中深孔冻土爆破技术在特厚冲积层冻结井筒中的应用

吕冬超

摘   要：为解决赵固二矿西风井井筒钙化和胶结的表土段黏土层爆破效果差的问题，特与专业的爆破公司合作研究，并邀请国内井筒冻土爆破顶尖专家，通过对钻孔设备的改造及爆破参数的优化，提高了循环进尺，取得了较好的技术经济效果。

关键词：特厚冲积层;冻土爆破;SJZ-6.7伞钻

在立井井筒掘进过程中，钻眼爆破工作是一项主要工序，约占整个掘进循环进尺时间的20%～30%，是实现井筒快速掘砌的重要因素之一，钻眼爆破的效果直接影响其他工序及井筒施工速度、工程成本，必须予以足够的重视。

在整个钻眼爆破工作中，钻眼所占工时最长。加快钻眼速度、加大眼深、提高眼孔质量以及提高钻眼的机械化程度为其主要发展方向。

随着我国凿井技术的发展，冻结表土段的深度已经超过700 m。由于超深厚表土段深部黏性土层多为固结、半固结状态，再加上深部冻结的时间较长，这些地层若不采用中深孔爆破施工，则掘进效率太低。但目前国内超深厚表土段冻土爆破技术尚不成熟，深部冻结表土段施工进度很难突破60 m/month。

1    工程概况

赵固二矿西回风立井井筒净直径6.00 m，井筒设计深度914.00 m（含井底水窝12.00 m），其中井筒穿过表土层厚度为704.60 m，黏性土层的累计厚度为630.39 m，占冲积层总厚度的89.47%。井筒穿越黏土（含砂质黏土）多为灰白色，胶结程度高，含大量钙质结构，较硬且粘。﹣400.00 m以下黏性土层的干密度1.67～2.44 kg/m3，含水量6.46%～16.90%，﹣10 ℃时冻胀率1.87%～6.26%。冲积层及风化基岩段采用冻结法施工，冻结深度783.00 m，井壁厚度900.00～1 950.00 mm。超深厚冲积层深部冻结时间长，固结、半固结黏土层所占比例大，直接用机械开挖较难，施工进度很难突破60 m/month，需要采用爆破施工工艺。

井筒外壁掘砌至﹣80 m以后，主要揭露土層为钙质黏土、砂质黏土、砾石，其性质为：黏土多固结程度高、致密均匀，硬度大;砂质黏土多为灰白色，胶结程度高，含大量钙质结构，较硬;砾石层中主要含砂、水，掘进时冻土进入荒径1 000～1 500 mm。掘进过程中挖掘机挖掘非常困难，主要以人工使用破碎机、强力风镐破土掘进，机械化配套设备根本发挥不到应有的作用，且在施工中造成挖掘机超负荷运转，出现多次损坏，采用4 m高的模板砌筑，井下工作人员劳动强度大大增加，施工效率很低，为降低劳动强度，加快施工进度，减少循环时间及井帮暴露时间，井筒外壁﹣190 m以下采取爆破掘进，挖掘机、中心回转抓岩机配合局部人工挖掘，经过多次摸索研究，优化出较好的爆破施工方案。

2    冻结表土段爆破技术革新

2.1  深厚冲积层的黏性冻土中进行爆破施工存在的问题

（1）目前国内井筒施工中所用的凿孔工具多为SJZ-6.7伞钻配套YCZ-70型凿岩机及φ25 mm六棱中空合金钻杆或人工使用凿岩机配φ25 mm六棱中空合金钻杆。黏性冻土中使用上述钻具时，钻头旋转发热易造成土层中水或冰（融化为水）与土结合，形成泥浆堵塞钻头，或现场大颗粒土屑返不出钻孔，致使无法钻进。使用水打眼也可以造孔成功，但在深井施工工作面上存有水泥砂浆，给施工环境、施工安全以及施工人员本身造成巨大的影响，而冻结段钻孔、掘进，工作面带水作业易造成堵（冻）眼，也会提高壁后土层含水率或增加井帮结霜，易增大壁后土层回冻的冻胀力，给新筑外层井壁带来影响，因此使用水打眼并不是一个好的解决办法。

