刁先鵬

(中國平煤神馬建工集團(tuán)有限公司建井一處,河南省平頂山市,467000)

含大直徑中空孔的直眼掏槽在巖巷掘進(jìn)的應(yīng)用

刁先鵬

(中國平煤神馬建工集團(tuán)有限公司建井一處,河南省平頂山市,467000)

為加大八礦運(yùn)輸上山掘進(jìn)工作面爆破進(jìn)尺,根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)情況,決定采用CMJ17HT全液壓鉆車代替YT－28型風(fēng)鉆打眼。重新設(shè)計(jì)了爆破參數(shù),改用含大直徑中空孔的直眼掏槽方式進(jìn)行爆破掘進(jìn)。經(jīng)過近半個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),爆破進(jìn)尺有明顯提高,說明增加掏槽眼自由面的面積,有利于提高爆破進(jìn)尺。

爆破掘進(jìn) 大直徑中空眼 直眼掏槽 自由面 CMJ17 HT全液壓鉆車

1 工程概況

八礦二號(hào)井運(yùn)輸上山設(shè)計(jì)全長(zhǎng)約1021.46 m,設(shè)計(jì)最大坡度13°,最小坡度8°,根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料及東翼回風(fēng)上山實(shí)際揭露巖層情況顯示,巖層傾角6°～22°,巷道主要穿過砂巖、石灰?guī)r,巖石硬度系數(shù)6～10,局部巖層有起伏或斷層等地質(zhì)構(gòu)造。施工巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面寬4440 mm,凈高3620 mm,墻高1400 mm,掘進(jìn)斷面面積13.96 m2。支護(hù)形式采用錨網(wǎng)噴＋錨索聯(lián)合支護(hù),噴漿厚度120 mm,混凝土強(qiáng)度C20。

2 施工方法

由于工期較緊,原有的掘進(jìn)方式爆破進(jìn)尺低,無法滿足施工要求,所以對(duì)爆破方案進(jìn)行了改進(jìn),采用大直徑中空孔直眼掏槽的方式進(jìn)行爆破。打眼時(shí)首先在巷道斷面中下部采用淺孔錘打大直徑中空眼,中空炮眼直徑100 mm,其余炮眼采用CMJ17 HT全液壓鉆車打眼,炮眼直徑42 mm。全液壓鉆車整機(jī)功率55 k W,重量8.8 t,爬坡能力14°。裝藥結(jié)構(gòu)采用正向裝藥,使用毫秒延期電雷管串聯(lián)引爆,使用直徑為35 mm的三級(jí)煤礦許用乳化炸藥進(jìn)行爆破,一次裝藥,一次起爆,一次成巷。出砟時(shí)采用P60B型耙斗機(jī)出砟,并將矸石倒入2 t礦車,然后由55 k W絞車負(fù)責(zé)斜巷提升,最后由電機(jī)車運(yùn)送,由推車機(jī)推入罐籠運(yùn)至地面。

3 爆破參數(shù)的計(jì)算與優(yōu)化

3.1 炮眼深度的確定

理論上在一定范圍內(nèi)增加炮眼深度,有利于提高單循環(huán)進(jìn)尺。但隨著炮眼深度的加大,巖石夾制作用也加大,鉆眼速度大大下降,增加了鉆眼時(shí)間。所以根據(jù)斷面大小的不同和巖石條件的差異,每個(gè)斷面都有一個(gè)最為合適的打眼深度,打眼深度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定:

式中:L——打眼深度,m;

B——掘進(jìn)斷面寬度,m。

由式(1)計(jì)算得鉆眼深度的最佳取值范圍為2.66～3.55 m,又結(jié)合鉆車鋼釬的實(shí)際長(zhǎng)度,確定炮眼深度為3.0 m,中心眼深度為3.2 m。

