冻结立井深厚富水基岩爆破参数优化与应用

宋培章，陈 弦，黄保营

(陕西煤业化工建设(集团)有限公司，陕西 西安 710021)

在西部白垩系含水层中，煤矿立井井筒施工多采用冻结法[1]，深孔爆破技术已被广泛应用于立井井筒的掘进中[2-4]。但是在冻结法施工中，岩石处于低温的冻结状态，岩石内部的水全部冻结，改变了原有岩石的物理特性[5-10]。在现场实践过程中，立井冻结基岩段采用钻爆法施工时往往存在以下问题[11-15]：采用常温下岩石力学参数进行爆破参数设计势必导致爆破效果不理想；受冻结的影响残眼长度大，影响爆破进尺，爆破效率低，爆破效果控制难度大；炮眼布置不合理造成冻结岩体块度大，装岩效率低。本文针对新庄煤矿回风立井井筒冻结基岩钻爆法施工过程中的爆破方案进行优化，增强了爆破效率，提高了爆破效果。

1 工程概况

新庄矿井建设规模为800万t/a，采用立井开拓方式，其回风立井设计深度966.6m，其中，包括井颈14m，井身952.6m，井筒净直径7.5m，掘进荒径最大处11.3m。地层以白垩系志丹群洛河及侏罗系为主要含水层，含水层厚度大，涌水量较大，因此回风立井按原普通法设计方案已经施工90m后变为冻结法施工，冻结深度至直罗组中的部分含水层，冻结深度910m，其中基岩段长692m，采用钻爆法施工。

井筒穿过基岩地层自上而下有：白垩系环河华池组，厚度为203.27m，岩性为中、细粒砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，总体抗压强度为25.7～63.48MPa；白垩系洛河组，厚度为450.61m，岩性主要为细～粗粒砂岩，泥质胶结，该岩组岩石总体抗压强度为20.8～65.2MPa；侏罗系安定组，厚度为31.32m，岩性为泥岩、砂质泥岩夹中粗粒砂岩、砂砾岩，该岩组岩石总体抗压强度为33.2～55.2MPa。

2 冻结基岩段爆破初步方案及效果评价

2.1 爆破初步方案

使用XFJD-6.11型伞钻，配6台YGZ-70型风钻，B25中空六角钢钻杆，配∅52mm十字型钻头打眼。煤矿许用T330水胶炸药，药卷规格为∅45mm×500mm×0.8kg，周边眼采用∅35mm×500mm×0.6kg药卷。选用6m长脚线，段别分别为1、3、5、7、9、11或2、4、6、8、10、12段毫秒延期电雷管。

根据井筒所穿过岩层岩性，初期爆破参数按软岩f<3进行设计。采用“多打眼、少装药”的施工方法，为了配合模板高度4.0m，确定炮眼深度4.4m。冻结基岩段采用双阶直眼掏槽法，掏槽眼深度分别为3.5m和4.7m，共布置炮眼157个，井筒施工爆破参数见表1。

表1 冻结基岩爆破参数表

2.2 存在问题

1)实际施工过程中，按照表1爆破设计参数进行爆破施工，成井速度不理想。当炮眼深度为4.4m时，每炮平均进尺3.5m，炮眼平均利用率为80%左右。而且每炮进尺差异大，部分井筒段出现炮眼利用率仅有68.1%的情况。

2)为提高爆破效率，在施工过程中又尝试采用5.5m加长钻杆，眼深5.2m，增加钻孔数量(由157个增加到210个左右)、增加装药量等方法，但掘进进尺依然难以提高，平均进尺仅为3.8m，仍未达到4.0m，平均炮眼利用率仅为72%左右，严重影响井筒快速施工，成本增加明显。而且随着钻杆加长和炮眼加深，断钻杆现象严重，平均每炮断钻杆达17.8根，特别是岩层破碎处、层位明显处断钻杆几率大，同时也出现了钻眼时钻进非常容易，拔钻杆费时费力现象，个别钻杆拔出需要十几分钟，大大影响了掘进效率。

2.3 原因分析

新庄风井刚进入基岩段时月进尺只有70.6m，成井速度远低于预期要求。通过现场观察和分析，主要存在以下原因：靠周边位置的炮眼内有积水，受冻结环境影响孔底结冰，装药装不到底，导致爆破后，井帮、井底成形不规则，欠挖量较多，光面爆破成形差；施工采用的钻孔深度4.4m和5.2m，属于中深孔和深孔爆破，而且岩石冻结后强度增加。当炮孔深度较深时，爆破的夹制作用增加，对爆破不利，尤其是掏槽效果不理想，因此造成爆破后残眼长度大，炮眼利用率低；深孔爆破由于炮眼利用率低，残孔深，装药又位于底部，爆破对残眼周围及其下部岩石损伤较大，爆破后出现更多裂隙，在此基础上钻孔，其孔眼很不规整，必然引起夹钻和拔钎困难的问题，而深孔的钎杆长，挠度又大，钎杆就容易断裂，影响施工进度，施工成本增大。

