益新煤礦中心大空孔掏槽爆破現(xiàn)場試驗研究

郭東明，李旭鵬，王漢軍，左進京，李　鐵，何天宇

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院建筑與測繪工程學院，北京 100042)

益新煤礦中心大空孔掏槽爆破現(xiàn)場試驗研究

郭東明1，2，李旭鵬1，王漢軍3，左進京1，李鐵1，何天宇1

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院建筑與測繪工程學院，北京 100042)

摘要：本文以益新煤礦四水平北翼皮帶巷爆破掘進工程為背景，基于現(xiàn)場爆破試驗，研究了中心大空孔新型掏槽爆破施工技術(shù)及與之相適的掏槽布置方式和爆破參數(shù)。通過對現(xiàn)場4組掏槽對比試驗的分析，確定了方形套方形的掏槽布置方式及相應的爆破參數(shù)。現(xiàn)場應用表明：采用中心大空孔加方形套方形的掏槽布置方式，爆破后形成的空腔深度更深且破壞半徑小，掏槽效果顯著，與傳統(tǒng)掏槽方法相比，單循環(huán)進尺可提高82.4%以上，月進尺最高可達近135m。中心大空孔掏槽爆破施工方法將有效提高礦井開拓速度，同時也可以為國內(nèi)中、深孔快速掘進的研究提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：空孔；掏槽爆破；爆破參數(shù)；快速掘進

在我國煤礦巷道掘進中，爆破是巖石開挖的主要方法[1-3]。我國巖巷掘進采用的主要是淺眼鉆爆法，該工法越來越不能滿足現(xiàn)代化煤礦企業(yè)的高效掘進要求。直眼掏槽爆破工藝是在掘進斷面上鉆鑿一個或一個以上非裝藥空孔，空孔具有很好的爆炸能量導向和巖體爆破碎脹補償作用，這為掏槽爆破的成功提供了條件[4-7]。林大能等[8]研究了含空孔直眼掏槽的炮眼布置方式和空腔的形成過程，建立了相應的力學模型，并給出了空腔尺寸的計算方法；劉優(yōu)平等[9]主要探究了空孔掏槽爆破的作用機理和空孔的應力集中效應及其變化規(guī)律；張奇等[10]通過建立力學模型，分析了影響直眼掏槽爆破效果的因素，探究了空孔在掏槽爆破中的影響及其模擬方法；李啟月等[11]通過有限元軟件數(shù)值模擬，得出空孔會在掏槽爆破過程中引發(fā)空孔效應并提供一個初始自由面，從而改變槽孔爆破時的應力分布狀態(tài)，同時對槽腔巖石的破碎具有一定的導向作用；唐信來等[12]通過建立力學模型來研究首爆裝藥孔的爆破過程，進而探究大空孔螺旋掏槽爆破施工技術(shù)；鄭祥濱等[13]通過數(shù)值模擬分析，探究了單螺旋空孔直眼掏槽中爆炸應力波的傳播規(guī)律以及空腔的形成過程。本文以益新礦四水平北翼皮帶巷工程項目為依托，嘗試通過現(xiàn)場爆破試驗探究含中心大空孔的新型掏槽爆破施工方法，同時確定合理的掏槽爆破方案和相應的爆破參數(shù)。該研究成果將加快益新礦四水平北翼皮帶巷的掘進速率，提高煤礦的生產(chǎn)效率，同時也將為煤礦企業(yè)的快速掘進提供參考。

1工程概況

黑龍江龍煤集團鶴崗分公司所屬各礦的巖巷平均單進約為45～78m/月(表1)，巖巷每月掘進工作面?zhèn)€數(shù)為101個，年巖巷進尺為8萬m。其中，鶴崗分公司礦建處二工區(qū)的益新礦四水平北翼軌道大巷所遇圍巖以石英長石為主，主要為白砂巖、細砂巖，圍巖完整性較差。該段巷道預計穿過F303斷層、不穿煤層。設計工程量為2127m，巷道斷面面積為19.14m2(寬5.1m，高4.17m)，距地表超過738m。為了提高礦山生產(chǎn)的可持續(xù)性和掘進速度，2013年該公司為礦建處引進了CMZY2-120/18型煤礦用巖巷鉆裝機組和CMS1-6000/55型煤礦用掏槽孔鉆車，經(jīng)礦建處二工區(qū)研究決定將這些設備投入到益新四水平北翼軌道大巷中使用。

