下峪口煤矿半煤岩巷道爆破掘进技术试验研究

康 萌

(陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400)

0 引言

回采巷道是矿井开采的必要通道之一，提高回采巷道掘进速度对采煤工作的正常接续具有着非常重要的意义。回采巷道在掘进过程中会遇到各种不同的岩性，其中半煤岩巷道掘进过程中普遍存在因煤岩性质不一导致的爆破效果差，炮眼利用率低，留底现象严重，爆破断面不规整等问题，而且半煤岩巷道掘进常采用浅眼爆破，严重影响了回采巷道的掘进速度。积极改善掏槽爆破形式，合理选择爆破参数是提高巷道掘进进尺，保证巷道成型的有效方式之一[1]。

基于不同的原理，不同的方法，国内外学者对此进行了研究[1]。钱七虎等[2]以岩石爆破破碎理论为基础，深入研究了巷道硐室的掏槽爆破理论，其巷道爆破的炮眼布置技术在现场得到了广泛应用；梁为民等[3]通过楔形掏槽对称性爆破相似模拟试验得出了掏槽眼炮孔角度对称布置能够充分利用炸药的爆破能，增大爆破槽腔体积，增加槽腔深度的结果；戴俊等[4]认为爆破槽孔的形成主要分为岩石破坏阶段和破碎岩石抛出阶段；董方庭等[5]通过现场试验对直眼掏槽和斜眼掏槽的优缺点和适用条件进行了总结；东兆星等[6]在大量试验的基础上给出了巷道硐室爆破的辅助眼布置计算方法。掏槽方式、炮眼布置、装药结构等一直是提高爆破质量的重要措施，基于下峪口煤矿半煤岩巷道的地质特征，文中以23210进顺掘进面为背景，采用理论设计和现场实测相结合的方法，进行半煤岩巷道爆破掘进技术试验，总结半煤岩巷道爆破规律，揭示半煤岩巷道爆破机理，并针对不同情况提出针对性爆破措施。

1 工程概况

23210进顺掘进巷道位于矿井二三采区北翼，其北部与2-2采区回风下山相邻，浅部为北翼2号回风大巷。巷道开口位置位于2-3采区输送机大巷S13点后64.76 m处，该巷道以295°方位向前施工30.334 m与2-3采区回风大巷贯通；采用锚网索梁进行支护，巷道净宽4 600 mm，净高3 000 mm，掘进断面面积13.8 m2。

2号煤厚一般为0.8～1.0 m，该区域煤层倾角为-2°～4°，距上覆2号上煤间距3.5～6.0 m，距下覆3号煤21～25 m。伪顶为泥岩，黑色，薄层状，厚0～0.5 m；直接顶为粉砂岩，黑色，结构致密，块状，有少量的植物化石碎片，厚1.2～2.0 m；老顶为细砂岩，灰白色，结构致密，坚硬，中夹有煤线及炭质泥岩条带(2号上煤厚0.1～0.4 m，沉积不稳定)有云母星点，厚约4.0～6.0 m。底板为砂质泥岩，黑色，易风化，中夹薄层细砂岩条带，有少量的植物化石碎片，局部有一层厚0～0.2 m煤线，距2号煤底板0.8～1.5 m，层厚4.5～5.5 m。在施工范围内煤层主要受煤层顶板层滑或挤压构造影响，导致煤层顶、底板有一定的起伏变化，工作面地质条件相对简单。

2 半煤岩巷道掘进爆破技术研究

根据下峪口煤矿的现场施工情况来看，巷道掘进采用的炮眼和药卷直径普遍较小，且由于厂家在考虑安全性能的基础上降低了炸药性能，导致煤矿巷道掘进难以取得较大进尺，尤其是半煤岩巷道，难度更大。半煤岩巷道由于岩层和煤层厚度一直处于动态变化范围内，工人很难根据爆破设计情况对现场施工情况进行方案调整，因此经常出现欠挖、超挖、留底、补炮等情况。通过调查发现，当煤层厚度在1 m左右，岩石较软时，巷道进尺可以达到1.6 m左右；当煤层厚度小于0.7 m，岩石较硬时，巷道进尺下降到1.3 m左右，且常会出现掏槽效果差、留底等问题，严重影响了煤矿生产的接续性。造成上述现象深层次的原因主要有以下几个方面：掏槽方法的选择；炮眼布置形式；打孔方式和炮眼深度；装药结构和起爆方法；炮眼内封泥质量。

2.1 掏槽方法的选择

在巷道掘进过程中，掏槽眼主要发挥破碎部分岩石形成第2个自由面的作用。掏槽眼一般布置在巷道断面中央靠近底板处，这样既方便工人打眼施工又能加快岩石自重崩落。根据下峪口煤矿试验巷道的地质条件，本研究采用“抓两头、带中间”的原则进行掏槽方式的选择。即首先选择掏槽方式和掏槽眼位置，其次是布置好周边眼，最后根据断面大小布置崩落眼。

2.2 炮眼布置优化

炮眼布置方式优化：炮眼布置方式主要根据岩石物理力学性质、巷道断面形状和炸药的种类来进行选择，合理的炮眼布置方式能大大提高巷道爆破效果。

辅助眼：辅助眼又称崩落眼，主要发挥崩落大部分岩石和扩大掏槽的作用。辅助眼要均匀布置在掏槽眼与周边眼之间，其间距一般500～700 mm，炮眼方向一般垂直于工作面，装药系数一般为0.45～0.60。

