王金礦 祁 樂 秦聰聰

（河南能源集團(tuán)鶴煤公司三礦，河南 鶴壁 458000）

目前，鶴煤公司的巖巷掘進(jìn)方式主要為炮掘和綜掘兩種方式，其中在該公司巖巷掘進(jìn)中鉆爆法占據(jù)了較大的比重。鉆爆法平均月掘進(jìn)進(jìn)尺為65 m，掘進(jìn)速度不高，嚴(yán)重制約礦井采掘布局和接續(xù)。爆破工藝的優(yōu)化對于提高巖巷掘進(jìn)速度，緩解采掘矛盾尤為關(guān)鍵。單仁亮[1]等通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)確定了直眼掏槽炮孔在不同爆破條件下的布置方式等深孔爆破的技術(shù)參數(shù)。張召冉[2]等以二階二段掏槽破巖機(jī)理為基礎(chǔ)，通過改變炮眼的爆破順序，取得了一定的爆破效果。馬利[3]將中深孔控制爆破理論技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)性試驗(yàn)中，有效地提高了巖巷單進(jìn)進(jìn)尺。但隨著不斷加大炮孔的深度，爆破時(shí)，掏槽眼附近周邊巖體的夾制明顯，導(dǎo)致爆破效果不佳。

隨著礦井開采機(jī)械化程度的不斷提升，探索炮眼深度2.5 m 以上爆破方案來提高巷道單進(jìn)已成為必然。但隨著炮眼深度的不斷加深，掏槽眼的深度也不斷加大，炮眼深度加大，對炸藥爆炸拋擲形成槽腔的難度也在不斷加大，掏槽眼起爆后對周邊巖體的夾制也愈發(fā)明顯，導(dǎo)致掏槽爆破更加困難。長期以來鶴煤三礦一直采用直眼掏槽的掏槽方式，后面配備扒巖機(jī)或扒矸機(jī)配合皮帶的排矸方式，但由于扒巖設(shè)備不能離迎頭較遠(yuǎn)，后退距離有限，故在爆破時(shí)，須考慮防止爆破時(shí)扒巖設(shè)備被崩壞的問題。因此，導(dǎo)致在巖巷爆破施工時(shí)裝藥少、爆破效果差、單循環(huán)進(jìn)尺低的現(xiàn)象，進(jìn)而造成礦井采掘接替較為緊張。為解決上述難題，結(jié)合礦井實(shí)際和相關(guān)資料，研究提出了既滿足進(jìn)尺要求，又施工簡便的多階多段掏槽爆破工藝，以期提高巷道掘進(jìn)效率和速度。

1 工程背景

鶴煤三礦三水平北翼運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度為328 m，該巷道位于三水平北翼，北部為46 采區(qū)未開拓區(qū)域，南部為三水平北翼運(yùn)輸巷，西部為三水平北翼軌道巷。該巷在二1 煤層下施工，距二1 煤層底板最近距離為39 m，最遠(yuǎn)距離為90.5 m。施工中主要揭露的巖層為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖。巷道寬×高=5700 mm×4000 mm。該巷主要含水層為二1 煤層底板砂巖（S9）含水層和C2L8 灰?guī)r含水層，正常涌水量為1.0 m3/h，最大涌水量為3.0 m3/h，絕對瓦斯涌出量為0.43 m3/min 左右。巷道圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)f≥5。該巷采用CMZY2-180-35 煤礦用鉆裝一體機(jī)機(jī)械化作業(yè)線進(jìn)行掘進(jìn)，作業(yè)循環(huán)方式為兩掘一成。支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm，錨桿間距為700 mm×800 mm，錨索規(guī)格為Ф21.6 mm×5300 mm，錨索間排距為1400 mm×2100 mm，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm，錨索錨固力不低于120 kN。

原爆破方案火藥選用藥卷直徑為32 mm 的煤礦許用三級乳化炸藥，長度320 mm，每卷重300 g；雷管選用普通電雷管，分為5 段起爆，其最長延期時(shí)間不得超過130 ms。炮眼直徑為43 mm，發(fā)爆器使用MFB-200 型煤許起爆控制器。原爆破方案炮孔參數(shù)見表1。炮孔深度設(shè)計(jì)為2.7 m，采用分次爆破，炮眼數(shù)為123 個(gè)，掏槽形式為直眼掏槽，掏槽眼的垂直深度與輔助眼、周邊眼相比深200 mm，掏槽眼和輔助眼的角度均為90°，周邊眼布置在距離巷道100 mm 處，周邊眼間距300 mm。原方案炮眼布置圖如圖1。