表1　益新礦傳統(tǒng)炮掘法生產(chǎn)進尺

2中心大空孔掏槽爆破參數(shù)研究

2.1掏槽爆破參數(shù)設計理論

掏槽爆破參數(shù)的設計主要有計算法和工程類比法兩種。計算法又分為理論公式法和經(jīng)驗公式法兩種。無論哪種方法都是通過計算先初步確定參數(shù)，試爆后再調(diào)整參數(shù)，同時要根據(jù)地質(zhì)條件的改變，相應地調(diào)整爆破參數(shù)。工程類比法是依據(jù)現(xiàn)場施工、環(huán)境等各項條件，直接采用與本工程項目情況相類似的工程資料中的經(jīng)驗參數(shù)，試用后再調(diào)整參數(shù)。評價爆破參數(shù)的合理性，最終還是看爆破效果如何，經(jīng)濟上是否合理，統(tǒng)籌考慮巖石特性、現(xiàn)場機械設備狀況、工程地質(zhì)情況等因素。

2.1.1炮孔直徑

炮孔直徑選取的主要影響因素包括：巖石性質(zhì)、炸藥性質(zhì)、現(xiàn)場施工要求、現(xiàn)場設備情況等。通常而言，主要依據(jù)鉆孔機械和現(xiàn)場爆破情況來確定參數(shù)取值。地下巷道中的光面爆破工程，炮孔直徑的選取范圍是35～45mm。

2.1.2炮孔間距

炮孔間距選取的主要影響因素包括：圍巖巖性、光爆層厚度、炸藥性能、不耦合系數(shù)等。按式(1)進行計算[14]。

(1)

式中：Li是各炮孔中裂縫的長度，Li=(bPb/σL)αγb，其中b是比例系數(shù)，b=μ(1-μ)，μ是泊松比，Pb是巖石的極限抗壓強度KPa，σL是巖石的抗拉強度，α是系數(shù)取值2/3，γb是炮孔半徑cm；Pa是炮孔被爆生氣體充滿時的靜壓KPa，Pa=K1QΔ/δ，其中K1是系數(shù)，炸藥密度為1.0g/mL時，K1=25，炸藥密度為1.5～1.6g/mL時，K1=58，Q是炸藥的爆熱，梯恩梯是4187kj/kg，硝氨炸藥是4228kj/kg，Δ是爆破孔內(nèi)的裝密g/mL，δ是炸藥本身的密度g/mL；d是炮孔直徑cm。

2.1.3最小抵抗線

最小抵抗線的計算公式，見式(2)。

(2)

式中：Q是單孔藥量；C是爆破系數(shù)；a是孔距；La是炮孔深度。此外W還可按式(3)計算。

(3)

式中：m是炮眼密集系數(shù)，取m=0.8～1.0。m針對不同的地質(zhì)構(gòu)造、巖石特性以及開挖跨度應作適當?shù)恼{(diào)整。

2.1.4不耦合系數(shù)

不耦合系數(shù)ko是孔徑和藥徑的比值，表征炸藥和孔壁之間的貼合度。通常在光面爆破中，ko的取值是1.6～3.0。

2.1.5炮孔裝藥量

對光面爆破而言，炮孔裝藥量的計算公式見式(4)。

q=AKmk1W

(4)

式中：q是炮孔單位深度的裝藥量kg/m；A是炮孔堵塞系數(shù)，常取值A(chǔ)=1.0；K是系數(shù)，軟巖取K=0.5～0.7，中硬巖取K=0.75～0.95，硬巖取K=1.0～1.5；m是炮孔密集系數(shù)，k1是依據(jù)m確定的變量，常取k1=0.5；W為最小抵抗線。現(xiàn)場施工時，參考該公式的計算藥量，并結(jié)合現(xiàn)場試驗研究進行適當調(diào)整，以確定符合實際工程的炮孔裝藥量。

2.2掏槽爆破優(yōu)化試驗研究

開拓掘進面爆破工藝中難度最大的環(huán)節(jié)是掏槽，掏槽的深度決定了整個爆破循環(huán)的深度，要想提高單進水平，必須提高循環(huán)進度，因此掏槽就成了關(guān)鍵。

在開拓掘進爆破工藝的基礎(chǔ)上，鶴崗分公司引進了CMZY2-150/20型煤礦用鉆裝機組和CMS1-6000/55型煤礦用掏槽孔鉆車兩臺設備并投入現(xiàn)場使用。CMZY2-150/20型煤礦用鉆裝機組是集鑿巖與裝載兩種功能于一體的高效連續(xù)作業(yè)設備，主要用于礦山巖巷、鐵路隧道以及其它工程巷道中的掘進作業(yè)[15]。CMS1-6000/55型煤礦用掏槽孔鉆車是新一代鉆孔取芯設備，該車以防爆電機為動力帶動回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動鉆具及液壓泵進行鉆孔及掏槽作業(yè)，取芯鉆頭內(nèi)徑是355mm，外徑是400mm，壁厚是45mm。

