首山一礦聚能雙掏槽光面爆破技術應用

冀畔俊, 婁淵沛, 汪賓, 范航， 李宗澤

(1.河南平寶煤業有限公司， 許昌 461714； 2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室， 重慶 400044)

在中國，煤礦巷道的掘進作業中，絕大部分煤巷已經實現了機械化，但對于巖巷掘進來說，受制于地質條件復雜、設備維護費用昂貴等因素，目前仍有約60%的巖石巷道采用爆破工藝掘進[1]。目前，國內最常用到的常規光面爆破工藝存在爆破炮眼過多、爆破效果不好，欠挖、超挖等現象[2]。不僅占用大量作業時間，延長了施工工期，而且還增加了施工成本。尤其是對圍巖適應性不好，在遇見較軟巖層時，成型難以保證，嚴重者甚至會影響圍巖穩定發生冒頂事故[3]。

針對上述問題，聚能水壓光面爆破技術被提了出來，聚能水壓爆破能有效降低隧道爆破時的粉塵量，降低隧道的超欠挖現象，目前聚能水壓光面爆破在理論研究以及現場施工應用取得了巨大的進步。熊成宇等[4]通過現場爆破試驗,從技術成果與經濟效益層面對傳統爆破工藝及聚能水壓爆破技術進行了比較,得到通過聚能水壓光面爆破可以有效降低在隧道開挖過程中產生的超欠挖現象。滿軻等[5]討論了不同的掏槽方式對光面爆破的影響，發現楔形掏槽更有利于巖石的破碎和巖渣外拋，直眼掏槽對硐室成型更有利。馮愛等[6]對聚能光面水壓爆破技術進行了總結概述,成功應用于川藏線拉林鐵路11標高原深埋隧道的施工,通過推廣應用聚能水壓光面爆破新技術,使得施工進度、成本、質量等有大幅度提高。李偉等[7]通過研究對比聚能水壓光面爆破在巖巷掘進中的應用，提出了相比常規光面爆破技術，聚能水壓光面爆破技術在其裝置設備和原理上的優勢。

針對目前平寶公司巷道掘進中存在的問題，為了提高工程質量，降低施工成本，在總結前人的研究的基礎上，提出聚能水壓雙掏槽(以下簡稱“聚能雙掏槽”)光面爆破技術，同時結合首山一礦實際情況對相關爆破參數進行優化，并在己15-17-12120中抽巷進行了現場試驗。

1 工程及常規爆破方式概況

1.1 工程概況

如圖1所示，首山一礦井田位于平頂山礦區李口向斜北翼東端，距平頂山市約25 km，孟(廟)寶(豐)鐵路東西貫穿煤田，井田屬石炭二疊紀煤系。含煤地層為上石炭統太原組，下二疊統山西組及下石盒子組、上二疊統上石盒子組，總厚度795 m。自下而上劃分為八個煤段，含煤53層，常見22層，煤層總厚度22.85 m，含煤系數2.77%。

圖1 首山一礦平面位置圖Fig.1 Location plan of Shoushan No.1 mine

己15-17-12120中抽巷掘進斷面為直墻半圓拱形，高3.5 m，寬4.6 m，面積13.6 m2，布置在灰巖中，巖層厚度為12～17 m，平均厚度16 m，巖石堅固系數f=6～8。圖2為該巷道平面圖。

圖2 己15-17-12120中抽巷平面圖Fig.2 Ji15-17 12110 middle pumping lane plan

1.2 首山一礦常規爆破方式概況

首山一礦傳統的光面爆破方式主要采用YT-28氣腿式風動鑿巖機施工鉆眼，周邊眼間距350 mm，輔助眼與周邊眼間距430 mm，底邊眼間距380 mm。全斷面共布置95個炮孔，具體排布方式如圖3所示，爆破參數如表1所示，指數如表2所示。

表1 常規爆破參數表Table 1 Conventional blasting parameters table

表2 常規爆破指數表Table 2 Conventional blasting index table

圖3 常規爆破炮眼布置Fig.3 Layout of conventional blasting holes

2 常規爆破方式存在的問題及原因分析

2.1 首山一礦巖巷爆破存在的主要問題

(1)常規巖巷光面爆破多遵循“多打眼、少裝藥”的原則，這就造成了每循環炮眼數量太多，打眼時間占據每班2/3時間以上，班組為實現正規循環，勢必會降低炮眼深度，影響了炮進率。

