硬巖巷道快速掘進技術研究

2019-01-25 09:47:24周巍煒

山西化工 2018年6期

周巍煒

(陽煤集團開元公司調度生產指揮中心，山西晉中 031700)

引言

礦井掘進速度緩慢導致接替緊張的現象在礦井生產中比較普遍，尤其在深井硬巖巷道掘進過程中，由于工程復雜、工作環境差、技術落后導致掘進效率較低，而巷道的掘進又是礦井生產的咽喉工程，其能否保持正常的掘進速度，關系到礦井高效建設和可持續生產[1-2]。為了保證礦井的高效生產，各礦井也采用了一些技術應對深井硬巖巷道的快速掘進，但是其中的一些關鍵環節還有待進一步的研究。例如，隨著礦井機械化程度提高，也有些礦井采用掘進機破巖，但其成本高，對巖石強度的適應性差的缺點也暴露出來。筆者以某礦十八采區3上輔運巷(東段)為工程背景，通過在該巷道掘進過程中采用多向聚能光面爆破技術，提高了巷道的掘進速度，加快了礦井的生產效率。

1 工作面概況

某礦十八采區3上輔運巷(東段)位于十八采區西部，西起十八采泄水巷，東至十八采3上輔運巷(東段)。十八采區3上輔運巷(東段)與十八采區3上膠帶巷、八采區3上回風巷平行布置，南距十八采區3上膠帶巷、十八采區3上回風巷分別為40 m、85 m。井下標高為-865.3 m，長度約200 m。該巷道主要布置在頂板巖層的中粒砂巖層，巖層堅固性系數f=6.1～7.5，屬堅硬性巖層巷道。另外，由于巷道掘進距離長，在快速掘進過程中還需要考慮斷層構造、爆破擾動等對巷道圍巖穩定性的影響[3-5]。

2 多向聚能爆破原理

針對十八采區3上輔運巷(東段)掘進工作面在掘進過程中也面臨深井、高地壓、大斷面、硬巖巷道等一系列地質問題，采用普通的爆破效率導致掘進進尺低，依據多向聚能爆破原理，在掘進中采用聚能裝置，提高爆破效率，加快該工作面進尺速度。

2.1 多向聚能裝置

將爆破炸藥的藥卷放入多向聚能爆破裝置之中，可利用該裝置具有聚能穴的特點，炸藥爆炸時產生的能量會沿著聚能穴方向積聚，當能量積聚到一定的程度時，積聚的能量會形成高速射流，使得聚能穴周圍的巖石孔壁受到能量的沖擊，周邊的巖石受到沖擊作用會產生裂紋，而隨著能量的不斷加大，裂紋在爆生氣體的作用下部斷擴大，達到使巖石破碎的目的[5-7]。其裝置示意圖如圖1所示。多向聚能裝置在采用掏槽眼或者輔助眼爆破時更能發揮出其優點，有利于提高炸藥的利用率和加快巷道巖石的破碎程度。

圖1 多向聚能裝置示意圖

2.2 爆破原理

多向聚能爆破主要通過設計和制作具有聚能效應的腰藥包，進行專門的射孔和切割的爆破方法。如第111頁圖2所示，圓柱形藥卷由于受到內壁具有V型凸起的塑料管的擠壓作用變成聚能穴結構，由于聚能穴的聚能作用，爆炸能量首先在各個聚能穴匯聚以在炮眼孔壁上形成預先徑向裂紋，隨后爆炸沖擊波涌入預先裂紋，使裂紋進一步發展，以提高爆炸效果。