3.2 掏槽方式的選擇

在煤礦井下實(shí)際的施工作業(yè)中最常用的掏槽方式是直眼掏槽和楔形掏槽。直眼掏槽需要打密集炮眼,掏槽眼間距小,一般在100～200 mm,打眼多,耗時(shí)長(zhǎng),適合在小斷面掘進(jìn)時(shí)使用。楔形掏槽打眼數(shù)量少,一般留有裝少量炸藥或者不裝藥的中空眼,但是打楔形炮眼需要的空間大,所以大斷面掘進(jìn)中楔形掏槽使用的較多,但是楔形掏槽拋砟距離遠(yuǎn),容易砸壞機(jī)械設(shè)備。為了能更好地掘進(jìn)生產(chǎn),既能讓工人少打眼,又能讓爆堆集中,拋砟不至于過遠(yuǎn),經(jīng)過理論研究和現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)認(rèn)為采用具有大直徑中空眼直眼掏槽方式能夠達(dá)到上述要求。

直眼掏槽中含有大直徑中空孔,一方面增加了自由面的面積,另一方面也起到了引導(dǎo)爆炸應(yīng)力波的作用,使其周邊的裝藥炮孔爆炸后巖石向其所在的方向塌陷。大直徑中空孔提供了足夠的自由面,使掏槽更加充分,有利于爆堆集中,同時(shí)掏槽眼的間距也可以適當(dāng)增大,有利于減少了打眼數(shù)量,節(jié)省總的作業(yè)時(shí)間,大直徑中空眼直眼掏槽方式掏槽眼布置如圖1所示。

圖1 大直徑中空眼直眼掏槽眼布置

3.3 掏槽參數(shù)的計(jì)算

3.3.1 掏槽眼間距

掏槽眼間距的選擇至關(guān)重要,直接影響整個(gè)爆破作業(yè)的最終效果。如果掏槽眼間距過大,爆炸產(chǎn)生的能量無法將巖石破碎并有效拋出;如果掏槽眼間距過小,先爆的炸藥產(chǎn)生的爆炸作用力有可能使相鄰炮孔的炸藥產(chǎn)生拒爆。因此必須合理選擇掏槽眼的間距以及掏槽眼與中空孔間距。

炸藥在巖石中爆炸時(shí),裝藥空間的巖壁會(huì)受到強(qiáng)烈的壓縮而形成一個(gè)空腔(即擴(kuò)大的爆腔),保證產(chǎn)生的高溫高壓作用會(huì)對(duì)與其直接接觸的巖石產(chǎn)生粉碎性的破壞,形成一定范圍的粉碎圈,這一粉碎圈半徑是確定掏槽眼間距的重要依據(jù)。粉碎圈半徑的估算:

空腔半徑計(jì)算:

式中:Rc——粉碎圈半徑,m;

Rk——空腔半徑的極限值,m;

σ0——多向應(yīng)力條件下的巖石強(qiáng)度,MPa;

σc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度,取80 MPa;

ρm——巖石密度,石灰?guī)r取2700 kg/m3;

Cp——巖石的縱波波速,取3500 m/s;

rb——炮孔半徑,m;

Pw——炸藥的平均爆炸壓力,MPa;

ρe——炸藥密度,乳化炸藥取1100 kg/m3;

De——炸藥爆速,乳化炸藥取3000 m/s。

將取值代入式(2)和式(3),得到Rc為234 mm,也就是說粉碎圈的半徑為234 mm,所以可以取掏槽眼至中空孔的距離為250 mm,即圖1中a值,圖1中的b＝0.7a(由現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定),掏槽眼之間的距離應(yīng)該在2倍的粉碎圈半徑以內(nèi)。

3.3.2 掏槽孔的單孔裝藥量

掏槽孔的單孔裝藥量可以根據(jù)蘭格福斯提出的掏槽裝藥集中度的公式計(jì)算:

式中:k——直眼掏槽炮眼裝藥集中度,kg/m;

a——裝藥炮眼距中空眼的間距,取250 mm;