基于掏槽爆破參數(shù)設計理論，結(jié)合上述兩種新型施工設備及大空孔的特點，我們設計了四種掏槽方案的對比試驗(圖1)，以探究最合理的掏槽爆破布置方案及爆破參數(shù)，各方案均在現(xiàn)場進行了爆破試驗，形成了不同的掏槽爆破效果。基于掏槽爆破參數(shù)設計理論，結(jié)合上述兩種新型施工設備及大空孔的特點，我們設計了四種掏槽方案的對比試驗(圖1)，以探究最合理的掏槽爆破布置方案及爆破參數(shù)，各方案均在現(xiàn)場進行了爆破試驗，形成了不同的掏槽爆破效果。

四種掏槽方案的中心大空孔直徑均為400mm。圖1(a)為高位置空孔圓形掏槽布置，其余炮眼個數(shù)為11，直徑為32mm；圖1(b)為第一種方形套方形掏槽布置，其余炮眼個數(shù)為8，直徑為45mm；圖1(c)為第二種方形套方形掏槽布置，其余炮眼個數(shù)為62，直徑為32mm；圖1(d)為第三種方形套方形掏槽布置，其余炮眼個數(shù)和直徑為62個、32mm和26個、45mm的組合，四組對比試驗的具體爆破參數(shù)見表2。

圖1　四種掏槽方案的對比試驗

試驗次序掏槽方式鉆孔數(shù)Φ32mmΦ45mmΦ400mm裝藥量/kg炮眼深/m炸藥單耗/(kg/)單位面積炮孔數(shù)/(個/)炮眼利用率/%第1次高位置空孔圓形掏槽11/18.82.29.261296第2次第一種方形套方形掏槽/8122.83.422.1897第3次第二種方形套方形掏槽62/186.43.39.49794第4次第三種方形套方形掏槽62261157.23.39.22599

該對比試驗的目的一是基于良好的爆破效果，爭取盡可能少的炸藥單耗和單位面積炮孔數(shù)；二是確定最有效的掏槽布置方式，進而形成確實可行的中心大空孔掏槽爆破施工工法。

2.3掏槽爆破方案的確定

分析第1～4次爆破試驗參數(shù)表可得，第4次的第三種方形套方形掏槽方案與其他掏槽方案相比，單位面積炮孔數(shù)少，炸藥單耗低，炮眼利用率高，其爆破參數(shù)較為合理。同時，從現(xiàn)場掏槽效果來看，該掏槽方案能夠形成較規(guī)則空腔，空腔深度較深且破壞半徑小，出巖量巨大，掏槽效果非常顯著，是比較理想的掏槽方案。因而，基于第4次的第三種方形套方形掏槽方案，圍繞中心大孔徑空孔，我們確定了方形套方形的掏槽布置方式，掏槽眼眼深比空孔淺55～100mm，與空孔的最小抵抗線確定為250mm。方形布置的掏槽眼與內(nèi)圈方形布置的掏槽眼的最小抵抗線確定為400mm。掏槽爆破采用兩次起爆，單孔裝藥量和封泥長度均嚴格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，相應的炮眼布置方式及參數(shù)見圖1(d)和表3。

掏槽方案的具體施工過程如下所述。首先，用CMZY2-120/18型鉆裝機組進行輔助眼和一圈眼、二圈眼周邊的打眼施工，留出掏槽眼的部位。然后撤出鉆裝機組，將CMS1-6000/55型煤礦用掏槽孔鉆車開至工作面，在掏槽部位支起前后液壓支腿，使掏槽孔距離底板600mm位置，用直徑400mm的管狀鉆頭超前鉆出留有巖芯的鉆孔，深度可根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況選定在3～8m。然后在鉆孔巖芯的中心布置一個炮孔，用爆破的方式將巖芯整體推出或破碎拋出，從而在鉆眼爆破工藝中創(chuàng)造第二個自由面。在此基礎(chǔ)上分步完成擴大槽腔的掏槽爆破，破碎巖石的崩落眼爆破，和達到巷道成形規(guī)整的周邊眼光面爆破，實現(xiàn)3.5m以上的循環(huán)進度。

3現(xiàn)場施工情況及效果

3.1現(xiàn)場施工情況

現(xiàn)場施工過程中，整個單循環(huán)打眼(含鉆中心大空孔的時間)放炮總時間約8h，支護時間約4h，排矸時間約3h，即一個完整的單循環(huán)用時約為15h。施工現(xiàn)場每個大班的工作時間為8h，即2個大班完成一個循環(huán)，2天實現(xiàn)3個循環(huán)，平均單循環(huán)進尺2.1m(表4)。按照這種循環(huán)進尺，平均每天進尺約3m，月進尺能突破90m，比不用掏槽機每月多進尺約45m(表1)。然而，由于施工現(xiàn)場巷道巖石比較破碎，掏槽機不能鉆3m以上的掏槽孔，從而在一定程度上制約了單循環(huán)進尺。如果圍巖條件比較完整，巖性較好，則能夠?qū)崿F(xiàn)3m以上的單循環(huán)進尺，月進尺將再獲新高。

