立井井壁可縮層開槽定向爆破技術研究與應用

宋成義

（永城煤電控股集團有限公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓礦主井井筒垂深170～200 m 段井壁多次破裂，2017年—2020年期間常因井壁破壞注漿堵水，采用“注漿堵水+架設井圈+鋼軌固定”的方案應急處理后，短期內能夠維持井筒正常使用，但難以達到根治效果。且井壁破裂出水周期逐年縮短，含水層疏水導致地層沉降，使井筒承受地層施加的豎直向下的附加力[1]，井壁承受豎向附加力持續增大還會造成井壁混凝土嚴重損傷，給礦井安全生產帶來嚴重威脅。在充分分析研究受壓原因的基礎上，提出“井壁局部凍結+破壁開槽后在井筒內壁安裝可壓縮層”的永久加固施工方案。

1 概況

1.1 井筒概況

陳四樓煤礦主井井筒凈直徑為5.0 m，井壁結構為雙層鋼筋混凝土復合井壁，內外層井壁間鋪設一層1.5 mm 的塑料夾層。井筒東側敷設5 趟高壓電纜向井下各變電所供電。井筒內主要裝備為罐梁、罐道。罐梁層間距4 m，單根罐道長度12 m，罐道上在垂深304 m、365 m 可壓縮層對應位置安裝了可縮罐道[2]。主井井筒主要技術特征參數見表1。

表1 主井井筒主要技術特征參數表

1.2 開槽段井壁概況

根據地層巖性，考慮原有可壓縮層壓縮效果、井壁加固范圍、地面抽水層位、礦井排水等方面因素，確定兩道可縮層開槽位置分別為垂深267.4 m、365 m 處。破壁開槽段井壁為內、外層鋼筋混凝土結構，內壁厚度為800 mm，外層井壁厚度800 mm，砼強度為C50[3]。開槽或擴槽位置地層情況見表2。

表2 開槽或擴槽位置地層情況表

2 破壁開槽設計方案

2.1 方案考慮事項

1）井筒內壁為鋼筋混凝土結構，混凝土強度高，炮孔裝藥量及裝藥結構的選擇對工程效果有著十分重要的影響。

2）井筒內工作的空間范圍小、高空作業、施工環境復雜。

3）井筒內的各種待保護設施多，保護要求高，對爆破施工工序需要進行嚴格控制，防止爆破飛石、沖擊波對井筒內的設施及井壁造成損害。

4）井筒內的動力電纜及通信電纜作為保護重點，需采取多重措施進行保護。

5）在已凍結的井筒內施工，很有可能出現凍脹力再次損壞井筒外壁，爆破開槽施工時，出現外壁擠壓、片幫，需采取控制技術防止爆破損壞井筒外層井壁。

6）受地壓影響，井筒外壁受壓損壞，易發生片幫現象。破壁開槽期間，每次爆破完成后，人工破除未剝落的內壁時，及時觀察外壁，并保留原鋼筋先不割除以起到臨時支護的作用。井壁全部開槽結束后，外壁沒有片幫現象或損壞不嚴重（能簡單撬除開裂部分的），再割除鋼筋。

7）井壁內存在豎向和橫向鋼筋，造成井壁爆破橫向開槽存在困難，同時井壁橫向開槽存在開槽工程量大、爆破工序復雜等特點，經過現場觀察決定采用豎向開槽、兩側爆破擴刷的方案。

8）井壁內的設備較多，造成局部井壁打孔存在一定困難，根據現場工程實際決定在電纜后面井壁鉆孔過程中可以允許炮孔與井壁成一定角度，但是在電纜后面井壁鉆孔過程中必須有技術人員在場指導鉆孔，無技術人員指導的情況下禁止進行鉆孔。

9）炮孔裝藥過程中存在藥包數量和雷管數量多的特點，串聯起爆網絡連接方式容易出現漏聯的情況。根據現場實際情況采用并聯起爆網絡，有效地解決了漏聯的情況，使爆破施工更加安全、快捷。

10）井筒內設施、電纜比較多，在爆破施工前必須對井壁內所有吊盤上的立柱等設施和電纜進行安全防護，未防護或者防護不合格的位置禁止進行爆破作業。

2.2 總體方案

井筒-365 m 井壁出現環向破壞裂縫，混凝土輕微剝落。當時采取“架槽鋼井圈+破壁注漿+松木塊可壓縮層”的方案進行了加固處理。根據地層巖性，考慮原有可壓縮層壓縮效果、井壁加固范圍、地面抽水層位、礦井排水等方面因素，確定增加兩道可壓縮層，底部垂深分別為267.4 m、365 m（原可壓縮層開槽位置）。垂深267.4 m 破壁開槽后，新安裝卸壓槽，在垂深365 m 處將原有卸壓槽井圈及卸壓木拆除后通過破壁擴槽安裝新的卸壓槽。

