鶴壁礦區巖石掘進巷道爆破工藝優化研究

王金礦 祁 樂 秦聰聰

（河南能源集團鶴煤公司三礦，河南 鶴壁 458000）

目前，鶴煤公司的巖巷掘進方式主要為炮掘和綜掘兩種方式，其中在該公司巖巷掘進中鉆爆法占據了較大的比重。鉆爆法平均月掘進進尺為65 m，掘進速度不高，嚴重制約礦井采掘布局和接續。爆破工藝的優化對于提高巖巷掘進速度，緩解采掘矛盾尤為關鍵。單仁亮[1]等通過大量的現場試驗確定了直眼掏槽炮孔在不同爆破條件下的布置方式等深孔爆破的技術參數。張召冉[2]等以二階二段掏槽破巖機理為基礎，通過改變炮眼的爆破順序，取得了一定的爆破效果。馬利[3]將中深孔控制爆破理論技術應用到工業性試驗中，有效地提高了巖巷單進進尺。但隨著不斷加大炮孔的深度，爆破時，掏槽眼附近周邊巖體的夾制明顯，導致爆破效果不佳。

隨著礦井開采機械化程度的不斷提升，探索炮眼深度2.5 m 以上爆破方案來提高巷道單進已成為必然。但隨著炮眼深度的不斷加深，掏槽眼的深度也不斷加大，炮眼深度加大，對炸藥爆炸拋擲形成槽腔的難度也在不斷加大，掏槽眼起爆后對周邊巖體的夾制也愈發明顯，導致掏槽爆破更加困難。長期以來鶴煤三礦一直采用直眼掏槽的掏槽方式，后面配備扒巖機或扒矸機配合皮帶的排矸方式，但由于扒巖設備不能離迎頭較遠，后退距離有限，故在爆破時，須考慮防止爆破時扒巖設備被崩壞的問題。因此，導致在巖巷爆破施工時裝藥少、爆破效果差、單循環進尺低的現象，進而造成礦井采掘接替較為緊張。為解決上述難題，結合礦井實際和相關資料，研究提出了既滿足進尺要求，又施工簡便的多階多段掏槽爆破工藝，以期提高巷道掘進效率和速度。

1 工程背景

鶴煤三礦三水平北翼運輸巷設計長度為328 m，該巷道位于三水平北翼，北部為46 采區未開拓區域，南部為三水平北翼運輸巷，西部為三水平北翼軌道巷。該巷在二1 煤層下施工，距二1 煤層底板最近距離為39 m，最遠距離為90.5 m。施工中主要揭露的巖層為砂質泥巖、中粒砂巖。巷道寬×高=5700 mm×4000 mm。該巷主要含水層為二1 煤層底板砂巖（S9）含水層和C2L8 灰巖含水層，正常涌水量為1.0 m3/h，最大涌水量為3.0 m3/h，絕對瓦斯涌出量為0.43 m3/min 左右。巷道圍巖的堅固性系數f≥5。該巷采用CMZY2-180-35 煤礦用鉆裝一體機機械化作業線進行掘進，作業循環方式為兩掘一成。支護方式為錨網噴支護，錨桿規格為Ф22 mm×2400 mm，錨桿間距為700 mm×800 mm，錨索規格為Ф21.6 mm×5300 mm，錨索間排距為1400 mm×2100 mm，托盤規格為300 mm×300 mm×20 mm，錨索錨固力不低于120 kN。

原爆破方案火藥選用藥卷直徑為32 mm 的煤礦許用三級乳化炸藥，長度320 mm，每卷重300 g；雷管選用普通電雷管，分為5 段起爆，其最長延期時間不得超過130 ms。炮眼直徑為43 mm，發爆器使用MFB-200 型煤許起爆控制器。原爆破方案炮孔參數見表1。炮孔深度設計為2.7 m，采用分次爆破，炮眼數為123 個，掏槽形式為直眼掏槽，掏槽眼的垂直深度與輔助眼、周邊眼相比深200 mm，掏槽眼和輔助眼的角度均為90°，周邊眼布置在距離巷道100 mm 處，周邊眼間距300 mm。原方案炮眼布置圖如圖1。

