顾北煤矿岩巷准楔形复式掏槽爆破试验研究

谢 平,张 航,赵亚斌,彭 喆

(1.淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿,安徽 淮南 232150;2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100083)

0 引言

我国是最大的发展中国家,今后一段时期仍将处于工业化、城镇化加快发展阶段,能源需求量还将持续增加。 在未来相当长的时期内,煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。 巷道掘进的施工进度一直制约着煤矿井下开采的效率[1-3],近些年来,我国针对岩石巷道掘进钻爆法优化开展的研究相对较少。 杨仁树等[4]基于掏槽孔超深长度优化问题,引入超深系数,发现存在最优掏槽孔超深系数,使得炮眼利用率达到最高。 张召冉等[5]对直眼掏槽的空孔效应进行研究,并确定掏槽技术参数。 单仁亮等[6]对巷道掏槽爆破的作用机理进行研究,提出了应力应变特性和岩石性质对掏槽爆破效果的影响。 杨仁树等[7]采用高速纹影试验系统和岩体损伤测试技术,对切缝药包爆炸波与爆生气体的传播机制进行探讨研究。 岳中文等[8]研究了切缝药包微差爆破孔间裂纹的动态力学行为特征。 杨国梁等[9]分析了复式楔形掏槽爆破机理,发现了复式楔形掏槽爆破有利于炮孔底部岩石破碎抛出。

顾北煤矿-648 m 水平降温硐室管子道的现场槽形式单一、炮眼数目及炮眼布置不科学、爆破效率低、巷道成型差,针对上述问题,通过对比分析准楔形复式掏槽与原方案对爆破效果的影响,验证准楔形复式掏槽爆破技术的效果,并推广适用于本巷道的爆破施工方案。

1 工程概述

管子道位于该巷道-648 m 井底车场西北侧,根据实测资料分析,预计巷道揭露岩性主要为泥岩、中细砂岩及菱铁质细砂岩等,(煤)岩层裂隙、滑面发育,受断层影响,构造应力集中,小褶曲较发育,施工期间的主要水害为煤层顶板砂岩裂隙水。

2 原爆破方案与爆破效果评价

2.1 原爆破方案

-648 m 水平降温硐室管子道采用传统楔直复合掏槽爆破方法,爆破技术落后,爆破过程中产生的大块矸石给后续出矸工作造成较大困难,影响了巷道的施工进度。 原爆破方案如图1 所示。

图1 原爆破方案(单位:mm)

2.2 原爆破方案爆破效果评价

通过现场跟班调研,采用原爆破方案爆破时,掏槽孔深为2. 0 m,其余孔深为1. 9 m,总打孔数103 个,爆破进尺为1.65 m,炮孔利用率为82.5%,装药总量为68.24 kg,雷管112 支。 由于原方案掏槽孔采用楔直复合打孔方式,最小抵抗线较大,掏槽效果较差,无法提供足够自由面,导致巷道成型不均匀,右上角欠挖较严重,残余炮孔较多,并且大块矸石较多,爆破后的爆堆情况如图2 所示。

图2 原方案爆破后的爆堆情况

3 新爆破方案确定及爆破效果分析

3.1 爆破参数设计

针对-648 m 水平降温硐室管子道在爆破过程中存在的问题,结合现场实际施工条件,提出相应的爆破掘进方案。

为提高掏槽爆破效果,采用准楔形复式掏槽爆破技术,在掏槽眼中间增设3 个中心直眼,有利于破碎槽腔中心岩体,避免了槽腔底部岩石破裂不均的现象,并改善槽腔破碎岩石的抛掷效果。 同时,在掏槽眼上方增设2 个崩落眼,以扩大槽腔体积。 优化后的爆破方案中掏槽孔孔深为2.1 m,其余孔深均为2 m,槽间距为1.2 m,掏槽孔水平角度为77°,共94个炮孔,总装药量为55.05 kg。 优化后方案Ⅰ的炮孔布置图和爆破参数如图3(a)、表1 所示。

表1 新方案Ⅰ爆破参数

图3 新方案Ⅰ炮孔布置(单位:mm)

根据管子道的实际情况,对爆破参数采用不同的方法进一步优化,提出方案Ⅱ:掏槽孔孔深为2.1 m,其余孔深均为2 m,槽间距为1.2 m、掏槽孔水平角度为77°,共92 个炮孔,总装药量为53.25 kg。 优化后方案Ⅱ炮孔布置图和爆破参数如图3(b)、表2 所示。

表2 新方案Ⅱ爆破参数

3.2 新爆破方案爆破效果评价

针对原方案中的不足,采用准楔形复式掏槽技术对爆破方案进行改进。 爆破方案使用矿用毫秒延期电雷管,炸药选用三级煤矿普通水胶炸药,炸药参数为ø27 mm×430 mm。 根据实地考察,各方案现场爆破情况见表3。

表3 新方案现场爆破情况

爆破前依照设定好的爆破段别将雷管和炸药组合,按顺序分别装入炮孔,待连线完毕后进行爆破,爆破实验较为成功。 采用准楔形复式掏槽技术后,掏槽孔与崩落孔先爆破,使岩石破碎并抛掷,产生更多新自由面,然后,中心孔滞后爆破,为后续其他炮眼爆破创造足够的空间。 中心孔爆破能量粉碎大块岩石,减小了大块率。 掏槽爆破成腔后、辅助掏槽孔、辅助孔、周边孔依次爆破,岩石破碎并抛出,直至爆破完成。 新方案Ⅰ爆破后的爆堆情况如图4 所示。

图4 新方案Ⅰ爆破后的爆堆情况

原方案的炮孔利用率为82.5%,新方案中炮孔利用率最高为91.5%,平均炮孔利用率为88.7%,相对于原方案提高了6.2%;原方案装药68.24 kg,新方案装药量最低53. 05 kg,平均装药量54. 15 kg,较原方案减少14.09 kg。 新方案相对于原方案取得了更好的爆破效果,其中,方案Ⅰ相对于方案Ⅱ设置了三圈孔,巷道上部岩石崩落更加彻底,最终炮孔利用率达到了91.5%,说明多层崩落孔的设置形式更适用于细长型巷道。

4 结语

对比原爆破方案和新爆破方案Ⅰ和Ⅱ的爆破效果发现,采用准楔形复式掏槽爆破技术具有以下优点:①炸药量明显减少;②新方案炮孔数减少,节约了打孔、装药、爆破的时间;③眼痕率、炮孔利用率、单循环进尺及巷道成型质量比原方案有明显提高,爆堆范围、大块率明显降低,综合爆破效果更好;④新方案的炮孔利用率接近90%,相比原方案有较大提升。 炮孔利用率的提高对提升淮南市顾北煤矿岩巷掘进水平,解决采掘接续矛盾,保障安全高效生产具有一定的现实意义。