3 冻结基岩爆破参数优化

3.1 冻结基岩强度分析

冻结后的岩石抗压强度和普氏硬度系数均有一定程度提高，在爆破设计时应充分考虑岩石冻结的影响。因此在冻结作用下对白垩系华池组砂质泥岩类和粉砂岩、洛河组泥岩类和粉砂岩f系数取8；对白垩系华池组泥岩和细粒砂岩、白垩系洛河组中粒砂岩、粗粒砂岩、砾岩类f系数取3；对白垩系洛河组细粒砂岩、侏罗系安定组所有岩层f系数取6。在进行爆破参数设计时，将围岩统分为两类：即f>6和f<6。

3.2 优化后的爆破方案

1)掏槽方式。为了提高爆破效果，增加爆破自由面，在井筒中心钻打2m深钻孔，做为爆破的空心眼，并且减少掏槽眼间距，提高掏槽效果。掏槽孔选择2阶直眼掏槽。

2)眼深。施工模板高度为4m，结合冻结基岩的岩石系数选择炮眼深度，当围岩硬度系数f<6时，辅助眼及周边眼深度为4.5m，一阶掏槽眼深度为3.5m，二阶掏槽眼深度为4.7m；f>6时，辅助眼及周边眼炮眼深度为4.7m，一阶掏槽眼炮眼深度为4.0m，二阶掏槽眼炮眼深度为4.9m。

3)最小抵抗线。根据岩石的性质和选取的炸药，确定最小抵抗线。围岩硬度系数f<6时，圈距取800mm；f>6时，圈距取700mm。

4)孔距。根据新庄风井基岩段爆破经验，确定密集系数f<6时，辅助眼m=1m，周边眼m=0.62m。确定密集系数f>6时，辅助眼m=1.2m，周边眼m=0.7m。

按照不同岩石系数，经过优化后的爆破参数见表2、表3。

表2 冻结基岩段爆破参数表(f<6)

表3 冻结基岩段爆破参数表(f>6)

3.3 施工技术要点

1)为了提高光爆成形质量，周边眼采用细长木条进行预留空气柱装药，掏槽眼、辅助眼堵塞长度不得小于500mm，周边眼堵塞长度为400mm。

2)对于底部残眼松动部分清底时撬除干净，防止打钻时夹钎，钻孔时控制好各圈眼落底深度，爆破后底部呈锅底形，便于支钻、钻孔以及岩粉聚集。

3)在钻眼时，钻进过程不能停止，一旦停止，立即拔出钻杆，否则冻住很难处理。

4)炮眼钻好后，应在炮眼内注高浓度盐水并用木楔将炮眼塞上，有效地避免炮眼积水结冰。

5)根据冻结管偏斜图，严格控制周边眼的倾角，确保周边眼与相邻冻结管的距离大于1.2m，并不能使炮眼向冻结管方向偏斜。

3.4 优化方案实施效果分析

1)光面爆破效果良好。采用木楔封堵眼孔和炮眼内注高浓度盐水，有效避免了因炮眼内水冻结导致炸药不能装入炮眼底部，导致爆破后需要风镐开帮或二次打开帮眼爆破的现象。周边眼装药结构采用空气垫层装药结构，提高了光面爆破效果，保证了井筒周边光爆成形质量，周边眼平均眼痕率达62.4%；避免了超挖和欠挖现象，混凝土用量由原来的超设计140%降低至125%左右，大大节约了支护材料费用。

2)炮眼利用率大大提高。根据围岩冻结后强度并将其分类，针对不同的硬度系数采用不同的爆破设计参数进行爆破。爆破后平均进尺达到4.0m，炮眼利用率达到85%以上。

3)采用中深孔爆破技术，同时施工过程中对井底进行彻底清理，避免了采用深孔爆破时，炮眼利用率低且易出现断钻杆现象的发生，避免了钻杆难以拔出且降低了钻孔时间，提高了掘进效率。

4)爆破后岩石块径适中，装岩时间明显缩短，双钩不甩罐，每小时提升矸石量平均达70m3。

综上分析，新庄风井井筒外壁施工中，通过对爆破参数进行优化，结合科学的组织管理，连续3个月冻结外壁成井超110m，取得了良好的经济效益。

4 结 论

针对新庄风井冻结基岩段施工初期出现的爆破效率低、掘进速度慢、断钻杆严重等问题，提出了三方面的优化，主要包括：

1)根据岩石冻结后的硬度系数将围岩分为两类(f>6和f<6)进行爆破参数设计，确定了不同的炮眼深度、最小抵抗线、眼距等。

2)采用二阶直筒掏槽和中空眼相结合的方式，大大提高了掏槽效率。

3)改变周边眼装药结构，采用空气垫层装药结构，提高了光面爆破效果，保证了井筒周边光爆成形质量，减少了混凝土用量，节约了支护材料费用。