為0、20、25、55、80、105、130 ms。

方案2試驗(yàn)場地由北-1煤頂板軌道上山第三中部車場更換到北-1煤頂板軌道上山，巷道尺寸由5 000 mm×4 400 mm(寬度×高度)變?yōu)? 600 mm×4 400 mm(寬度×高度)，因此對(duì)周邊孔孔距等爆破參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，方案2炮孔布置如圖6所示，該方案的炮孔裝藥參數(shù)取值見表3。由表3及相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知:掏槽孔長度/深度為2.7 m/2.65 m，輔助掏槽孔孔深2.5 m，其余孔深2.4 m，掏槽孔與自由面法線方向夾角為79°，輔助掏槽孔與自由面法線方向夾角為86°，總炮孔數(shù)為126個(gè)，掏槽孔和中心孔采用分段裝藥，分段比例為0.6，總裝藥量為122.5 kg。

表3 方案2爆破炮孔裝藥參數(shù)Table 3 Charging parameters of the blasting holes of No.2 scheme

圖6 方案2炮孔布置(單位:mm)Fig.6 Layout of the blasting holes of No.2 scheme

相對(duì)于方案1，方案2的斷面面積更大，且存在有崩落孔與更多的輔助孔。7段已不能滿足要求，因此分為9段進(jìn)行爆破，各段延期時(shí)間分別為0、20、25、55、70、85、100、110、130 ms。

3.4 爆破效果分析

方案1和2爆破試驗(yàn)后的效果如圖7所示。對(duì)比原方案，可以更為明顯地觀察出半孔痕，更加貼近光面爆破的效果。同時(shí)，由斷面成型圖也可以觀察到巷道成型較為平整，周邊成型質(zhì)量較高，沒有明顯的大塊[14]。

圖7 新方案爆破效果Fig.7 Blasting effects of new schemes

新方案和原始方案的爆破效果對(duì)比見表4。由表4可知:對(duì)比原方案，新方案雖然增加了炸藥單耗，但在單循環(huán)進(jìn)尺和炮孔利用率上卻有較高的提升。

表4 原方案和新方案爆破效果對(duì)比Table 4 Comparison of the blasting effects between the original scheme and the new schemes

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，采取原方案單月進(jìn)尺約65 m，但采取新方案單月進(jìn)尺可達(dá)100 m左右[15]。與此同時(shí)，與數(shù)碼雷管結(jié)合的孔內(nèi)分段技術(shù)由于縮短了各段延期時(shí)間，使得炮孔爆破過程中所產(chǎn)生的能量場之間相互疊加，使得爆破地震效應(yīng)減弱，提高了炸藥能量利用率，減少了大塊，降低了沖擊波和飛石危害。

3.4.1 單循環(huán)進(jìn)尺和炮孔利用率

原方案采用的是淺孔爆破，單循環(huán)進(jìn)尺僅有1.5 m。打孔、裝藥、出矸、支護(hù)所合計(jì)的正規(guī)循環(huán)總時(shí)間達(dá)到了12 h，掘進(jìn)效率低，經(jīng)濟(jì)成本高。新方案采用的是孔內(nèi)分段技術(shù)，單循環(huán)進(jìn)尺可以達(dá)到2.2 m左右，單循環(huán)時(shí)間為13 h[16]。同時(shí)不僅是反映掘進(jìn)“數(shù)量”的單循環(huán)進(jìn)尺有明顯提高，反映掘進(jìn)“質(zhì)量”的炮孔利用率也有較大的突破。如圖8所示，增加孔深的同時(shí)，對(duì)比原方案的83.3%的炮孔利用率，方案1的炮孔利用率達(dá)到了94.7%，方案2炮孔利用率也達(dá)到92.5%，對(duì)比原方案炮孔利用率提高了10%左右，單循環(huán)進(jìn)尺提高了約0.7 m，這也體現(xiàn)了中深孔孔內(nèi)分段爆破的優(yōu)勢[17-19]。

3.4.2 爆后巖石塊度分析

本研究采用圖像分析法確定爆堆的塊度。通過對(duì)爆破后的爆堆進(jìn)行拍照記錄，首先對(duì)照片進(jìn)行黑白化處理，再對(duì)照片進(jìn)行數(shù)字化處理，得到與塊度大小相匹配的像素值;然后根據(jù)圖片分辨率和比例尺來計(jì)算巖塊的真實(shí)面積，最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。不同爆破方案對(duì)應(yīng)的爆破塊度分布如圖9所示。由表5、圖9可知:原方案爆破后的最大塊度為42.66 cm，不利于耙矸機(jī)出矸;方案1爆破后的最大塊度為35.96 cm，較原方案爆破時(shí)的最大塊度尺寸減小了15.70%;方案2爆破后的最大塊度為31.95 cm，較原方案爆破時(shí)的最大塊度尺寸減小了25.11%。從平均爆破塊度看，原方案爆破的平均塊度為16.08 cm，塊度較大;方案1爆破的平均塊度為13.65 cm，較原方案爆破時(shí)的平均塊度減小約15.11%，方案2爆破的平均塊度為13.50 cm，較原方案爆破時(shí)的平均塊度減小約16.04%，說明按新方案爆破后巖石的塊度得到顯著改善。

圖9 爆堆塊度對(duì)比分析Fig.9 Comparison of lumpiness of blasting stack

表5 爆破塊度統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical of blasting block degree

3.4.3 眼痕率對(duì)比

眼痕率是檢驗(yàn)光面爆破質(zhì)量的重要指標(biāo)，一般來說眼痕率越高，代表周邊成型質(zhì)量越好。對(duì)比原方案84.1%的眼痕率，方案1的眼痕率達(dá)到了93.7%，方案2的眼痕率達(dá)到了95.3%，均有了較大的提升。

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場試驗(yàn)證明數(shù)碼電子雷管能夠適用于高瓦斯礦井。利用數(shù)碼電子雷管可以根據(jù)需求設(shè)置延期時(shí)間的特性實(shí)現(xiàn)了掏槽孔多段別爆破，有利于形成更大更深的臨空面，有利于降低巖石底部夾制作用，研究成果為電子雷管在高瓦斯礦井巖巷的應(yīng)用提供了借鑒。

(2)相較于原爆破方案，采用分段裝藥爆破炮孔利用率提高了10%左右，單循環(huán)進(jìn)尺提高了約0.67 m，矸石大塊率下降，平均塊度減少15%左右，眼痕率提高了約10%。爆破后的巷道斷面平整，為下一循環(huán)創(chuàng)造了較好條件。

(3)本研究缺乏對(duì)孔內(nèi)分段機(jī)理的分析，同時(shí)目前數(shù)碼電子雷管在井下的巖巷掘進(jìn)中還沒能普及，相關(guān)試驗(yàn)次數(shù)較少，后續(xù)應(yīng)增加對(duì)孔內(nèi)分段機(jī)理的分析以及在更多不同類型礦井中進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)碼電子雷管優(yōu)越性。