φ——中空眼的直徑,取100 mm。

由式(6)計(jì)算可得直眼掏槽炮眼裝藥集中度為0.76 kg/m,已知炮眼深度3 m,所以得出每個(gè)炮眼的裝藥量為2.28 kg,已知使用的炸藥每卷重量是0.42 kg,長(zhǎng)度是400 mm,所以得出每個(gè)炮眼的裝藥長(zhǎng)度為2.17 m,占炮眼總長(zhǎng)度的72.4%,與實(shí)際施工中要求的掏槽眼裝藥長(zhǎng)度應(yīng)為炮眼長(zhǎng)度的2/3左右相符。

3.4 炸藥單耗的計(jì)算

合理確定爆破單位體積巖石所用的炸藥量(即單耗)要考慮巖石的性質(zhì)、巷道的大小、炸藥的性質(zhì)、裝藥直徑、炮眼直徑和炮眼深度等諸多因素。因此要精確計(jì)算炸藥的單耗相當(dāng)困難。在實(shí)際施工過程中,單耗的選擇多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定,但所得的單耗值還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定的調(diào)整。一般將計(jì)算得到的單耗值再乘以一個(gè)放大系數(shù)1.0～1.5(由經(jīng)驗(yàn)確定)。

式中:q——單位炸藥消耗量,kg/m3;

k0——炸藥爆力的修正系數(shù);

P——爆力,使用炸藥說明書中給出,取260 m L;

f——巖石的普氏系數(shù),石灰?guī)r取8;

S——掘進(jìn)斷面的面積,取13.96 m2。

將數(shù)據(jù)代入式(7)計(jì)算得到炸藥單耗為1.68 kg/m3,乘以放大系數(shù),得到實(shí)際炸藥單耗1.68～2.52 kg/m3。

3.5 光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)

光面爆破技術(shù)在我國的礦山掘進(jìn)中應(yīng)用比較廣泛,其作用是使爆破后巷道成型符合設(shè)計(jì)輪廓線,超挖量少,同時(shí)可減少爆破對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng),增加圍巖的自身承載能力,減小支護(hù)工作難度,節(jié)約支護(hù)材料成本。根據(jù)巖石和炸藥性質(zhì)的不同,周邊眼的徑向不耦合系數(shù)一般取1.5～2.5;炮眼密集系數(shù)一般取0.8～1.0為宜,但由于條件限制,目前只有直徑35 mm的藥卷,采用該炸藥時(shí)其不耦合系數(shù)只有1.2,為彌補(bǔ)其徑向上的不足,對(duì)藥卷進(jìn)行了改進(jìn),在軸向方向上采用間隔裝藥,用水泡泥作為間隔介質(zhì),常規(guī)裝藥結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的裝藥結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。常規(guī)裝藥結(jié)構(gòu)通常是將炸藥送到孔底,然后緊隨其后用黃土炮泥封口,如圖2(a)所示,這種裝藥結(jié)構(gòu),炸藥爆炸后釋放的能量在裝藥處作用較強(qiáng)而其他地方較弱,不能在整個(gè)炮孔全長(zhǎng)范圍內(nèi)均勻釋放;而改進(jìn)后的裝藥結(jié)構(gòu)是將炸藥分成兩部分,采用統(tǒng)一段別的雷管同時(shí)起爆,中間用水炮泥作為間隔介質(zhì),黃土炮泥堵在孔口處,如圖2(b)所示,采用這種裝藥結(jié)構(gòu),炸藥爆炸后其中一部分能量傳遞到水介質(zhì)中,并進(jìn)一步作用到孔壁上,這樣在整個(gè)炮孔的全長(zhǎng)范圍內(nèi)都有爆炸能量的作用,有利于減小對(duì)圍巖的破壞,同時(shí)水泡泥在炸藥的爆炸作用下產(chǎn)生的水霧還能夠起到降低粉塵、吸熱降溫的作用。

圖2 周邊眼不耦合裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)爆破

4.1 爆破參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算的各數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),確定了全斷面的炮眼布置,見圖3,炮眼數(shù)目及裝藥量等參數(shù)見表1。該方案的實(shí)際炸藥單耗為2.046 kg/m3,與之前計(jì)算的炸藥單耗范圍相符。

