馬樂輝 李 鋒,2

(1.河南能源焦煤公司九里山礦，河南省焦作市，454100；2.河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046)

煤礦巖巷掘進(jìn)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，主要有兩種作業(yè)方式：一種是鉆爆法施工，另一種為機(jī)械掘進(jìn)施工。由于鉆爆法施工具有良好的適用性，不受客觀地質(zhì)條件的影響，因此九里山礦巖巷掘進(jìn)主要方法為鉆爆法，爆破作業(yè)采用傳統(tǒng)的小直徑直眼掏槽或楔形掏槽形式，受此技術(shù)的限制，炮眼深度2 m，循環(huán)進(jìn)尺僅1.6 m左右，月進(jìn)尺60 m左右，炮眼利用率低，光爆效果差，造成巷道出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)速度，制約了礦井生產(chǎn)。因此，如何提高巖巷爆破循環(huán)進(jìn)尺、改善爆破效果、提高掘進(jìn)單進(jìn)、保證巷道成型，仍是巖巷掘進(jìn)爆破工作中亟待解決的主要問題。針對此問題，九里山礦在直眼掏槽爆破理論分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法探討了大直徑掏槽對16121底抽巷圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響，并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，收集了相關(guān)爆破參數(shù)，進(jìn)而提出了大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破提高巷道掘進(jìn)效率的工藝技術(shù)。

1 直眼掏槽爆破的理論基礎(chǔ)

在巖巷掘進(jìn)中，決定爆破效果好壞的關(guān)鍵是掏槽爆破，其效果將直接影響到輔助孔的爆破，進(jìn)而影響到周邊孔的爆破效果。它是決定炮孔利用率、整個破巖效果及循環(huán)進(jìn)尺的關(guān)鍵因素。

直眼掏槽爆破技術(shù)是利用中深孔微差擠壓爆破機(jī)理，選用合理的毫秒延期電雷管段別和起爆順序進(jìn)行爆破。大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破技術(shù)充分結(jié)合直眼掏槽和增大自由面的爆破理論特點(diǎn)，采用直眼作為主掏槽眼和輔助掏槽眼，按照菱形方式布置，并在中央位置預(yù)留大直徑中空眼。依照爆破破碎機(jī)理，大直徑中空眼不僅增加了自由面的面積，而且也起到了引導(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，使掏槽更加充分，同時(shí)掏槽眼的間距也可以適當(dāng)增大，有利于減少打眼數(shù)量，節(jié)省作業(yè)時(shí)間。

大直徑深孔中空眼是在掘進(jìn)斷面合理位置沿巷道設(shè)計(jì)方位角施工1個保直定向鉆孔，要求鉆孔沿巷道中線方向至設(shè)計(jì)深度的偏差在1 m以內(nèi)，影響鉆孔偏差的主要因素是鉆機(jī)的選擇和鉆孔所處巖層的特性。結(jié)合九里山礦施工地質(zhì)超前探實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選用煤炭科學(xué)研究總院西安研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ZDY4000S型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)，同時(shí)為保證中深孔施工過程中盡可能少出現(xiàn)偏差，鉆孔位置應(yīng)設(shè)計(jì)在巖性相對較硬的巖層上方。

2 基于FLAC3D大直徑掏槽圍巖力學(xué)參數(shù)數(shù)值模擬研究

巷道在未掘進(jìn)之前圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，巷道開挖后應(yīng)力將重新分布，同樣在掘進(jìn)工作面迎頭打大直徑深孔中空眼也使得周圍應(yīng)力發(fā)生了變化。可通過建立力學(xué)模型，在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。

2.1 模型的建立

采用ANSYS軟件進(jìn)行模型的建立和網(wǎng)格劃分，利用FLAC3D軟件模擬有無中空眼的應(yīng)力變化。模型建立如下：

模型外形尺寸為20 m×10 m×15 m(長×寬×高)，巷道設(shè)計(jì)毛斷面為4.2 m×3.5 m，直墻半圓拱型，大直徑中空眼直徑為146 mm，位置位于腰線以下300 mm處，4個掏槽眼直徑為38 mm，掏槽眼和中空眼間距為300 mm，掏槽眼通過在內(nèi)壁施加動力荷載來模擬爆破的作用力。巷道三維模型及地質(zhì)網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 地質(zhì)網(wǎng)格模型圖

摩爾—庫侖模型通常用于描述土體和巖石剪切破壞，模型破壞包絡(luò)線和摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則以及拉破壞準(zhǔn)則相對應(yīng)，本模型采用Mohr-Coulomb屈服函數(shù)破壞準(zhǔn)則。

模型頂部施加上部巖層等效載荷，16121底抽巷掘進(jìn)工作面埋深380 m，取上覆巖層的自重應(yīng)力為11 MPa；本地區(qū)圍巖穩(wěn)定地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層平整無褶皺，側(cè)壓力系數(shù)取1，即11 MPa；模型左右兩邊界無水平位移；底部為固定約束，即在x、y、z方向位移為零；采用大應(yīng)變的應(yīng)變模式。

2.2 掏槽眼對圍壓應(yīng)力分布的影響

2.2.1 垂直應(yīng)力

掏槽眼和中空眼施工后垂直應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2(a)可以看出，掏槽眼附近有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但是數(shù)值不大，且無明顯的方向性。由圖2(b)可以看出，中空眼周圍出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離中空眼其值越來越小，拉應(yīng)力能夠反映圍巖所承受的程度，拉應(yīng)力越大圍巖越易破碎，拉應(yīng)力范圍越大其破壞范圍也越大。中空眼周圍隨著距離的增加其拉應(yīng)力也逐漸減少，最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔口周邊，在中空眼周圍呈環(huán)形分布，能夠和周圍掏槽眼應(yīng)力曲線共同形成拉應(yīng)力破壞區(qū)，爆破后的破壞效果明顯優(yōu)于沒有中空眼的情況。