以井筒垂深267.4 m 處可縮層開槽為例進行介紹。開槽高度為1.6 m，開槽底點標高267.4 m，開槽深度800 mm（即掏空內層井壁），360°環向掏槽，采用“豎向開槽、兩側擴刷，分塊、分區、分段爆破”的方案進行爆破開槽[4]。開槽過程中分區開槽段高達到設計要求時，及時沿井筒圓周方向均勻打設液壓單體柱作為混凝土井壁臨時支撐，點柱穿鞋并將頂部使用楔子楔緊[5]。

2.3 爆破區域劃分及作業順序

2.3.1 爆破區域劃分

井筒內共布置動力電纜2 處，通信電纜1 處。為防止開槽時飛石對動力電纜造成破壞，開槽時分別在相鄰的兩個區域電纜中間的位置開始開設豎槽，共設3 個開槽區，每個區域分別以各自開槽區為中線，左右布置裝藥，向兩側同時起爆擴刷，分別在動力電纜和通信電纜處閉合。爆破區域水平方向上劃分為掏槽區和擴刷區，豎直方向上劃分為光爆區和掏槽區（擴刷區），爆破分區如圖1。

圖1 爆破分區示意圖（mm）

2.3.2 作業順序

首先布置掏槽區，掏槽形成后，向左右兩側擴刷，擴刷高度1.18 m，擴刷深度0.8 m（內壁寬度），單次擴刷寬度不超過0.6 m。擴刷后打設液壓單體柱作為混凝土井壁臨時支撐，點柱穿鞋并將頂部使用楔子楔緊，連續擴刷長度不能超過5 m，三個掏槽區一次打眼、分次爆破施工。

3 爆破參數設計

3.1 掏槽區爆破參數設計

3.1.1 炮孔布置參數

采用豎向掏槽，井筒豎直方向與水平方向各布置六排炮孔，炮孔采用梅花孔布置。水平方向上炮孔間距均為200 mm，上部3 區采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為19°，炮孔長度為720 mm；上部2 區采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為7°，炮孔長度為685 mm；其他炮孔全部采用垂直井壁鉆孔，炮孔長度均為680 mm，鉆孔直徑取42 mm。掏槽區炮孔布置如圖2。

圖2 掏槽區炮孔布置圖（mm）

3.1.2 單孔裝藥量

炮孔裝藥采用三級煤礦許用水膠炸藥，炸藥參數為：質量420 g/卷，長度為400 mm，藥卷直徑為35 mm；炮孔長度為680 mm 和720 mm 兩種，采取間隔裝藥方法。

單孔裝藥量按下式計算：

式中：a為炮孔間距，m；b為炮孔排距，m；h為混凝土厚度，m；q為單位混凝土爆破的炸藥消耗量，g/m3。單孔裝藥量：Q=abhq=0.2 m×0.22 m×0.80 m×5100 g/m3=180 g。

3.1.3 爆破分區

為了保證掏槽效果，同時減小爆破對外壁的影響，掏槽時采用分區分次起爆。每個掏槽區分1 區、2 區、3 區三個區，各區單獨依次起爆，即1 區爆破清渣后，再起爆2 區，2 區爆破清渣完成后，最后起爆3 區，3 區爆破清渣完成，該掏槽區施工完成。直至三個掏槽區全部施工完成，進入下一階段施工。

3.1.4 裝藥結構

為了使炸藥布置均勻，防止炸藥集中對距離其較近的井壁造成破壞，采用炮泥間隔裝藥結構，每個炮孔裝填3 個藥包，藥包長度60 mm，炮泥間隔長度90 mm。

3.2 擴刷區爆破參數設計

井壁豎直方向掏槽完成后，從開槽區域向兩側進行爆破擴刷，直至所有井壁全部擴刷完成。

3.2.1 炮孔布置參數

井筒豎直方向布置6 排炮孔，井筒水平方向上掏槽區左右兩側各布置3 排炮孔。水平方向炮孔采用梅花孔布置，水平方向上炮孔間距均為200 mm，上部第1 排炮孔采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為19°，炮孔長度為720 mm；第2 排炮孔采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為7°，炮孔長度為685 mm；其余4 排炮孔全部采用垂直井壁鉆孔，炮孔長度均為680 mm。擴刷區炮孔布置如圖3。

圖3 擴刷區炮孔布置示意圖（mm）

3.2.2 單孔裝藥量

炮孔裝藥采用三級煤礦許用水膠炸藥，炸藥參數為：質量420 g/卷，長度為400 mm，藥卷直徑為35 mm；炮孔長度為680 mm 和720 mm 兩種，采取間隔裝藥方法。擴刷區單孔裝藥量計算方法與掏槽區相同，裝藥量180 g。

