硬巖巷道安全高效掘進爆破技術研究

楊福禹 張振揚 翟 強

（兗礦集團濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272000）

巖石巷道掘進中一般把普氏系數f＞8的石灰巖、中砂巖、粗砂巖等稱為堅硬巖石。由于堅硬巖石具有較高的強度、彈性模量及泊松比，造成硬巖巷炮眼施工速度慢、爆破效果差、循環進尺低、炮眼利用率低等問題[1-2]。本文在已有的硬巖巷道掘進理論基礎上，建立了楔形掏槽力學模型，推導掏槽眼內圍巖的極限平衡狀態力學公式，并對硬巖巷道炮眼深度、掏槽眼布置及掏槽眼角度等爆破參數設計進行優化，從而提高了硬巖巷道炮眼利用率及循環進尺，對硬巖爆破研究具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

濟寧三號煤礦七采區3下輔運巷掘進迎頭位于七采區中部，該巷道用于七采區運輸、通風、行人、管線敷設。工作面埋深771.7～813.4m。巷道掘進層位主要為3下煤頂板中砂巖，灰白色，成分以石英、長石為主，泥質膠結，厚層狀，含大量的碳質條帶，f=8～10。掘進范圍內煤巖層總體趨勢為東南高、西北低的單斜構造，局部發育次級寬緩的向背斜。七采區3下輔運巷掘進巷道斷面為直墻三拱形，設計巷寬×巷高=5.2m×4.0m，頂幫均使用Φ20×2200mm左旋等強全螺紋錨桿，間排距均為900×900mm，施工三列Φ22×6000mm錨索，間排距1500×2700mm。施工方法采用CMJ2-27型液壓鉆車，光面爆破施工，ZCY120R側卸式裝巖機配合膠帶機出矸，錨網（索）支護。

2 硬巖巷道爆破參數設計優化

2.1 炮孔深度設計

炮眼深度受到掘進巷道巖石性質、巷道斷面尺寸、掘進設備類型及炸藥性質等因素影響[3-5]。為滿足硬巖巷道高效掘進要求，炮孔深度設計必須與掘進機設備鉆孔速度相適應。以七采區3下輔運巷掘進迎頭為例，現場使用CMJ2-27型液壓鉆車施工鉆孔，對施工不同孔深鉆孔時間、鉆速進行統計，如表1所示。

由表可見，隨著孔深增加，鉆孔速度逐漸降低，孔深增加至2.5m時，鉆孔轉速衰減率為67%，鉆眼速度明顯降低。為滿足硬巖爆破炮眼施工深度要求，又能確保炮眼施工速率，將炮眼深度控制在2.0～2.5m區間最佳。

2.2 掏槽形式

2.2.1 楔形掏槽眼力學分析

根據楔形掏槽眼布置方式及圍巖應力狀態，建立楔形掏槽力學模型，并對掏槽眼爆破作用產生的靜壓力、圍巖剪切應力及拉應力等力學關系進行分析，如圖1所示。

圖1 楔形掏槽力學模型

圖中，面 ACFE 表示迎頭斷面，炮孔長度為L，掏槽孔間距為a，掏槽外間距為b，內間距為B，掏槽眼夾角為φ。

由圖可知，掏槽眼爆破作業主要受到面AIME、面CJNF、面AIJC 和面EMNF 剪切應力及面IJNM拉應力的影響。

剪切應力Q為：

拉應力T為：

式中：

δt-巖體的單軸極限抗拉強度；

N-掏槽眼個數。

N個傾斜掏槽孔爆破產生的靜壓力：

式中：

P-單個炮孔作用在孔壁上的靜壓力。

掏槽眼內圍巖達到極限平衡狀態，則需滿足：

2.2.2 楔形掏槽眼布置優化

由于巷道圍巖相對穩定，在迎頭斷面未出現較大構造時，公式（4）所述的極限平衡狀態符合圍巖受力狀態。堅硬巖石圍巖的剪切應力Q和拉應力T較大，硬巖爆破必須提高爆破產生的靜壓力F的數值，以實現掏槽眼應力平衡。

爆破產生的靜壓力F主要受到掏槽眼數量N、角度φ及單炮孔的靜壓力P等因素的影響。在掏槽眼角度及裝藥量不變的情況下，采用雙排掏槽布置是增加硬巖爆破效果的主要方式。如圖2所示。

圖2 雙排楔形掏槽眼布置圖

2.2.3 楔形掏槽眼角度優化

由公式（3）可知，爆破產生的靜壓力F受掏槽眼角度φ影響較大，當掏槽眼角度較小時，爆破產生的靜壓力太大，容易造成巖石拋擲距離過遠，易砸壞機電設備，損壞錨網支護。同時，掏槽眼施工角度受液壓鉆車鉆臂限制，掏槽眼角度不易過小。根據三角函數規律，當掏槽眼角度大于70°時，靜壓力F增加基本趨于穩定，鉆車較易施工。

由公式（1）可知，當掏槽眼角度大于85°時，巖石的剪切應力較大，爆破產生的靜壓力偏小，不容易滿足F≥Q+T的條件，掏槽不易成功。

綜上所述，硬巖爆破掏槽眼最優角度在70° ～85°之間。

3 現場試驗

（1）炮眼布置方式。施工雙排掏槽眼，每列4個，共計16個，控制炮眼角度分別為77°、82°。如圖3、表2所示。

（2）炮眼深度。掏槽眼深度為2.2m，輔助眼深度為2.0m.

（3）裝藥結構。巷道正常掘進采用連續集中反向裝藥結構。

（4）爆破物品。使用Ф27mm×300g二級煤礦許用水膠炸藥，藥卷長度400mm。

（5）起爆方式。起爆使用FD200XS-B型煤礦用連鎖數顯遙控發爆器，采用分次裝藥、起爆方式。每個炮眼內使用不少于1卷水炮泥，外用粘土炮泥封孔。周邊眼使用粘土炮泥封實，封泥長度不小于300mm，其他炮眼封泥長度不小于500mm。

（6）聯線方式。采用（近似）兩等分組串并聯連線方式。

根據現場試驗數據統計可知，七采區3下輔運巷炮眼利用率達到90% 以上，巷道循環進尺1.9～2.1m，巷道成型較好。本文對硬巖巷道爆破參數設計優化達到預期爆破效果。

濟寧三號煤礦七采區3下輔運當月進尺90.9m，較上月進尺提高了25% ，基本實現硬巖巷道安全高效掘進，有效地緩解了采掘接替緊張狀況，取得了顯著的經濟效益。

表2 炮眼參數說明表

4 結論

（1）研究了硬巖巷道孔深與鉆孔速度之間的規律，結合現場掘進機設備參數，確定硬巖巷道炮眼深度最佳區間。

（2）建立楔形掏槽眼力學模型，推導了掏槽眼內圍巖的極限平衡狀態力學公式，并對硬巖巷道爆破參數設計進行了優化。

（3）以濟寧三號煤礦七采區3下輔運巷為工程背景，設計炮眼布置圖及炮眼參數說明表，現場炮眼利用率達 90% 以上，實現硬巖巷道安全高效掘進。