表1 原方案爆破炮孔裝藥參數表

圖1 原方案炮眼布置圖（mm）

從三水平北翼運輸巷爆破現場可以看出，爆破后單循環進尺2.2 m，炮眼利用率81.4%。巷道成型質量較差，半拉眼不明顯，現場大塊矸石較多。經測量，矸石的塊度最大能達到53 cm 左右，增大了鉆裝機被砸的風險，同時大塊矸石也極易導致轉載機和運輸皮帶故障增多，增加維修護理時間，影響掘進效率。通過現場實際調查，導致該掘進工作面爆破效果不佳的原因主要有以下兩方面：

1）爆破參數不合理，由于巷道所在巖石以砂巖為主，而該掘進工作面現場布置的掏槽眼過少，導致炮孔利用率較低。

2）爆破方案不合理，該巷道采用3 次起爆的方式，故應力波疊加且分散，造成工作面大塊矸石較多；放炮后需經過15 min 才允許工人進入迎頭，現場工人還需來回三次到迎頭進行裝藥和連線，安全可靠性較低。

2 爆破參數的優化

巖巷爆破的關鍵在于掏槽方式的選擇，為了解決這些問題，通過查閱相關資料和結合巷道實際條件，決定在三水平北翼運輸巷使用多階多段的掏槽方式，以解決在該巷道施工爆破效果不佳的問題。該掏槽方式的主要思想為“先裂后掏”[4-5]。“先裂”主要是指中心孔先裂并在該孔四周形成裂隙區，并與一階掏槽區域形成新的裂隙貫通；“后掏”是指二階掏槽的爆破，形成更大的裂隙區，進而提高巖巷單進進尺。

2.1 二階二段掏槽原理

二階二段掏槽技術是按照掏槽孔起爆的先后次序和槽眼不同的深度而布置的[6-9]。從綜合巖巷爆破施工的現場可以看出，傳統的直眼掏槽存在自由面單一的弱點，炮孔利用率較低。與傳統直眼掏槽不同，二階二段掏槽技術通常采用深淺不同的掏槽孔配合不同時段毫秒延期電雷管進行掏槽，同時在掏槽眼中心處布置一個空孔，利用空孔效應，進而提高炮眼利用率。該掏槽方式主要是二階掏槽眼利用一階掏槽眼形成槽腔爆破形成新自由面，進而形成更大自由面，掏槽效率較傳統的掏槽方式得到了較大提升。通過現場應用表明，相較于傳統的掏槽方式，二階二段掏槽方式主要的優點在于：1）利用自由面方面，二階二段掏槽是掏槽眼利用深淺不同的眼深在不同時段爆破，將傳統的同時段掏槽爆破變為不同時段爆破，有效地提升掏槽孔的自由面；2）在擴大槽腔體積方面。二階二段的掏槽眼為斜眼掏槽，掏槽槽口的距離明顯較大，加之掏槽使用了不同時段爆破，故二階二段的掏槽方式擴大了掏槽的槽腔體積，進而又進一步地加大了輔助眼的炮孔利用率；3）在巷道爆破效果方面。在二階二段掏槽中一階掏槽眼和二階掏槽眼較傳統的掏槽眼均勻布置在巷道上，進而使得掏槽孔的炸藥爆破能更為均勻，可有效地減小工作面迎頭巖石的拋擲距離，大大降低了爆破時工作面迎頭巖石的大塊率。

2.2 掏槽參數優化

為增加爆破效果，將原直眼掏槽方式改為斜眼掏槽，如圖2 所示，

粉碎區、裂隙區和震動區分別是炸藥爆破后會形成的3 個區域，假設R1為粉碎區的半徑、R2為裂隙區的半徑，具體的表達式：

（1）（2）和（3）式中：ρ0為炸藥密度，g/cm3；rb為炮孔半徑，mm；D為炸藥爆速，km/s；A為巖石與炸藥阻抗相關的系數；B為與側應力系數相關的系數；σcd為動態抗壓強度，取14.42 MPa；σtd為動態抗拉強度，取7.21 MPa；α為沖擊波衰減系數，α=2+μd/（1-μd），μd為巖石的動態泊松比，取0.28；β為應力波衰減系數，β=2-b，b為0.39；h為一階掏槽深度為1800 mm。