圖2 垂直應(yīng)力分布情況

2.2.2 水平應(yīng)力

掏槽眼和中空眼施工后水平應(yīng)力分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出，4個掏槽眼周邊都出現(xiàn)了較大的水平拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，但都是各自相對獨(dú)立，未形成貫穿的拉應(yīng)力集中帶。由圖3(b)可以看出，經(jīng)過施工中空眼后，在中空眼附近形成了較大的拉應(yīng)力集中帶，并且向周邊巖體分散，和掏槽眼周邊的拉應(yīng)力集中區(qū)能夠相互貫通擴(kuò)大了拉應(yīng)力區(qū)的范圍。

圖3 水平應(yīng)力分布情況

綜合圖2和圖3分析可知，在中空眼施工后，位移變化曲線的變形值和范圍都更大，應(yīng)力分布曲線拉應(yīng)力范圍和應(yīng)力值都變化較大，且都沿中空眼附近進(jìn)行分布，在中空眼附近形成最大值，掏槽眼爆破范圍更大。

3 大直徑深孔中空眼直眼掏槽爆破工業(yè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

此次爆破工業(yè)試驗(yàn)選取地點(diǎn)為九里山礦16121底抽巷。九里山礦屬于煤與瓦斯突出礦井，采用立井多水平開拓，目前采掘活動主要集中在16采區(qū)。16121底抽巷在16采區(qū)西翼底板回風(fēng)巷418 m處開口，沿煤層傾向方向掘進(jìn)，試驗(yàn)段巷道設(shè)計(jì)坡度為9°上山，巷道設(shè)計(jì)毛斷面為4.2 m×3.5 m，巷道為直墻半圓拱型。巷道掘進(jìn)層位位于距二1煤層底板約12 m的粉砂巖層位中，該粉砂巖呈灰黑色，泥質(zhì)及粉砂質(zhì)成分，局部夾薄層細(xì)砂巖。巖石普氏硬度系數(shù)f<6。該巷道掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件較簡單，試驗(yàn)段內(nèi)整體呈單斜構(gòu)造、無斷層等地質(zhì)構(gòu)造。

3.2 爆破作業(yè)條件及參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場測量，巷道內(nèi)瓦斯絕對涌出量為0.18 m3/min，通風(fēng)方式為局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，頂板巖性為粉砂巖，巷道斷面達(dá)到12.8 m2，此次爆破采用的鉆眼工具為YT28式鑿巖機(jī)，采用光面爆破工藝，掏槽方式為大直徑中空眼直眼掏槽，裝藥聯(lián)線方式為正向串聯(lián)，采用三級煤礦許用乳化炸藥和毫秒延期電雷管。炮眼布置示意圖如圖4所示。

圖4 大直徑中深孔直眼掏槽炮眼布置示意圖

4 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

4.1 大直徑深孔中空眼施工

利用ZDY-4000S型鉆機(jī)在巷道迎頭依據(jù)設(shè)計(jì)施工大直徑中深孔，孔徑為146 mm，一次施工深度不低于70 m。大直徑中空孔施工參數(shù)表見表1和表2。

4.2 大直徑深孔中空眼爆破效果分析

此次試驗(yàn)從7月24日到8月27日共進(jìn)行了57次，每循環(huán)作業(yè)均采用大直徑中空眼直眼掏槽爆破技術(shù)，嚴(yán)格按照爆破圖表進(jìn)行施工，爆破后對爆破進(jìn)尺和炮眼利用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。為了便于數(shù)據(jù)分析，選取7月23日前的3組小直徑直眼掏槽爆破數(shù)據(jù)和7月26日后的5組大直徑直眼掏槽爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用大直徑中空眼直眼掏槽爆破技術(shù)，掏槽眼深度不低于2.7 m，其他眼深度不低于2.5 m，總炮眼數(shù)72個，總裝藥量43 kg，每次爆破進(jìn)尺可以達(dá)到2.2 m以上，炮眼利用率達(dá)到87%以上，單位炸藥消耗量低至1.5 kg/m3左右。

表1 大直徑中孔眼直眼掏槽爆破參數(shù)

表2 大直徑中空孔施工參數(shù)表

表3 有無大直徑中空眼直眼掏槽爆破數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

大直徑深孔中空眼掏槽爆破技術(shù)具有提高巷道掘進(jìn)效率的顯著優(yōu)勢，目前在焦作煤田九里山礦16121底抽巷處于工業(yè)試驗(yàn)階段，本文結(jié)合理論分析和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

(1)大直徑深孔中空眼掏槽后在中空眼周圍應(yīng)力呈環(huán)形分布，能夠和周圍掏槽眼應(yīng)力曲線共同形成拉應(yīng)力破壞區(qū)，形成了破巖的有利條件，爆破后圍壓的破壞效果明顯優(yōu)于沒有中空眼的情況。

(2)16121底抽巷采用大直徑深孔中空眼掏槽爆破技術(shù)后，巖巷掘進(jìn)效率顯著提升，每班爆破進(jìn)尺顯著提高，由原來的1.6 m增加到2.2 m以上，提高了40%以上。

(3)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，炮眼利用率得到有效提高，達(dá)到了87%以上；單位炸藥消耗量明顯下降，低至1.5 m3/kg左右，有效降低了巖巷掘進(jìn)的作業(yè)成本。