硬岩巷道快速掘进技术研究

周巍炜

(阳煤集团开元公司调度生产指挥中心，山西 晋中 031700)

引 言

矿井掘进速度缓慢导致接替紧张的现象在矿井生产中比较普遍，尤其在深井硬岩巷道掘进过程中，由于工程复杂、工作环境差、技术落后导致掘进效率较低，而巷道的掘进又是矿井生产的咽喉工程，其能否保持正常的掘进速度，关系到矿井高效建设和可持续生产[1-2]。为了保证矿井的高效生产，各矿井也采用了一些技术应对深井硬岩巷道的快速掘进，但是其中的一些关键环节还有待进一步的研究。例如，随着矿井机械化程度提高，也有些矿井采用掘进机破岩，但其成本高，对岩石强度的适应性差的缺点也暴露出来。笔者以某矿十八采区3上辅运巷(东段)为工程背景，通过在该巷道掘进过程中采用多向聚能光面爆破技术，提高了巷道的掘进速度，加快了矿井的生产效率。

1 工作面概况

某矿十八采区3上辅运巷(东段)位于十八采区西部，西起十八采泄水巷，东至十八采3上辅运巷(东段)。十八采区3上辅运巷(东段)与十八采区3上胶带巷、八采区3上回风巷平行布置，南距十八采区3上胶带巷、十八采区3上回风巷分别为40 m、85 m。井下标高为-865.3 m，长度约200 m。该巷道主要布置在顶板岩层的中粒砂岩层，岩层坚固性系数f=6.1～7.5，属坚硬性岩层巷道。另外，由于巷道掘进距离长，在快速掘进过程中还需要考虑断层构造、爆破扰动等对巷道围岩稳定性的影响[3-5]。

2 多向聚能爆破原理

针对十八采区3上辅运巷(东段)掘进工作面在掘进过程中也面临深井、高地压、大断面、硬岩巷道等一系列地质问题，采用普通的爆破效率导致掘进进尺低，依据多向聚能爆破原理，在掘进中采用聚能装置，提高爆破效率，加快该工作面进尺速度。

2.1 多向聚能装置

将爆破炸药的药卷放入多向聚能爆破装置之中，可利用该装置具有聚能穴的特点，炸药爆炸时产生的能量会沿着聚能穴方向积聚，当能量积聚到一定的程度时，积聚的能量会形成高速射流，使得聚能穴周围的岩石孔壁受到能量的冲击，周边的岩石受到冲击作用会产生裂纹，而随着能量的不断加大，裂纹在爆生气体的作用下部断扩大，达到使岩石破碎的目的[5-7]。其装置示意图如图1所示。多向聚能装置在采用掏槽眼或者辅助眼爆破时更能发挥出其优点，有利于提高炸药的利用率和加快巷道岩石的破碎程度。

图1 多向聚能装置示意图

2.2 爆破原理

多向聚能爆破主要通过设计和制作具有聚能效应的腰药包，进行专门的射孔和切割的爆破方法。如第111页图2所示，圆柱形药卷由于受到内壁具有V型凸起的塑料管的挤压作用变成聚能穴结构，由于聚能穴的聚能作用，爆炸能量首先在各个聚能穴汇聚以在炮眼孔壁上形成预先径向裂纹，随后爆炸冲击波涌入预先裂纹，使裂纹进一步发展，以提高爆炸效果。

图2 多向聚能爆破过程示意图

2.3 爆破优势

随着矿井对爆破断面的精度要求和爆破技术的不断提高，过去岩层掘进靠增大装药不耦合系数的爆破方式逐渐减少。过去普通爆破后由于破坏的不规则性，岩层会受到冲击作用在各方向都产生相应的裂隙，随着裂隙的发展爆破后形成的断面不能达到理想的精度要求，而且由于爆破的不确定性，还会对周围需要保护的岩层造成破会。而多向聚能爆破克服这一缺点，其爆破后会产生的能量会朝一个方向或者多个方向产生裂隙，切缝尖端会优先于其他方向产生裂隙并扩展，并且在一定程度上抑制其他方向产生裂隙，达到理想的爆破效果。多向聚能爆破与普通爆破相比，具有保护围岩的性质和稳定性的作用，并且爆破后能达到理想的平面断面，对岩石巷道的快速掘进有很好的效果。