周边眼：在进行光面爆破试验时，周边眼一般布置在巷道设计断面轮廓上，眼底略向轮廓线外偏斜，一般不超过100～150 mm，这样既可以保证下循环打眼工作空间又可以较少超挖量。

底眼：底眼主要发挥控制巷道底板标高的作用，当底眼眼口比巷道底板高出150～200 mm时，有利于钻眼和防止灌水。底眼间距一般为500～700 mm，装药系数一般为0.5～0.7。根据实践经验，巷道掘进采用光面爆破时，掏槽眼、崩落眼、控制光爆层的崩落眼和周边眼(顶、帮)的每眼装药数量的比例大致为4∶3∶2∶1。

炮眼布置规则：除合理地选择掏槽方式和爆破参数外，还需合理布置炮眼，取得理想爆破效果。炮眼布置方法和原则有以下几点。①工作面上各类炮眼布置是“抓两头、带中间”。即首先选择掏槽方式和掏槽眼位置，其次是布置好周边眼，最后根据断面大小布置崩落眼；②掏槽眼布置在断面的中央偏下，并考虑辅助眼的布置较为均匀和减少崩坏支护及其他设施的可能；③周边眼一般布置在巷道断面轮廓线上，顶眼和帮眼按光面爆破要求，各炮眼相互平行，眼底落在在同一平面上；④辅助眼均匀地布置在掏槽眼和周边眼之间，以掏槽眼形成的槽腔为自由面层层布置。

2.3 装药结构和起爆方式优化

在爆破过程中，装药结构和起爆方法对爆破效果有着非常重要的影响。因此，合理选择装药方式和起爆方法是提高爆破效果的重要途径。

下峪口煤矿为煤与瓦斯突出矿井，为避免瓦斯煤尘爆炸及诱发冲击危险，全部炮眼统一采用正向连续柱状装药结构，串联连线全断面一次起爆。研究表明，空气柱间隔装药爆破可以降低作用在炮孔孔壁上的峰值压力，减少炮震裂隙[7]，因此掏槽眼和辅助眼采用连续正向装药，周边眼采用单段空气柱式装药结构。装药结构如图1所示。

图1 炮眼装药结构

3 半煤岩巷道爆破掘进试验

3.1 爆破参数计算

炮眼直径：目前，国内岩巷掘进均采用32 mm、35 mm这2种药卷，因炮眼直径比药卷直径大10 mm左右，下峪口试验巷道采用的炮眼直径为42～45 mm。

炮眼深度：合理的炮眼深度应使得炮眼利用率达到85%～90%，同时保证钻眼和掘进速度快，掘进成本低。下峪口煤矿使用的掘进设备为气腿式凿岩机，此设备较适宜的钻眼深度为2.2～3.0 m。

炮眼数目：炮眼数目的多少直接影响钻眼工作量、爆破岩石的块度、巷道的形状等。炮眼数目取决于岩石性质，巷道断面形状和尺寸、炮眼直径和炸药性能等因素。合理的炮眼数目应以保证爆破效果为原则，一般是先以岩层性质和断面大小进行初步估算，然后在设计断面图上做炮眼布置图，得出炮眼总数，并通过实践调整修正。

炸药消耗量：按照光面爆破技术，依据典型实例，见表2。该表均采用2号岩石硝铵炸药，其炸药消耗量一般略低于国家定额。表中所列定额是按2号岩石硝铵炸药、延期电雷管制定的，若采用其他炸药时，则需根据爆力大小加以适当修正。

表2 光面爆破掘进岩巷炸药消耗量

(1)

式中，q—炸药消耗量，kg·m-3；P—岩石坚固性系数。

3.2 爆破施工控制

打眼要求：平、直、准、齐，并根据煤层的变化情况进行合理的调整。工作面炮眼布置情况，如图2所示。

图2 工作面炮眼布置

装药要求：周边眼采用单段空气柱间隔正向装药结构，必须保证有足够的空气柱及封泥长度，其他眼采用连续正向装药结构，必须保证药卷之间的良好接触和封孔质量。

装药量要求：严格按爆破图表作业，不得随意更改炸药用量，见表3。

表3 装药量及起爆顺序

4 试验效果分析

现场试验表明，爆破参数优化后的巷道成形良好，煤岩壁基本平直，解决了原来部分巷道爆破欠挖、超挖问题，且巷道维护量和炸药消耗量相对于试验前都有所降低，巷道围岩稳定性有了较大提升，巷道掘进单进平均提高40 m/月，相对于试验前月进尺提高了50%。爆破参数优化前后部分技术经济指标见表4。

表4 爆破参数优化前后部分技术经济指标

5 结论

(1)周边眼采用单段空气柱间隔正向装药结构，减小了爆破震动对巷道围岩的影响，提高了巷道围岩稳定性。

(2)控制掏槽眼深度和装药量保证巷道进尺，控制周边眼间距和药量确保巷道成形平直。

(3)半煤岩巷道煤层厚度处于动态变化之中，因此爆破参数也需要根据现场实际情况进行调整。

(4)现场施工质量与爆破效果息息相关，工程技术人员要确保每个环节的施工质量。