下峪口煤礦半煤巖巷道爆破掘進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)研究

康 萌

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

回采巷道是礦井開采的必要通道之一，提高回采巷道掘進(jìn)速度對(duì)采煤工作的正常接續(xù)具有著非常重要的意義。回采巷道在掘進(jìn)過程中會(huì)遇到各種不同的巖性，其中半煤巖巷道掘進(jìn)過程中普遍存在因煤巖性質(zhì)不一導(dǎo)致的爆破效果差，炮眼利用率低，留底現(xiàn)象嚴(yán)重，爆破斷面不規(guī)整等問題，而且半煤巖巷道掘進(jìn)常采用淺眼爆破，嚴(yán)重影響了回采巷道的掘進(jìn)速度。積極改善掏槽爆破形式，合理選擇爆破參數(shù)是提高巷道掘進(jìn)進(jìn)尺，保證巷道成型的有效方式之一[1]。

基于不同的原理，不同的方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1]。錢七虎等[2]以巖石爆破破碎理論為基礎(chǔ)，深入研究了巷道硐室的掏槽爆破理論，其巷道爆破的炮眼布置技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用；梁為民等[3]通過楔形掏槽對(duì)稱性爆破相似模擬試驗(yàn)得出了掏槽眼炮孔角度對(duì)稱布置能夠充分利用炸藥的爆破能，增大爆破槽腔體積，增加槽腔深度的結(jié)果；戴俊等[4]認(rèn)為爆破槽孔的形成主要分為巖石破壞階段和破碎巖石拋出階段；董方庭等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)直眼掏槽和斜眼掏槽的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行了總結(jié)；東兆星等[6]在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了巷道硐室爆破的輔助眼布置計(jì)算方法。掏槽方式、炮眼布置、裝藥結(jié)構(gòu)等一直是提高爆破質(zhì)量的重要措施，基于下峪口煤礦半煤巖巷道的地質(zhì)特征，文中以23210進(jìn)順掘進(jìn)面為背景，采用理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，進(jìn)行半煤巖巷道爆破掘進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)，總結(jié)半煤巖巷道爆破規(guī)律，揭示半煤巖巷道爆破機(jī)理，并針對(duì)不同情況提出針對(duì)性爆破措施。

1 工程概況

23210進(jìn)順掘進(jìn)巷道位于礦井二三采區(qū)北翼，其北部與2-2采區(qū)回風(fēng)下山相鄰，淺部為北翼2號(hào)回風(fēng)大巷。巷道開口位置位于2-3采區(qū)輸送機(jī)大巷S13點(diǎn)后64.76 m處，該巷道以295°方位向前施工30.334 m與2-3采區(qū)回風(fēng)大巷貫通；采用錨網(wǎng)索梁進(jìn)行支護(hù)，巷道凈寬4 600 mm，凈高3 000 mm，掘進(jìn)斷面面積13.8 m2。

2號(hào)煤厚一般為0.8～1.0 m，該區(qū)域煤層傾角為-2°～4°，距上覆2號(hào)上煤間距3.5～6.0 m，距下覆3號(hào)煤21～25 m。偽頂為泥巖，黑色，薄層狀，厚0～0.5 m；直接頂為粉砂巖，黑色，結(jié)構(gòu)致密，塊狀，有少量的植物化石碎片，厚1.2～2.0 m；老頂為細(xì)砂巖，灰白色，結(jié)構(gòu)致密，堅(jiān)硬，中夾有煤線及炭質(zhì)泥巖條帶(2號(hào)上煤厚0.1～0.4 m，沉積不穩(wěn)定)有云母星點(diǎn)，厚約4.0～6.0 m。底板為砂質(zhì)泥巖，黑色，易風(fēng)化，中夾薄層細(xì)砂巖條帶，有少量的植物化石碎片，局部有一層厚0～0.2 m煤線，距2號(hào)煤底板0.8～1.5 m，層厚4.5～5.5 m。在施工范圍內(nèi)煤層主要受煤層頂板層滑或擠壓構(gòu)造影響，導(dǎo)致煤層頂、底板有一定的起伏變化，工作面地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單。