3.2.3 爆破分段

擴刷區爆破時，采用孔間分段延時的方式起爆，共分4 個段別，孔內不再分段。起爆順序遵循由內向外、有臨空面的先響原則。

3.2.4 裝藥結構

為了使炸藥布置均勻，防止炸藥集中對距離其較近的筒壁造成破壞，采用炮泥間隔裝藥結構，擴刷區裝藥結構與掏槽區相同。

3.3 光爆區爆破參數設計

井壁擴刷完成后，對井壁上下兩個光爆區的周邊孔進行爆破，整個井壁周邊孔共分三次進行爆破，上、下兩排周邊孔同時起爆。

3.3.1 炮孔布置參數

井筒上下邊界各布置1 排光爆孔，孔間距均為150 mm。井壁上沿光爆孔采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為19°，炮孔長度為720 mm；井壁下沿光爆孔采用水平鉆孔，鉆孔長度為680 mm。光爆區炮孔布置如圖4。

圖4 光爆區炮孔布置示意圖（mm）

3.3.2 單孔裝藥量

炮孔裝藥采用三級煤礦許用水膠炸藥，炸藥參數為：質量420 g/卷，藥卷直徑為35 mm，長度400 mm；炮孔長度為680 mm 和720 mm 兩種，采取間隔裝藥方法。

單孔裝藥量按式（1）計算：Q=abhq=0.15 m×0.22 m×0.80 m×4600 g/m3=121 g，取120 g。

3.3.3 裝藥結構

為了使炸藥布置均勻，防止炸藥集中對距離其較近的井壁造成破壞，采用炮泥間隔裝藥結構。每個炮孔裝填3 個藥包，藥包長度40 mm，炮泥間隔長度100 mm。

3.4 起爆網絡設計

為了加快網路聯接速度，檢查方便，所有雷管全部采用并聯方法，起爆電源采用380 V 交流電源。

4 爆破開槽要點

4.1 爆破開槽準備條件

1）水文觀測孔水位均勻有規律上升并溢出管口，最遲一層水位溢出管口7 d。根據現場測溫孔實測數據、井筒內壁漏水變化情況，經分析、判斷，凍結壁厚度、強度達到設計要求。

2）當凍結時間達到或超過井筒凍結設計工期，而水文觀測孔仍未冒水，經中國礦大、建設單位、監理單位、施工單位等專家共同對凍結鉆孔質量、凍結設備運行數據、井壁出水等各方面的情況進行分析研判，判斷凍結壁強度、厚度達到安全開槽條件。

3）開槽上下壁間、壁后注漿及探水施工完畢，經評估符合安全開槽條件。

4）鋼質可壓縮結構加工完畢，現場安裝措施完善，準備工作已完成。

5）井壁監測設施及措施準備就緒，井壁沉降測量數據正常，達到安全開槽條件。

4.2 爆破開槽注意事項

1）開槽上下壁間、壁后注漿及探水施工完畢，經評估符合安全開槽條件后方可進行開槽作業。

2）井幫布孔前，必須由測量人員對井下開槽區域位置進行實測，嚴格按照爆破方案的設計要求進行布孔，確保開槽位置準確無誤。

3）鉆鑿具有傾角的炮孔時，要嚴格控制鉆孔傾角。當鉆進50～100 mm 時，通過坡度規檢查鉆孔傾角，在鉆孔過程中不間斷檢查坡度規角度，確保鉆孔傾角符合設計要求。

4）裝配起爆藥卷工作，必須在地面專用的房間內進行，且距離井筒不得小于50 m。嚴禁將起爆藥卷與炸藥裝在同一爆炸物品容器內運往井下爆破施工地點。

5）裝藥過程中如發現堵塞時應停止裝藥并及時處理，在未裝入雷管以前，可用木質炮棍處理，嚴禁用鉆具處理裝藥堵塞的炮孔。

6）對于不同的裝藥結構，制作長度不等的裝藥炮棍，在炮棍上用紅色膠帶做好標記。

7）開槽擴刷期間密切關注井壁下沉變化情況，選用DW22 型單體液壓點柱作為臨時支撐，要求單體穿鞋戴帽。

5 應用效果分析

由于井壁為C50 混凝土，風鎬難以打碎混凝土，采用控制爆破技術開槽，精心設計控制爆破方案，并由經驗豐富的技術人員負責實施，嚴格按設計精心施工。開槽期間沒有出現井壁下沉、破裂出水等異常情況，有效防止了井筒內敷設的動力電纜損壞，達到了保留井壁完好率與穩定性、開槽邊界完整性的效果。

6 結語

破壁開槽是井筒修復中改造井壁結構最關鍵的一個環節，鑒于井壁為鋼筋混凝土結構、井筒內施工難度大、受損井壁易片幫等影響因素[6]，采用“定向爆破+人工擴刷+分段爆破+逐段打點柱”的開槽方式，有效地保證了井壁開槽作業的安全和質量，達到了防治井壁破裂災害的目的[7]。井壁爆破開槽工期10 d，井壁完好率達到95%以上。自2020 年7 月井壁維修竣工至今3 年有余，可縮層累計沉降量達到20 mm，緩沖了導致井壁破壞的豎向附加力，對雙層井壁井筒修復的推廣應用具有指導意義。