煤矿井巷爆破参数的设计及效果分析

高云龙

（山西乡宁焦煤集团惠源焦煤有限公司，山西 乡宁 042100）

煤矿从基础建设到投产需在工作面布置大量的岩石巷道。目前岩石巷道的掘进方法有机械掘进法和爆破掘进法。其中，随着工作面开采深度的不断增加，机械掘进法无法发挥其优势（高掘进效率、低人工成本）等；而且，当实际掘进过程中遇到整块岩层时，采用机械掘进法效率低、成本高。而对于爆破掘进法而言，根据实际井巷的条件设计最佳爆破参数才能达到最佳爆破效率和爆破效果[1]。本文将对某井巷的参数进行设计，并对其工业性试验进行验证。

1 井巷爆破机理研究

井巷爆破的任务是将工作面的岩层进行破碎，简单地说爆破效果决定于药包爆炸后在岩层内部所产生的应力特性。经研究表明，不同形状的药包爆炸所产生应力场不同。结合井巷爆破所采用药包的类型及其使用率，本文以柱状药包进行分析。对于柱状药包而言，其更适用于岩层的深孔爆破，从而降低岩层的强度，加速了岩石的破裂[2]。

1.1 炮眼的设计

对于井巷的爆破，根据其爆破需求需在工作面断面上布置三种不同的炮眼，包括掏槽眼、崩落眼以及周边眼。上述炮眼在一般断面上的具体分布位置如图1所示。

若想获得较为理想的爆破效果，除了按照如图1所示炮眼的位置进行布置，还需对不同炮眼的爆破顺序进行合理控制。一般情况下，上述三个炮眼的先后起爆顺序为掏槽眼、崩落眼和周边眼，对应的起爆控制技术为微差爆破技术。对于炮眼布置需按照《井巷工程施工及验收规范》进行合理布置，要求所设计炮眼的利用率应大于85%，并保证先起爆的炮眼不会影响后起爆炮眼的完整性[3]。

图1 炮眼在断面上的分布位置

1.2 爆破参数的设计

井巷爆破除了确定关键炮眼位置和起爆顺序外，还需根据井巷条件对炮眼的深度、直径、数量以及药卷等参数进行最优化设计，包括有掏槽眼、辅助眼、周边眼、崩落眼等参数的确定。其中，爆破参数需根据井巷的岩层、地质、断面大小等进行综合确定。爆破参数的具体设计流程：

1）结合井巷当前的支护条件、整个工程的进度要求综合确定炮眼孔的深度；

2）结合炮眼布置的位置对整个断面的爆破区域进行划分，并根据不同爆破区域所需爆破岩石量计算得出不同区域所需的炸药量。

值得注意的是，爆破参数的设计需在理论计算和施工经验充分结合的基础上完成，才能保证所确定参数的有效性和合理性[4]。

2 爆破参数的设计

2.1 工程概况

本文以某煤矿0305工作面中的底抽巷道为例开展研究，该巷道的断面形状为矩形，目前巷道围岩采用锚杆+锚索的联合支护方式，其中对应锚杆支护中每排锚杆之间的间距为800 mm，每排锚索之间的间距为2000 mm。巷道的具体尺寸如下：巷道的宽度为4.5 m，高度为3.2 m。经探测可知，0305工作面底抽巷道的平均涌水量为2 m3/h，工作期间最大涌水量可达10 m3/h；工作面瓦斯的平均绝对涌出量为0.5 m3/min。

底抽巷道采用凿岩机完成掘进任务，并为其配置了转载机和带式输送机等设备。为保证底抽巷道的掘进效率，为其配置五台凿岩机，其中三台运行，两台备用。目前，底抽巷道在掘进过程中存在如下问题：

1）目前，该井巷采用浅眼多循环的爆破模式，导致整个井巷的掘进速度较慢且效率降低。

2）整个井巷需消耗大量的支护材料，即巷道成型质量差。

3）炮眼位置分布及起爆顺序等参数设计不合理，导致爆破后岩石的体积仍然偏大还需对其进行二次破碎，在增加成本的同时大大降低爆破效率低。

4）断面所设计炮眼设计密集，导致后起爆炮眼被破坏；多余炮眼的施工大大降低爆破效率。

总的来说，当前爆破参数下对应施工时存在爆破效果差、爆破效率低的问题[5]。

2.2 爆破方案的设计

1）结合0305工作面底抽巷道的实际条件以及整个井巷的掘进工程节点要求，在参考其他相似工程炮眼孔深度的设计经验。最终确定0305工作面底抽巷道爆破岩层对应的炮眼孔的深度为2 m。

2）结合底抽井巷的岩层条件，预计该井巷取得最佳爆破效果和爆破效率对应的炸药消耗量为1.97 kg/m3。

3）结合不同炮眼掏槽眼、崩落眼以及周边眼相关参数的理论计算公式，并结合爆破的施工经验：掏槽眼在垂直方向的间距为500 mm，掏槽眼槽口中心轴之间的间距为2.1 m，槽低中心轴之间的间距为1.5 m，掏槽眼的直径为42 mm。而且，采用准直掏槽方式完成掏槽眼的施工。周边眼在垂直方向的间距为650 mm。而且，断面所有炮眼的总数为47个，其相对位置分布如图2所示。

如图2所示，编号为1-6为掏槽眼；编号为7-11为中间眼；编号为12-23为崩落眼；编号24-29为顶眼；编号30和35为顶角眼；编号31-34为帮眼；编号40-47为底眼。根据不同炮眼对应区域的爆破岩量，所设计不同炮眼中装药量如表1所示。

图2 不同炮眼分布相对位置示意图（mm）

表1 炮眼装存量统计 kg

经统计，针对0305工作面底抽井巷对应的炮眼的总数为47个，总装药量为51.2 kg。

3 爆破效果分析

将上述重新设计爆破参数应用于底抽井巷的爆破施工中，并将其爆破效果与原爆破参数进行比对得出如下结论：

1）传统爆破参数下对应炮眼的平均利用率为87.5%；而采用上述重新设计的爆破参数后对应炮眼的平均利用率可达95%。

2）传统爆破参数下对应循环进尺为1.4 m，对爆破参数优化后对应循环进尺约为1.87 m。

3）传统爆破参数下井巷每掘进1 m消耗炸药的质量为42 kg，而对爆破参数优化后井巷煤等于每掘进1 m所消耗炸药的质量为27 kg。

4 结语

工作面井巷的掘进效率与所选的掘进方式相关。对于当前工作面深度大、岩层相对复杂的特点，爆破掘进法较机械掘进法效率更高。但是，爆破掘进法中所设计的爆破参数将直接影响整个井巷的爆破效果和爆破效率，进而决定井巷的整体掘进效率和掘进成本。实践表明，对0305工作面底抽井巷爆破参数优化后炮眼利用率和循环进尺明显提升，所消耗炸药量也明显降低。