2 半煤巖巷道掘進(jìn)爆破技術(shù)研究

根據(jù)下峪口煤礦的現(xiàn)場(chǎng)施工情況來看，巷道掘進(jìn)采用的炮眼和藥卷直徑普遍較小，且由于廠家在考慮安全性能的基礎(chǔ)上降低了炸藥性能，導(dǎo)致煤礦巷道掘進(jìn)難以取得較大進(jìn)尺，尤其是半煤巖巷道，難度更大。半煤巖巷道由于巖層和煤層厚度一直處于動(dòng)態(tài)變化范圍內(nèi)，工人很難根據(jù)爆破設(shè)計(jì)情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行方案調(diào)整，因此經(jīng)常出現(xiàn)欠挖、超挖、留底、補(bǔ)炮等情況。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤層厚度在1 m左右，巖石較軟時(shí)，巷道進(jìn)尺可以達(dá)到1.6 m左右；當(dāng)煤層厚度小于0.7 m，巖石較硬時(shí)，巷道進(jìn)尺下降到1.3 m左右，且常會(huì)出現(xiàn)掏槽效果差、留底等問題，嚴(yán)重影響了煤礦生產(chǎn)的接續(xù)性。造成上述現(xiàn)象深層次的原因主要有以下幾個(gè)方面：掏槽方法的選擇；炮眼布置形式；打孔方式和炮眼深度；裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方法；炮眼內(nèi)封泥質(zhì)量。

2.1 掏槽方法的選擇

在巷道掘進(jìn)過程中，掏槽眼主要發(fā)揮破碎部分巖石形成第2個(gè)自由面的作用。掏槽眼一般布置在巷道斷面中央靠近底板處，這樣既方便工人打眼施工又能加快巖石自重崩落。根據(jù)下峪口煤礦試驗(yàn)巷道的地質(zhì)條件，本研究采用“抓兩頭、帶中間”的原則進(jìn)行掏槽方式的選擇。即首先選擇掏槽方式和掏槽眼位置，其次是布置好周邊眼，最后根據(jù)斷面大小布置崩落眼。

2.2 炮眼布置優(yōu)化

炮眼布置方式優(yōu)化：炮眼布置方式主要根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巷道斷面形狀和炸藥的種類來進(jìn)行選擇，合理的炮眼布置方式能大大提高巷道爆破效果。

輔助眼：輔助眼又稱崩落眼，主要發(fā)揮崩落大部分巖石和擴(kuò)大掏槽的作用。輔助眼要均勻布置在掏槽眼與周邊眼之間，其間距一般500～700 mm，炮眼方向一般垂直于工作面，裝藥系數(shù)一般為0.45～0.60。

周邊眼：在進(jìn)行光面爆破試驗(yàn)時(shí)，周邊眼一般布置在巷道設(shè)計(jì)斷面輪廓上，眼底略向輪廓線外偏斜，一般不超過100～150 mm，這樣既可以保證下循環(huán)打眼工作空間又可以較少超挖量。

底眼：底眼主要發(fā)揮控制巷道底板標(biāo)高的作用，當(dāng)?shù)籽垩劭诒认锏赖装甯叱?50～200 mm時(shí)，有利于鉆眼和防止灌水。底眼間距一般為500～700 mm，裝藥系數(shù)一般為0.5～0.7。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，巷道掘進(jìn)采用光面爆破時(shí)，掏槽眼、崩落眼、控制光爆層的崩落眼和周邊眼(頂、幫)的每眼裝藥數(shù)量的比例大致為4∶3∶2∶1。

炮眼布置規(guī)則：除合理地選擇掏槽方式和爆破參數(shù)外，還需合理布置炮眼，取得理想爆破效果。炮眼布置方法和原則有以下幾點(diǎn)。①工作面上各類炮眼布置是“抓兩頭、帶中間”。即首先選擇掏槽方式和掏槽眼位置，其次是布置好周邊眼，最后根據(jù)斷面大小布置崩落眼；②掏槽眼布置在斷面的中央偏下，并考慮輔助眼的布置較為均勻和減少崩壞支護(hù)及其他設(shè)施的可能；③周邊眼一般布置在巷道斷面輪廓線上，頂眼和幫眼按光面爆破要求，各炮眼相互平行，眼底落在在同一平面上；④輔助眼均勻地布置在掏槽眼和周邊眼之間，以掏槽眼形成的槽腔為自由面層層布置。

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式優(yōu)化

在爆破過程中，裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方法對(duì)爆破效果有著非常重要的影響。因此，合理選擇裝藥方式和起爆方法是提高爆破效果的重要途徑。

