唐忠義，王海亮，谷志民，蒲志強(qiáng)，崔超超

(1.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽712000;2.山東科技大學(xué)，山東 青島266000)

0 引言

鉆爆法以其地質(zhì)條件適用廣泛、施工過程靈活被廣泛應(yīng)用于礦井巖巷掘進(jìn)施工[1]。 傳統(tǒng)鉆爆工藝機(jī)械構(gòu)造簡單、可靠性強(qiáng),但人工勞動強(qiáng)度大,施工時間長,效率低。 隨著礦井開采規(guī)模對掘進(jìn)要求的提高,大型機(jī)械化鉆裝設(shè)備與爆破作業(yè)相結(jié)合成為提高巖巷掘進(jìn)效率的一種發(fā)展趨勢。 但該方式在應(yīng)用中存在若干相互制約的因素,設(shè)備是否優(yōu)良耐用和操作熟練程度會影響鉆爆作業(yè)施工時間,而爆破效果又制約著設(shè)備的正常運(yùn)行,其中對設(shè)備影響最為明顯的不利因素是爆堆在成型和拋擲過程中產(chǎn)生的不良效應(yīng)。 設(shè)備操作的熟練程度可通過培訓(xùn)實(shí)踐加以提高,但針對爆堆問題產(chǎn)生的不良效應(yīng)唯有從鉆爆工序中尋求思路才最為有效。

如果巖巷掘進(jìn)方式由普通炮掘向大型機(jī)械化設(shè)備與爆破作業(yè)相結(jié)合的模式發(fā)展,就要克服爆堆的不良效應(yīng)對設(shè)備的影響,從而對爆破作業(yè)技術(shù)提出了更高的要求。

1 爆堆產(chǎn)生的不良效應(yīng)

爆堆作為爆后巖塊的堆積體,其成型狀態(tài)和拋擲過程直接影響后序施工作業(yè)。 爆堆拋擲距離過遠(yuǎn)、分散,會加大出渣難度和人工勞動強(qiáng)度,增加出渣時間。 爆堆中大塊矸石(簡稱“大塊”)產(chǎn)量較多,會增加二次破巖時間,減緩出渣速度。 爆堆拋擲過程中產(chǎn)生大量爆破飛石(簡稱“飛石”),會增加支護(hù)設(shè)施和掘進(jìn)設(shè)備損壞的概率,縮短其維修周期,影響整個掘進(jìn)作業(yè)過程。

因此,鉆爆作業(yè)中常見的不良效應(yīng)為:爆堆拋擲距離過遠(yuǎn)、大塊率較高和飛石沖擊。

2 爆堆不良效應(yīng)的產(chǎn)生原因與控制措施

2.1 爆堆拋擲距離過遠(yuǎn)與飛石沖擊

爆堆拋擲距離過遠(yuǎn)與飛石的產(chǎn)生均發(fā)生在爆堆拋擲過程中,兩者在產(chǎn)生機(jī)理上雖存在差異,但在控制思路上存在一致性。 因此,在探索兩者對掘進(jìn)設(shè)備影響方面做歸類研究。

2.1.1 影響拋擲距離和飛石產(chǎn)生的因素

1)掏槽質(zhì)量。 爆堆方量主要來源于輔助孔作用區(qū)域的巖石[2],良好的掏槽區(qū)成型質(zhì)量可減小原巖對輔助孔的夾制作用,增強(qiáng)徑向方向的拋擲力,減弱爆堆在巷道軸線方向的拋擲力。 掏槽區(qū)域內(nèi)的巖石可視為飛石的主要來源,直眼掏槽方式一般比斜眼掏槽產(chǎn)生飛石少且拋擲距離近。

2)炮孔孔位。 從整體看,設(shè)計(jì)裝藥量應(yīng)保證巖石破碎不產(chǎn)生多余能量。 若被爆巖石結(jié)構(gòu)不均勻,如存在節(jié)理、層理、裂隙等軟弱面或地質(zhì)構(gòu)造面,設(shè)計(jì)爆破能量作用于軟弱部位時極易產(chǎn)生飛石,若該區(qū)域巖石不均勻、體積較大,則會直接影響爆堆拋擲距離。

3)炸藥單耗。 當(dāng)增加炸藥單耗,巖石破碎體積不再成比例增加,而是將剩余的炸藥能量作用于已破碎石塊,則會使巖塊獲得能量和速度的疊加,增加爆堆拋擲距離和飛石產(chǎn)生的概率。 因此,合理的炸藥單耗可將炸藥大部分能量作用于破碎巖石,小部分能量用于拋擲巖石。

4)炮孔填塞質(zhì)量。 封孔質(zhì)量不佳容易導(dǎo)致爆生氣體過早沖出,降低爆生氣體對巖石的破碎作用,增大炮孔軸向拋擲的能量,增加產(chǎn)生飛石的概率。

5)起爆方式。 炸藥起爆順序和分段延期時間往往決定著爆破進(jìn)程中最小抵抗線方向和介質(zhì)破碎后的運(yùn)動方向。 合理的延期時間,應(yīng)保證前后段爆破巖石既能合理碰撞減少大塊,又能避免前后爆破巖石形成拋擲速度上的疊加,進(jìn)而增加拋擲距離和飛石產(chǎn)生的可能性。