3 爆破布置参数

3.1 掏槽眼布置

掏槽眼作为第一个爆破的炮眼，其为辅助眼创造第二个自由面，在爆破过程中具有基础作用，掏槽眼的布置尤为重要。掏槽眼的布置方式主要有三种，一是斜眼掏槽，二是直眼掏槽，三是混合掏槽。根据岩层的性质不同和所需要的爆炸效果不同，选用不同的掏槽布置形式，以达到更好的爆破效果。斜眼掏槽主要适用于大断面，对复杂地质条件的适用性强，但是其施工过程中相邻钻眼之间的干扰大；直眼掏槽更适用于小断面，不适用于硬度较大的岩层，对钻眼的精度要求高。

十八采区3上辅运巷(东段)岩层强度高，断面大，因此采用斜眼掏槽的布置形式。斜眼掏槽又分为单向掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽等形式。考虑到巷道断面尺寸、形状及所处的顶板岩层比较坚硬的特点，决定采用双阶垂直楔形掏槽方式，即先起爆内侧一阶掏槽眼，爆出小槽后，再起爆外侧二阶掏槽眼的方式。另外，在巷道中部布置一个反向装填药卷的中空直眼，通过将一阶掏槽破碎的岩石抛出以为二阶掏槽眼的爆破提供更大的自由面，有利于掏槽的效果。其双阶垂直楔形掏槽布置方式如图3所示。

图3 双阶垂直楔形掏槽炮眼布置示意图

根据该工作面的岩层性质，和以往巷道爆破的经验，掏槽眼的间距应500 mm～600 mm能达到更好的爆破效果。

3.2 周边眼布置

布置周边眼的目的是为了在掏槽眼掏槽的基础上扩大掏槽效果，也是为了能使得爆破时巷道的轮廓更加整齐。根据工作面的岩层性质，和以往巷道爆破的经验，周边眼布置的间距为300 mm～400 mm，能到达最好的爆破效果，布置在距离巷道轮廓线100 mm位置。

3.3 炮眼布置参数

十八采区3上辅运巷(东段)使用Ф27 mm×300 g二级煤矿需用水胶炸药，药卷长度为400 mm，每卷重120 g。掏槽方式为楔式掏槽法，为了提高对于硬岩的冲击强度，采用2.0 m以上进行爆破，掏槽眼的直径为42 mm，药包直径为35 mm，增大药径和不耦合系数，延长应力波作用时间。

炮眼的深度根据岩层的硬度、断面等因素进行调整，十八采区3上辅运巷(东段)掏槽眼深度2.2 m，一圈辅助眼、二圈辅助眼、三圈辅助眼、周边眼、底眼等深度都为2.0 m。具体布置图如第112页图4所示。

4 支护方式

巷道掘进后需对巷道进行支护，十八采区3上辅运巷(东段)断面参数如第112页表1所示。

巷道支护采用锚杆+锚索的支护方式，其中顶部和帮部的锚杆均选用Ф20 mm×2 200 mm(MSGLD-500/20)左旋等强度全螺纹锚杆；顶部锚杆间排距为900 mm×900 mm，帮部锚杆间排距为900 mm×900 mm；锚索规格选用Φ22 mm×4 500 mm钢绞线(SKP18-1/1860)锚索，断面间排距为1 500 mm×2 700 mm，当顶板向上为坚硬稳定中砂岩、细砂岩顶板时，顶板不再布置锚索。

图4 多聚能爆破炮眼布置图

表1 巷道断面参数表

5 爆破效果检验

采用多聚能爆破技术在某矿十八采区3上辅运巷(东段)施工，通过分析该巷道在8月份循环进尺量进行分析，如表2所示。

表2 单循环进尺统计

由表1可知，采用多聚能爆破技术对硬岩巷道进行掘进后，工作面单日循环进尺量由1.3 m～1.7 m左右提高到2.1 m～2.4 m左右，爆破时对炮眼的利用率由70%提高到85%，各项爆破指标的利用率相对于传统爆破都有了很大的提高，对矿井的生产具有良好的经济效益。

6 结论

1) 以某矿十八采区3上辅运巷(东段)为研究对象，分析了多向聚能爆破技术在硬岩巷道掘进中的爆破原理以及其爆破装置的形式，并分析了相对于一般的爆破技术，其具有的优势。

2) 在某矿十八采区3上辅运巷(东段，采用聚能爆破技术掘进，依据设定的爆破参数爆破，并爆破后对巷道及时进行支护，并对爆破效果进行检验，结果表明聚能爆破提高了进尺和巷道断面精度，对矿井的经济效益也有提高。