下峪口煤礦為煤與瓦斯突出礦井，為避免瓦斯煤塵爆炸及誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)，全部炮眼統(tǒng)一采用正向連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，串聯(lián)連線全斷面一次起爆。研究表明，空氣柱間隔裝藥爆破可以降低作用在炮孔孔壁上的峰值壓力，減少炮震裂隙[7]，因此掏槽眼和輔助眼采用連續(xù)正向裝藥，周邊眼采用單段空氣柱式裝藥結(jié)構(gòu)。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

3 半煤巖巷道爆破掘進(jìn)試驗(yàn)

3.1 爆破參數(shù)計(jì)算

炮眼直徑：目前，國(guó)內(nèi)巖巷掘進(jìn)均采用32 mm、35 mm這2種藥卷，因炮眼直徑比藥卷直徑大10 mm左右，下峪口試驗(yàn)巷道采用的炮眼直徑為42～45 mm。

炮眼深度：合理的炮眼深度應(yīng)使得炮眼利用率達(dá)到85%～90%，同時(shí)保證鉆眼和掘進(jìn)速度快，掘進(jìn)成本低。下峪口煤礦使用的掘進(jìn)設(shè)備為氣腿式鑿巖機(jī)，此設(shè)備較適宜的鉆眼深度為2.2～3.0 m。

炮眼數(shù)目：炮眼數(shù)目的多少直接影響鉆眼工作量、爆破巖石的塊度、巷道的形狀等。炮眼數(shù)目取決于巖石性質(zhì)，巷道斷面形狀和尺寸、炮眼直徑和炸藥性能等因素。合理的炮眼數(shù)目應(yīng)以保證爆破效果為原則，一般是先以巖層性質(zhì)和斷面大小進(jìn)行初步估算，然后在設(shè)計(jì)斷面圖上做炮眼布置圖，得出炮眼總數(shù)，并通過實(shí)踐調(diào)整修正。

炸藥消耗量：按照光面爆破技術(shù)，依據(jù)典型實(shí)例，見表2。該表均采用2號(hào)巖石硝銨炸藥，其炸藥消耗量一般略低于國(guó)家定額。表中所列定額是按2號(hào)巖石硝銨炸藥、延期電雷管制定的，若采用其他炸藥時(shí)，則需根據(jù)爆力大小加以適當(dāng)修正。

表2 光面爆破掘進(jìn)巖巷炸藥消耗量

(1)

式中，q—炸藥消耗量，kg·m-3；P—巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

3.2 爆破施工控制

打眼要求：平、直、準(zhǔn)、齊，并根據(jù)煤層的變化情況進(jìn)行合理的調(diào)整。工作面炮眼布置情況，如圖2所示。

圖2 工作面炮眼布置

裝藥要求：周邊眼采用單段空氣柱間隔正向裝藥結(jié)構(gòu)，必須保證有足夠的空氣柱及封泥長(zhǎng)度，其他眼采用連續(xù)正向裝藥結(jié)構(gòu)，必須保證藥卷之間的良好接觸和封孔質(zhì)量。

裝藥量要求：嚴(yán)格按爆破圖表作業(yè)，不得隨意更改炸藥用量，見表3。

表3 裝藥量及起爆順序

4 試驗(yàn)效果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，爆破參數(shù)優(yōu)化后的巷道成形良好，煤巖壁基本平直，解決了原來部分巷道爆破欠挖、超挖問題，且巷道維護(hù)量和炸藥消耗量相對(duì)于試驗(yàn)前都有所降低，巷道圍巖穩(wěn)定性有了較大提升，巷道掘進(jìn)單進(jìn)平均提高40 m/月，相對(duì)于試驗(yàn)前月進(jìn)尺提高了50%。爆破參數(shù)優(yōu)化前后部分技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。

表4 爆破參數(shù)優(yōu)化前后部分技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5 結(jié)論

(1)周邊眼采用單段空氣柱間隔正向裝藥結(jié)構(gòu)，減小了爆破震動(dòng)對(duì)巷道圍巖的影響，提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。

(2)控制掏槽眼深度和裝藥量保證巷道進(jìn)尺，控制周邊眼間距和藥量確保巷道成形平直。

(3)半煤巖巷道煤層厚度處于動(dòng)態(tài)變化之中，因此爆破參數(shù)也需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

(4)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量與爆破效果息息相關(guān)，工程技術(shù)人員要確保每個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。