表1 原方案爆破炮孔裝藥參數(shù)表

圖1 原方案炮眼布置圖（mm）

從三水平北翼運(yùn)輸巷爆破現(xiàn)場可以看出，爆破后單循環(huán)進(jìn)尺2.2 m，炮眼利用率81.4%。巷道成型質(zhì)量較差，半拉眼不明顯，現(xiàn)場大塊矸石較多。經(jīng)測量，矸石的塊度最大能達(dá)到53 cm 左右，增大了鉆裝機(jī)被砸的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大塊矸石也極易導(dǎo)致轉(zhuǎn)載機(jī)和運(yùn)輸皮帶故障增多，增加維修護(hù)理時(shí)間，影響掘進(jìn)效率。通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，導(dǎo)致該掘進(jìn)工作面爆破效果不佳的原因主要有以下兩方面：

1）爆破參數(shù)不合理，由于巷道所在巖石以砂巖為主，而該掘進(jìn)工作面現(xiàn)場布置的掏槽眼過少，導(dǎo)致炮孔利用率較低。

2）爆破方案不合理，該巷道采用3 次起爆的方式，故應(yīng)力波疊加且分散，造成工作面大塊矸石較多；放炮后需經(jīng)過15 min 才允許工人進(jìn)入迎頭，現(xiàn)場工人還需來回三次到迎頭進(jìn)行裝藥和連線，安全可靠性較低。

2 爆破參數(shù)的優(yōu)化

巖巷爆破的關(guān)鍵在于掏槽方式的選擇，為了解決這些問題，通過查閱相關(guān)資料和結(jié)合巷道實(shí)際條件，決定在三水平北翼運(yùn)輸巷使用多階多段的掏槽方式，以解決在該巷道施工爆破效果不佳的問題。該掏槽方式的主要思想為“先裂后掏”[4-5]?！跋攘选敝饕侵钢行目紫攘巡⒃谠摽姿闹苄纬闪严秴^(qū)，并與一階掏槽區(qū)域形成新的裂隙貫通；“后掏”是指二階掏槽的爆破，形成更大的裂隙區(qū)，進(jìn)而提高巖巷單進(jìn)進(jìn)尺。

2.1 二階二段掏槽原理

二階二段掏槽技術(shù)是按照掏槽孔起爆的先后次序和槽眼不同的深度而布置的[6-9]。從綜合巖巷爆破施工的現(xiàn)場可以看出，傳統(tǒng)的直眼掏槽存在自由面單一的弱點(diǎn)，炮孔利用率較低。與傳統(tǒng)直眼掏槽不同，二階二段掏槽技術(shù)通常采用深淺不同的掏槽孔配合不同時(shí)段毫秒延期電雷管進(jìn)行掏槽，同時(shí)在掏槽眼中心處布置一個(gè)空孔，利用空孔效應(yīng)，進(jìn)而提高炮眼利用率。該掏槽方式主要是二階掏槽眼利用一階掏槽眼形成槽腔爆破形成新自由面，進(jìn)而形成更大自由面，掏槽效率較傳統(tǒng)的掏槽方式得到了較大提升。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，相較于傳統(tǒng)的掏槽方式，二階二段掏槽方式主要的優(yōu)點(diǎn)在于：1）利用自由面方面，二階二段掏槽是掏槽眼利用深淺不同的眼深在不同時(shí)段爆破，將傳統(tǒng)的同時(shí)段掏槽爆破變?yōu)椴煌瑫r(shí)段爆破，有效地提升掏槽孔的自由面；2）在擴(kuò)大槽腔體積方面。二階二段的掏槽眼為斜眼掏槽，掏槽槽口的距離明顯較大，加之掏槽使用了不同時(shí)段爆破，故二階二段的掏槽方式擴(kuò)大了掏槽的槽腔體積，進(jìn)而又進(jìn)一步地加大了輔助眼的炮孔利用率；3）在巷道爆破效果方面。在二階二段掏槽中一階掏槽眼和二階掏槽眼較傳統(tǒng)的掏槽眼均勻布置在巷道上，進(jìn)而使得掏槽孔的炸藥爆破能更為均勻，可有效地減小工作面迎頭巖石的拋擲距離，大大降低了爆破時(shí)工作面迎頭巖石的大塊率。

2.2 掏槽參數(shù)優(yōu)化

為增加爆破效果，將原直眼掏槽方式改為斜眼掏槽，如圖2 所示，

粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)分別是炸藥爆破后會形成的3 個(gè)區(qū)域，假設(shè)R1為粉碎區(qū)的半徑、R2為裂隙區(qū)的半徑，具體的表達(dá)式：