圖3 全斷面炮眼布置圖

表1 爆破參數(shù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過近半個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),總共采集了13組試驗(yàn)數(shù)據(jù),均取得了較好的爆破效果。爆破后爆堆集中,巖石塊度合理。同時(shí)因?yàn)椴捎昧斯饷姹萍夹g(shù),爆破后巷道成形規(guī)整。爆破后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以前使用YT－28型風(fēng)鉆打眼時(shí),單循環(huán)進(jìn)尺約為1.9 m左右,平均炮眼利用率約75%,改進(jìn)方案后由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄表中可以看出,平均單循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到2.68 m,平均炮眼利用率達(dá)到89.38%,爆破進(jìn)尺與炮眼利用率達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。還記錄了光爆的眼痕率,平均眼痕率達(dá)到42.13%,但由于放炮后只能記錄到上部斷面的合格眼痕,兩幫的眼痕被爆矸掩蓋無法記錄,實(shí)際的眼痕率應(yīng)大于記錄數(shù)據(jù)。爆破后拋矸距離也較近,爆堆相對(duì)集中,巖石的平均拋擲距離控制在11.5 m以內(nèi),有利于后期出矸。

5 結(jié)論

采用新的爆破方案后,爆破進(jìn)尺顯著提高,由原來的1.9 m/炮增加到2.7 m/炮,炮眼利用率也得到有效提高,達(dá)到了89.38%,說明了在直眼掏槽中大直徑的中空孔起到了導(dǎo)向孔和增加自由面面積的作用,有利于提高掏槽爆破的效果,并且爆破后爆堆集中,拋矸距離小,工藝安全、高效,對(duì)類似的巖巷掘進(jìn)施工具有一定的參考價(jià)值。

另外,采用液壓鉆車打眼,打眼速度快,全斷面75個(gè)炮眼只需要約1.5 h,大大節(jié)省了作業(yè)時(shí)間,減小了工人的體力勞動(dòng)。采用光面爆破技術(shù),有利于巷道成形,保證了圍巖穩(wěn)定,減小后續(xù)支護(hù)工作難度,節(jié)約了支護(hù)材料成本。

[1] 鄭開順,王光明.程潮鐵礦大斷面巷道掘進(jìn)光面爆破技術(shù)的應(yīng)用[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2007(4)

[2] 林浙寧,翟國鋒,郭迎春.大斷面坑道開挖中深孔掏槽參數(shù)的選定[J].爆破器材,2002(3)

[3] 高爾新,楊仁樹.爆破工程[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999

[4] 楊小林,林從謀．地下工程爆破[M]．武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2009

[5] 劉殿書,李勝林.爆破工程[M].北京:科學(xué)出版社,2011

[6] 崔長(zhǎng)生.底部復(fù)式楔形掏槽中深孔爆破技術(shù)的推廣應(yīng)用[J].中國煤炭,2009(5)

[7] 潘海洋,徐穎,范寶寶.深孔松動(dòng)爆破對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響研究[J].中國煤炭,2012(8)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

The application of parallel cut with large diameter hollow bore in rock drivage

Diao Xianpeng
(China Pingmei Shenma Jiangong Group Jianjing No.1 Bureau,Pingdingshan,Henan 467000,China)

In order to increase the blasting footage in driving face of transportation uphill in No.8 mine,the CMJ17HT full hydraulic drill carriage was chosen to replace the YT－28 type pneumatic drill according to the actual geological conditions in the construction site.The blasting parameters are redesigned,and parallel cut with large diameter hollow bore was applied during blasting excavation.After conducting field trails for nearly half a month,the blasting footage had been significantly increased,which showed that enlarging the free surface area of cutting hole could help to increase the blasting footage.

blasting excavation,large diameter hollow bore,parallel cut,free surface,the CMJ17 HT full hydraulic drill carriage

TD263

A

刁先鵬(1987－),男,安徽天長(zhǎng)人,碩士,2013年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)爆破方向,研究方向主要是爆炸技術(shù)與應(yīng)用。