式中：p為作用在炮孔壁上的爆炸荷載，p=ρ0·P2A/4。

一階、二階掏槽傾斜角分別為θ、φ，由此可知：

該巷道采用的是三級乳化炸藥，密度ρ0=1.23 g/cm3，爆速D=3600 m/s，掏槽孔設計深度H=2700 mm，炮孔半徑rb=22.5 mm，由巖石力學參數可得A＝1.44，B=1.69。由公式（1）和（2）可計算出：R1=167.98 mm，R2=258.37 mm。則由公式（3）可知掏槽孔眼距a取值范圍為258.37～516.74 mm，a可取400 mm。由公式（4）可得出e=320.51 mm。考慮掘面巖石的硬度f取500 mm，則二階掏槽孔深度H=2900 mm。進而可求解出S一階=955.29 mm，取整數為1000 mm；S二階=1 007.43 mm，取整數為1100 mm，θ=80°，φ=85°。優化后的炮眼布置及參數如圖3 和表2。

表2 一次起爆爆破炮孔裝藥參數表

圖3 優化爆破炮眼布置圖（mm）

3 數碼電子雷管

由于數碼電子雷管采用的模塊是電子控制系統，較傳統雷管更為靈活，安全可靠性較高，且數碼電子雷管在炮孔內的分段較多，使得炮孔在爆破時爆破能量有了更大的空間傳導[6-7]。結合該工作面采用的二階二段的掏槽方式，普通的電雷管五個分段已不能滿足需要，故在三水平北翼運輸巷首次采用數碼電子雷管。結合礦實際，采用型號為FBH-200-B 型的發爆器，并將原分次爆破改為全斷面一次爆破，將各段延時時間定位0 ms、15 ms、20 ms、55 ms、80 ms、105 ms、130 ms。如圖4。

圖4 數碼電子雷管連接及發爆器圖

4 爆破效果分析

三水平北翼運輸巷在采用新的爆破方案后，對爆破現場利用圖像法來分析確定爆破巖塊的塊度，具體統計結果見表3 和圖5 所示。采用一次起爆后的最大塊度為42.3 cm，平均塊度為20.3 cm；分次爆破后的最大塊度為56.5 cm，平均塊度為22.6 cm。由以上可以看出，一次起爆后較原爆破方案分次爆破時的最大塊度尺寸減小了14.2 cm，最大塊度尺寸降低了25.13%，較原爆破方案的分次起爆減小了10.18%，表明一次起爆的爆破方案使該工作面矸石的塊度得到了明顯改善。

表3 爆破塊度統計表

圖5 新舊爆破方案各塊度所占百分比平均值

通過表4 可以看出，與原爆破方案相比，一次爆破的爆破方案在裝藥和爆破時間上有所減少，且因爆破產生的大塊矸石較少，膠帶運輸機出現的故障也較少，出矸時間減少了40 min。通過1 個月的現場試驗，炮眼利用率和單循環進尺在不同程度上都得到了提升，累計月進尺約提高了10 m。

表4 兩種方案爆破爆破情況對比

5 結論

研究提出多階段掏槽技術，并采用新型數碼電子雷管，經過實踐檢驗取得良好效果。

1）通過理論計算確定了掘進工作面“二階二段”的掏槽數據，并利用數碼電子雷管可設置多段延期時間這一特性，進而形成了更大的自由面，擴大了槽腔體積，提高了掏槽效率。

2）現場應用表明，采用多階段一次起爆，在一定程度上降低了裝藥、出矸、爆破時間，巷道炮眼利用率也得到了有效提高，并且在爆破時，巖石拋擲距離明顯比原爆破方案小，巖石的大塊率也有明顯降低，巷道月進尺提高了約10 m。