（1）（2）和（3）式中：ρ0為炸藥密度，g/cm3；rb為炮孔半徑，mm；D為炸藥爆速，km/s；A為巖石與炸藥阻抗相關(guān)的系數(shù)；B為與側(cè)應(yīng)力系數(shù)相關(guān)的系數(shù)；σcd為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，取14.42 MPa；σtd為動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，取7.21 MPa；α為沖擊波衰減系數(shù)，α=2+μd/（1-μd），μd為巖石的動(dòng)態(tài)泊松比，取0.28；β為應(yīng)力波衰減系數(shù)，β=2-b，b為0.39；h為一階掏槽深度為1800 mm。

式中：p為作用在炮孔壁上的爆炸荷載，p=ρ0·P2A/4。

一階、二階掏槽傾斜角分別為θ、φ，由此可知：

該巷道采用的是三級乳化炸藥，密度ρ0=1.23 g/cm3，爆速D=3600 m/s，掏槽孔設(shè)計(jì)深度H=2700 mm，炮孔半徑rb=22.5 mm，由巖石力學(xué)參數(shù)可得A＝1.44，B=1.69。由公式（1）和（2）可計(jì)算出：R1=167.98 mm，R2=258.37 mm。則由公式（3）可知掏槽孔眼距a取值范圍為258.37～516.74 mm，a可取400 mm。由公式（4）可得出e=320.51 mm。考慮掘面巖石的硬度f取500 mm，則二階掏槽孔深度H=2900 mm。進(jìn)而可求解出S一階=955.29 mm，取整數(shù)為1000 mm；S二階=1 007.43 mm，取整數(shù)為1100 mm，θ=80°，φ=85°。優(yōu)化后的炮眼布置及參數(shù)如圖3 和表2。

表2 一次起爆爆破炮孔裝藥參數(shù)表

圖3 優(yōu)化爆破炮眼布置圖（mm）

3 數(shù)碼電子雷管

由于數(shù)碼電子雷管采用的模塊是電子控制系統(tǒng)，較傳統(tǒng)雷管更為靈活，安全可靠性較高，且數(shù)碼電子雷管在炮孔內(nèi)的分段較多，使得炮孔在爆破時(shí)爆破能量有了更大的空間傳導(dǎo)[6-7]。結(jié)合該工作面采用的二階二段的掏槽方式，普通的電雷管五個(gè)分段已不能滿足需要，故在三水平北翼運(yùn)輸巷首次采用數(shù)碼電子雷管。結(jié)合礦實(shí)際，采用型號為FBH-200-B 型的發(fā)爆器，并將原分次爆破改為全斷面一次爆破，將各段延時(shí)時(shí)間定位0 ms、15 ms、20 ms、55 ms、80 ms、105 ms、130 ms。如圖4。

圖4 數(shù)碼電子雷管連接及發(fā)爆器圖

4 爆破效果分析

三水平北翼運(yùn)輸巷在采用新的爆破方案后，對爆破現(xiàn)場利用圖像法來分析確定爆破巖塊的塊度，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3 和圖5 所示。采用一次起爆后的最大塊度為42.3 cm，平均塊度為20.3 cm；分次爆破后的最大塊度為56.5 cm，平均塊度為22.6 cm。由以上可以看出，一次起爆后較原爆破方案分次爆破時(shí)的最大塊度尺寸減小了14.2 cm，最大塊度尺寸降低了25.13%，較原爆破方案的分次起爆減小了10.18%，表明一次起爆的爆破方案使該工作面矸石的塊度得到了明顯改善。

表3 爆破塊度統(tǒng)計(jì)表

圖5 新舊爆破方案各塊度所占百分比平均值

通過表4 可以看出，與原爆破方案相比，一次爆破的爆破方案在裝藥和爆破時(shí)間上有所減少，且因爆破產(chǎn)生的大塊矸石較少，膠帶運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)的故障也較少，出矸時(shí)間減少了40 min。通過1 個(gè)月的現(xiàn)場試驗(yàn)，炮眼利用率和單循環(huán)進(jìn)尺在不同程度上都得到了提升，累計(jì)月進(jìn)尺約提高了10 m。

表4 兩種方案爆破爆破情況對比

5 結(jié)論

研究提出多階段掏槽技術(shù)，并采用新型數(shù)碼電子雷管，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)取得良好效果。

1）通過理論計(jì)算確定了掘進(jìn)工作面“二階二段”的掏槽數(shù)據(jù)，并利用數(shù)碼電子雷管可設(shè)置多段延期時(shí)間這一特性，進(jìn)而形成了更大的自由面，擴(kuò)大了槽腔體積，提高了掏槽效率。

2）現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用多階段一次起爆，在一定程度上降低了裝藥、出矸、爆破時(shí)間，巷道炮眼利用率也得到了有效提高，并且在爆破時(shí)，巖石拋擲距離明顯比原爆破方案小，巖石的大塊率也有明顯降低，巷道月進(jìn)尺提高了約10 m。