表3　炮眼布置參數(shù)

表4　掏槽孔鉆車生產(chǎn)進尺

3.2現(xiàn)場施工效果

經(jīng)觀察現(xiàn)場掏槽情況發(fā)現(xiàn)，方形套方形的掏槽布置方式可以形成較規(guī)則空腔，空腔深度較深，破壞半徑小。同時，大空孔掏槽碎石的拋擲比較收斂且呈“束”狀拋擲，出巖量多且破碎巖石粒徑較為均勻，掏槽效果顯著，具體現(xiàn)場效果見圖2。

圖2　現(xiàn)場掏槽效果

采用中心大空孔掏槽爆破施工方法，中心空孔為掘進斷面爆破施工提供了第二自由面，能夠起到很好的應力集中效應、卸壓效應以及雙向自由面效應，爆生主裂紋在擴展過程中能夠逐漸向空孔發(fā)生偏移，并最終在中心大空孔處貫通破壞，形成較大空腔，實現(xiàn)了后續(xù)的掏槽爆破。同時空孔也為拋擲的巖石相互碰撞提供了空間，為破碎巖石提供了擱置空間，因而能夠形成較大空腔，掏槽效果顯著。對比表1和表2可見，該掏槽方法比傳統(tǒng)掏槽方法的平均單循環(huán)進尺提高約40%，月進尺可達90m。

4結(jié)論

1)形成了硬巖巷道“中心大空孔加方形套方形”的新型掏槽爆破技術(shù)，大空孔打眼裝備和鉆裝一體機及高效施工工藝體系。確定了合理的掏槽布置方式及爆破參數(shù)，掏槽眼眼深比空孔淺50～100mm，與空孔的最小抵抗線確定為250mm；方形布置的掏槽眼與內(nèi)圈方形布置的掏槽眼的最小抵抗線確定為400mm，掏槽爆破采用兩次起爆，各項參數(shù)合理，掏槽效果顯著。

2)現(xiàn)場應用表明：采用中心大空孔加方形套方形的掏槽布置方式，由于空孔的應力集中效應、雙向自由面效應和卸壓效應，爆生主裂紋在擴展過程中能夠逐漸向空孔發(fā)生偏移，并最終在中心大空孔處貫通破壞，形成較大“爆腔”；同時空孔也為巖石的碰撞和擱置提供了較大空間，一定程度上促進了空腔的形成。與傳統(tǒng)掏槽方法相比，該掏槽方法所形成空腔的深度較深且破壞半徑小，單位面積炮孔

數(shù)少，炸藥單耗低，炮眼利用率最高可達100%，同時比傳統(tǒng)掏槽方法有著更高的單循環(huán)進尺。

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Field test on center big empty hole in cut blasting in Yixin coal mine

GUODong-ming1，2，LIXu-peng1，WANGHan-jun3，ZUOJin-jing1，LITie1，HETian-yu1

(1.SchoolofMechanicsandArchitectureEngineer，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，Beijing100083，China；3.SchoolofArchitecturalandSurveyingandMappingEngineering，BeijingPolytechnicCollege，Beijing100042，China)

Abstract:This paper taken the blasting excavation project of four levels of north wing belt lane in Yixin Coal Mine as the background，based on the site blasting tests，researched a new construction technology of center big empty hole in cut blasting and the cut arrangement and blasting parameters corresponding with the new technology.Through the analysis on the four groups of cut contrast test on site，the cut arrangement of a square set another square and the corresponding blasting parameters were ensured.The field application showed that when the center big empty hole in cut blasting and the cut arrangement of a square set another square were used，the cavity formed after blasting will get a deeper depth and smaller damage radius，so the cut effect is remarkable.Compared with traditional cutting methods，the monocyclic footage can increase more than 82.4% and the month footage was up to nearly 135 meters.The new construction technology of center big empty hole in cut blasting will increase the development speed of mines effectively，at the same time，it will provide new ideas and methods for the research of rapid excavation of medium and deep hole in China.

Key words：big empty hole；cut blasting；blasting parameters；rapid excavation

收稿日期：2015-10-09

基金項目：國家自然科學基金面上項目資助(編號：51274204)；教育部新世紀人才支持計劃項目資助(編號：NCET-12-0956)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目資助(編號：2009QL04)；教師隊伍建設-創(chuàng)新團隊項目“煤礦災害預警關(guān)鍵技術(shù)研究”資助(編號：PXM2014_014225_000048)

作者簡介：郭東明(1974-)，男，江西新余人，漢族，副教授，碩士生導師，主要從事礦井建設方面教學和研究工作。E-mail：dmguocumtb@126.com。 通訊作者：李旭鵬(1990-)，男，漢族，河北張家口人，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究工作。

中圖分類號：TD235.4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0082-05