（2）由于爆破现场环境不同，钻爆地质环境不同，导致所采用的爆破参数不同，大多数光面爆破参数是针对坚硬程度f=5～10的岩石，对冻土光面爆破参数的研究较少，特别是对﹣420 m以下的黏土（含砂质黏土）层，光面爆破参数均需重新探索，否则爆破掘砌施工速度仍然超不过65 m/month。

2.2  赵固二矿西风井施工中对钻孔设备的改造

赵固二矿西风井施工中通过对SJZ-6.7伞钻的改造创新，把YCZ-70型凿岩机更换为MQT-150型气动锚杆钻机机头，增大了钻机扭矩，配风动煤钻机专用φ43 mm麻花钻杆以及Y字钻头，提升了钻杆刚度，并顺利将黏滞的土屑带出孔眼，提高了钻进黏土的效率，成功解决了固结、半固结黏土和冻结土黏土的造孔难题，提高了造孔效率，造孔深度可达4 m，如图1—2所示。

2.3  爆破参数的试验探索

2.3.1  炸药选型

炸药选用为T220-nd岩石水胶炸药（﹣25 ℃），药卷规格Φ35 mm×300 mm×0.35 kg，密度为1 213 kg/m3，猛度为16～18 mm，爆力为350 mL，爆速为4 100～4 400 m/s。该类型炸药在冻结法施工中抗冻效果较好，爆破速度稳定。

2.3.2  连线与起爆

地面距离井口>20 m设专用起爆箱，起爆箱加设联动闭锁防止误送电，放炮电压380 V，放炮电缆采用一趟MY3×16+1×16橡套专用放炮电缆，专用放炮电缆通至吊盘下层盘专用接线盒内。爆破母线采用3.8 mm2铜母线电缆，放炮母线上端与放炮电缆相连，下端与雷管脚线相连。井下工作面各炮眼装药、联线完毕后，从吊盘下放放炮母线至工作面，放炮母线上端与放炮电缆相连，下端与雷管脚线相连，经检查装药、联线无误后，吊盘等设备提至距离工作面40 m安全高度，并将模板油缸保护好，待所有人员升井至地面后，井口附近设置好20 m警戒距离后再进行放炮。爆破参数如表1所示。

3    爆破应用效果

爆破后预期的爆破效果，降低了炸药消耗量，炮眼利用率在87.5%～93.3%。竖井成型较好，爆破面光滑无片帮，为后续浇筑混凝土提供了良好的工作面。赵固二矿西风井通过冻结调控和冻掘配合，实现了井帮温度设计的调控目标，基本维持深部黏性土层井帮温度在﹣11～﹣7 ℃范围，施工环境温度良好，避免了低温对炸药起爆的影响，爆破掘进的炸药起爆率和爆破效果均超过以往深冻结井筒，由实际工程应用可以看出深部黏性冻土的爆破每炮循环进尺由2.6 m左右逐渐提高至2.8 m以上，甚至突破3.0 m。

4    结语

中深孔冻土爆破在赵固二矿西风井的成功应用，验证了该爆破参数在实际工程应用上的可行性，为工程掘进提供了一定经验价值，为赵固二矿西风井冻结表土段施工中探索出了一套安全、快速、经济合理的冻土爆破技术，创造了连续4个月深厚表土段成井速度80 m/month的成绩，为我国冻土爆破积累了宝贵的经验。

[参考文献]

[1]王建平，靖洪文，刘志强.矿山建设工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2]于建新.超深厚冲积层立井冻结爆破快速掘砌施工技术[J].煤炭工程，2019（11）：33-37.