圖2 多向聚能爆破過程示意圖

2.3 爆破優勢

隨著礦井對爆破斷面的精度要求和爆破技術的不斷提高，過去巖層掘進靠增大裝藥不耦合系數的爆破方式逐漸減少。過去普通爆破后由于破壞的不規則性，巖層會受到沖擊作用在各方向都產生相應的裂隙，隨著裂隙的發展爆破后形成的斷面不能達到理想的精度要求，而且由于爆破的不確定性，還會對周圍需要保護的巖層造成破會。而多向聚能爆破克服這一缺點，其爆破后會產生的能量會朝一個方向或者多個方向產生裂隙，切縫尖端會優先于其他方向產生裂隙并擴展，并且在一定程度上抑制其他方向產生裂隙，達到理想的爆破效果。多向聚能爆破與普通爆破相比，具有保護圍巖的性質和穩定性的作用，并且爆破后能達到理想的平面斷面，對巖石巷道的快速掘進有很好的效果。

3 爆破布置參數

3.1 掏槽眼布置

掏槽眼作為第一個爆破的炮眼，其為輔助眼創造第二個自由面，在爆破過程中具有基礎作用，掏槽眼的布置尤為重要。掏槽眼的布置方式主要有三種，一是斜眼掏槽，二是直眼掏槽，三是混合掏槽。根據巖層的性質不同和所需要的爆炸效果不同，選用不同的掏槽布置形式，以達到更好的爆破效果。斜眼掏槽主要適用于大斷面，對復雜地質條件的適用性強，但是其施工過程中相鄰鉆眼之間的干擾大；直眼掏槽更適用于小斷面，不適用于硬度較大的巖層，對鉆眼的精度要求高。

十八采區3上輔運巷(東段)巖層強度高，斷面大，因此采用斜眼掏槽的布置形式。斜眼掏槽又分為單向掏槽、錐形掏槽、楔形掏槽等形式。考慮到巷道斷面尺寸、形狀及所處的頂板巖層比較堅硬的特點，決定采用雙階垂直楔形掏槽方式，即先起爆內側一階掏槽眼，爆出小槽后，再起爆外側二階掏槽眼的方式。另外，在巷道中部布置一個反向裝填藥卷的中空直眼，通過將一階掏槽破碎的巖石拋出以為二階掏槽眼的爆破提供更大的自由面，有利于掏槽的效果。其雙階垂直楔形掏槽布置方式如圖3所示。

圖3 雙階垂直楔形掏槽炮眼布置示意圖

根據該工作面的巖層性質，和以往巷道爆破的經驗，掏槽眼的間距應500 mm～600 mm能達到更好的爆破效果。

3.2 周邊眼布置

布置周邊眼的目的是為了在掏槽眼掏槽的基礎上擴大掏槽效果，也是為了能使得爆破時巷道的輪廓更加整齊。根據工作面的巖層性質，和以往巷道爆破的經驗，周邊眼布置的間距為300 mm～400 mm，能到達最好的爆破效果，布置在距離巷道輪廓線100 mm位置。

3.3 炮眼布置參數

十八采區3上輔運巷(東段)使用Ф27 mm×300 g二級煤礦需用水膠炸藥，藥卷長度為400 mm，每卷重120 g。掏槽方式為楔式掏槽法，為了提高對于硬巖的沖擊強度，采用2.0 m以上進行爆破，掏槽眼的直徑為42 mm，藥包直徑為35 mm，增大藥徑和不耦合系數，延長應力波作用時間。

炮眼的深度根據巖層的硬度、斷面等因素進行調整，十八采區3上輔運巷(東段)掏槽眼深度2.2 m，一圈輔助眼、二圈輔助眼、三圈輔助眼、周邊眼、底眼等深度都為2.0 m。具體布置圖如第112頁圖4所示。

4 支護方式

巷道掘進后需對巷道進行支護，十八采區3上輔運巷(東段)斷面參數如第112頁表1所示。

巷道支護采用錨桿+錨索的支護方式，其中頂部和幫部的錨桿均選用Ф20 mm×2 200 mm(MSGLD-500/20)左旋等強度全螺紋錨桿；頂部錨桿間排距為900 mm×900 mm，幫部錨桿間排距為900 mm×900 mm；錨索規格選用Φ22 mm×4 500 mm鋼絞線(SKP18-1/1860)錨索，斷面間排距為1 500 mm×2 700 mm，當頂板向上為堅硬穩定中砂巖、細砂巖頂板時，頂板不再布置錨索。