鉆爆法巖巷掘進爆堆控制技術研究

唐忠義，王海亮，谷志民，蒲志強，崔超超

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

0 引言

鉆爆法以其地質條件適用廣泛、施工過程靈活被廣泛應用于礦井巖巷掘進施工[1]。 傳統鉆爆工藝機械構造簡單、可靠性強,但人工勞動強度大,施工時間長,效率低。 隨著礦井開采規模對掘進要求的提高,大型機械化鉆裝設備與爆破作業相結合成為提高巖巷掘進效率的一種發展趨勢。 但該方式在應用中存在若干相互制約的因素,設備是否優良耐用和操作熟練程度會影響鉆爆作業施工時間,而爆破效果又制約著設備的正常運行,其中對設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生的不良效應。 設備操作的熟練程度可通過培訓實踐加以提高,但針對爆堆問題產生的不良效應唯有從鉆爆工序中尋求思路才最為有效。

如果巖巷掘進方式由普通炮掘向大型機械化設備與爆破作業相結合的模式發展,就要克服爆堆的不良效應對設備的影響,從而對爆破作業技術提出了更高的要求。

1 爆堆產生的不良效應

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

因此,鉆爆作業中常見的不良效應為:爆堆拋擲距離過遠、大塊率較高和飛石沖擊。

2 爆堆不良效應的產生原因與控制措施

2.1 爆堆拋擲距離過遠與飛石沖擊

爆堆拋擲距離過遠與飛石的產生均發生在爆堆拋擲過程中,兩者在產生機理上雖存在差異,但在控制思路上存在一致性。 因此,在探索兩者對掘進設備影響方面做歸類研究。

2.1.1 影響拋擲距離和飛石產生的因素

1)掏槽質量。 爆堆方量主要來源于輔助孔作用區域的巖石[2],良好的掏槽區成型質量可減小原巖對輔助孔的夾制作用,增強徑向方向的拋擲力,減弱爆堆在巷道軸線方向的拋擲力。 掏槽區域內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生飛石少且拋擲距離近。

2)炮孔孔位。 從整體看,設計裝藥量應保證巖石破碎不產生多余能量。 若被爆巖石結構不均勻,如存在節理、層理、裂隙等軟弱面或地質構造面,設計爆破能量作用于軟弱部位時極易產生飛石,若該區域巖石不均勻、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)炮孔填塞質量。 封孔質量不佳容易導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程中最小抵抗線方向和介質破碎后的運動方向。 合理的延期時間,應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,進而增加拋擲距離和飛石產生的可能性。

2.1.2 控制方式

調整掏槽孔布置方式、優化裝藥結構和起爆方式、提高填塞質量是現場施工控制爆堆拋擲距離、減少飛石產生的常用方式。 唐德玉等[2]通過現場試驗指出,直眼掏槽比楔形掏槽拋擲距離近,并在現場采用中心孔直眼菱形掏槽方式,采取增加填塞長度、適當減少掏槽孔裝藥量等措施進行試驗。 結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算結構模型為基礎,進行模擬爆破試驗,結果表明:巖巷爆破在巖石堅固性系數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爆后巖石的上拋,減少了該區域巖石的拋擲距離,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對掘進設備的損傷問題,選用中空孔直眼掏槽結合底板“阻拋孔”方式進行現場試驗,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的實踐中,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生。 掏槽眼及部分輔助孔炮孔布置如圖5 所示,各孔參數見表1。

圖5 楔形掏槽孔炮孔布置

表1 炮孔布置參數表

2.2 矸石大塊率高

由于巖體物理力學性質差異和爆炸過程的復雜性,影響矸石塊度的因素是多方面的,其中巖石狀態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,學者多以優化掏槽方式、裝藥結構和炮孔布置為切入點,通過理論計算和現場實踐等方式進行了各項研究。 唐建華等[7]認為在巖石和裝藥條件確定的前提下,大塊的產生是炮孔間裂隙貫通導致爆炸能量過早逸散的結果。 馮書韜[8]通過水泥砂漿試驗,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出的尺寸和產出率。佟強[10]將切縫藥包定向斷裂技術應用到掏槽爆破中,結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生的主要區域,該處輔助孔采用軸向分段裝藥,可有效控制大塊出現。 現場試驗中炮孔布置如圖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域炮孔布置

3 結語

通過對上述3 種不良效應產生的影響因素和解決思路研究發現,爆破方案中的掏槽方式、裝藥結構、炸藥單耗、填塞質量、起爆順序和延期時間等可作為解決爆堆問題的切入點。

減少爆堆拋擲距離和爆破飛石產生的措施有:①降低掏槽孔高度;②增加掏槽孔和全斷面起爆段數,減少同段起爆裝藥量;③提高炮孔的堵塞質量;④隨自由面擴大逐步減少輔助孔的裝藥量;⑤合理增大爆破網路分段延期時間,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設置合理的延期時間,使破碎巖塊相互碰撞;③嚴格控制炮孔間排距,使孔間裂隙充分貫通,減少大塊產生的概率。