2.1.2 控制方式

調(diào)整掏槽孔布置方式、優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式、提高填塞質(zhì)量是現(xiàn)場施工控制爆堆拋擲距離、減少飛石產(chǎn)生的常用方式。 唐德玉等[2]通過現(xiàn)場試驗(yàn)指出,直眼掏槽比楔形掏槽拋擲距離近,并在現(xiàn)場采用中心孔直眼菱形掏槽方式,采取增加填塞長度、適當(dāng)減少掏槽孔裝藥量等措施進(jìn)行試驗(yàn)。 結(jié)果表明爆堆拋擲距離明顯減小,爆堆更加集中。 掏槽孔及其周邊部分輔助孔炮孔布置方式如圖1 所示。 圖中中心孔孔深1.7 m,掏槽孔孔深1.6 m,輔助孔孔深1.5 m。

圖1 直眼掏槽孔及輔助孔炮孔布置

宗琦等[3]以合理延遲時間的理論計(jì)算結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ),進(jìn)行模擬爆破試驗(yàn),結(jié)果表明:巖巷爆破在巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=6 左右、孔深2.0 m 以下且抵抗線在500 ～700 mm 時,合理延遲時間為45 ～75 ms。在工程實(shí)踐中,通過靠近斷面底部布置垂直楔形掏槽孔,掏槽孔上方增加一個“壓眼”的方式有效控制掏槽區(qū)爆后巖石的上拋,減少了該區(qū)域巖石的拋擲距離,掏槽孔及“壓眼”布置如圖2 所示。 圖中掏槽孔孔深1.8 m,其余各孔孔深1.6 m。

圖2 掏槽孔及“壓眼”炮孔布置

王新剛[4]為解決大斷面炮掘巖巷施工中爆堆拋擲距離過遠(yuǎn)對掘進(jìn)設(shè)備的損傷問題,選用中空孔直眼掏槽結(jié)合底板“阻拋孔”方式進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),起到了良好的短距定向拋擲效果。 該掏槽方式沿巷道垂直中心線布置3 個少量裝藥的大直徑空心眼,起爆順序在掏槽眼之后;阻拋孔布置在距掘進(jìn)工作面1.5 ～2.0 m 位置,少量裝藥,起爆順序與周邊眼相同。 現(xiàn)場炮孔布置如圖3、圖4 所示,圖中中空孔孔深2.4 m,掏槽孔孔深2.2 m,其余各孔孔深2.0 m。

圖3 掏槽孔及輔助孔布置

圖4 阻拋孔布置

田志剛[5]在錢家營煤礦大斷面巖巷掘進(jìn)的實(shí)踐中,將掏槽孔布置在下分層,采用分次裝藥分層起爆的方式改變了上分層一部分巖石的拋擲方向,有效控制了爆堆拋擲距離和飛石的產(chǎn)生。 掏槽眼及部分輔助孔炮孔布置如圖5 所示,各孔參數(shù)見表1。

圖5 楔形掏槽孔炮孔布置

表1 炮孔布置參數(shù)表

2.2 矸石大塊率高

由于巖體物理力學(xué)性質(zhì)差異和爆炸過程的復(fù)雜性,影響矸石塊度的因素是多方面的,其中巖石狀態(tài)和爆破方案對爆堆塊度的影響尤為明顯[6]。

針對矸石大塊問題,學(xué)者多以優(yōu)化掏槽方式、裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置為切入點(diǎn),通過理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)踐等方式進(jìn)行了各項(xiàng)研究。 唐建華等[7]認(rèn)為在巖石和裝藥條件確定的前提下,大塊的產(chǎn)生是炮孔間裂隙貫通導(dǎo)致爆炸能量過早逸散的結(jié)果。 馮書韜[8]通過水泥砂漿試驗(yàn),證明中深孔爆破時分段掏槽爆破可改善破碎塊度。 閻南[9]在分析扇形中深孔爆破破巖效果時,指出孔底距與炮孔破碎半徑兩者差值大小決定了大塊產(chǎn)出的尺寸和產(chǎn)出率。佟強(qiáng)[10]將切縫藥包定向斷裂技術(shù)應(yīng)用到掏槽爆破中,結(jié)合軸向分段裝藥和反向起爆方式,提高了炮眼利用率,降低了大塊率。 其研究表明:掏槽孔上方巖石是大塊產(chǎn)生的主要區(qū)域,該處輔助孔采用軸向分段裝藥,可有效控制大塊出現(xiàn)。 現(xiàn)場試驗(yàn)中炮孔布置如圖6 所示,圖中中心孔孔深2.7 m,其余炮孔孔深2.5 m。

圖6 掏槽孔及軸向分段裝藥區(qū)域炮孔布置

3 結(jié)語

通過對上述3 種不良效應(yīng)產(chǎn)生的影響因素和解決思路研究發(fā)現(xiàn),爆破方案中的掏槽方式、裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥單耗、填塞質(zhì)量、起爆順序和延期時間等可作為解決爆堆問題的切入點(diǎn)。

減少爆堆拋擲距離和爆破飛石產(chǎn)生的措施有:①降低掏槽孔高度;②增加掏槽孔和全斷面起爆段數(shù),減少同段起爆裝藥量;③提高炮孔的堵塞質(zhì)量;④隨自由面擴(kuò)大逐步減少輔助孔的裝藥量;⑤合理增大爆破網(wǎng)路分段延期時間,減小巖石能量疊加比例;⑥分層爆破,下分層先爆改變大部分巖石的拋擲方向。

降低大塊率的措施有:①軸向分段裝藥,使炸藥作用在巖石上的能量更加均勻;②設(shè)置合理的延期時間,使破碎巖塊相互碰撞;③嚴(yán)格控制炮孔間排距,使孔間裂隙充分貫通,減少大塊產(chǎn)生的概率。