(2)施工遇見較軟巖層時，成型難以保障，使工人掛網難掛，補打錨桿、錨索較多造成不必要支護材料浪費，另外影響巷道安全生產標準化達標。

(3)常常出現超挖，增加出矸量及混凝土噴射量而提高施工成本。

(4)巖巷施工隊伍長期存在嚴重延時的現象，開拓隊平均職工每班延時在2 h左右，職工長期疲勞工作，形成了因出勤率低下而造成班組效率不高的惡性循環。

2.2 常規爆破問題的原因

(1)由于常規爆破炮眼間距為300～400 mm，布眼過密、打眼過多、打眼作業時間占用時間過長，施工人員為趕上進度，降低施工質量，造成爆破效果較差。

(2)施工人員思想穩中求變，沒有去研究或學習新的爆破技術，對新技術存在懷疑態度。

3 聚能雙掏槽光面爆破技術研究與應用

3.1 聚能雙掏槽光面爆破原理

聚能爆破是指在爆破過程中利用聚能管實現對爆破沖擊的可控，實現對開拓掘進面巖石的定向切割。使爆破巖石的破碎面沿預定開挖方向擴展，提高了炮眼利用率和爆破效果，降低了爆破過程中對周邊圍巖的損傷[8-9]。由于采用水沙袋進行封孔，根據非牛頓流體力學材料，遇軟則軟，遇硬則硬的特性，在使用中能夠更好地實現封孔效果，有力地將炸藥爆炸產生的膨脹氣體控制在炮眼中。有利于爆破形成的裂縫繼續擴大[10]。另外采用雙掏槽可以擴大圍巖的臨空面，使工作面形成第二個自由面，提高爆破效果[11]。

3.2 聚能雙掏槽光面爆破施工參數

光面爆破中最為關鍵的地方在于周邊眼參數的確定，在爆破施工中關于周邊眼有幾個較為重要的參數。

(1)周邊眼間距。計算周邊眼間距的經驗公式[12]為

E=(10～18)d

(1)

式(1)中：E為周邊眼間距，mm；d為炮眼直徑，為了使藥卷直徑、聚能管和不同炮孔之間相互配合，周邊眼、輔助眼、掏槽眼全部使用Ф43 mm的“一”字形鉆頭，所以此處取d=43 mm。

經過經驗公式計算周邊眼間距可取在430～774 mm，根據爆破試驗的效果和經驗，將E值取為500 mm較為適宜。

(2)炮眼密集度系數K。指兩炮眼間的距離E與最小抵抗線W的比值。炮眼密集度系數的選取與巖石堅固性系數有關，K<0.8時，會造成巷道超挖，K>1時會造成巷道欠挖，一般K取在0.8～1.0。現場取樣測試得到巖石堅固性系數f=6～8，屬于中硬巖石，所以K值取為0.8～0.9[13]。

(3)最小抵抗線。即最外圈輔助眼與周邊眼的孔距，當周邊眼和炮眼密集度系數確定之后，可將光爆層厚度(即最小抵抗線)確定下來，最小抵抗線的計算公式為

K=E/W

(2)

K取值為0.8～0.9，周邊眼間距為500 mm，依據爆破試驗的效果和經驗，以及現場的爆破施工條件，將最小抵抗線的值取為整數600 mm。

3.3 聚能雙掏槽光面爆破施工工藝

(1)施工工藝流程。打上部眼→倒渣(出渣)→掛幫網打幫錨→打下部眼(組裝聚能管)→吹眼(充水沙袋)→全斷面裝藥→連線→爆破→掛頂網打頂錨桿，具體裝藥結構如圖4所示。

圖4 聚能水壓光面爆破炮眼裝藥結構Fig.4 Contrast chart before and after sandbag filling

(2)裝藥的施工工藝。在裝藥前必須用壓風管吹凈炮眼內的煤、巖和水，以防止煤、巖粉堵塞炮眼。裝藥時要按照爆破說明書中的裝藥量和雷管的起爆順序按段數進行。封孔即將一個事先充飽的長度300 mm的水沙袋[圖5(a)]封口朝眼口送入炮眼內，水沙袋末端距離孔口不小于300 mm即可。

(3)聚能管裝置原理。聚能爆破的主要原理是利用聚能管的聚能作用，在炸藥爆炸瞬間，改變其能量釋放的大小和方向，使爆炸壓力作用在聚能槽/縫處，形成高能流，集中在巷道掘進開挖的輪廓方向上傳導，如圖5(b)所示。具體來說就是在炸藥爆炸后，沖擊波首先作用于聚能管兩端的聚能槽對應的孔壁上，使其產生初始裂縫。隨后，在爆生氣體的作用下，炮孔及孔壁周圍形成靜應力場，使炮孔徑向受壓應力作用。在聚能槽的引導作用下，爆生氣體涌入沖擊波作用產生初始微裂隙，產生氣楔作用，由此在垂直初始裂隙方向產生拉張作用力，并出現應力集中。應力大于巖石的抗拉強度，致使巖石沿預裂隙方向失穩、斷裂，從而促進裂隙的進一步擴展、延伸。達到引導爆破的效果。

圖5 水沙袋實物和聚能管原理圖Fig.5 Contrast chart before and after sandbag filling

3.4 聚能雙掏槽光面爆破施工方案

首山一礦新的爆破方案采用聚能雙掏槽光面爆破，一掏槽眼是1～8號炮孔，左右間距1 800 mm，上下間距500 mm。二掏槽眼是9～16號眼，與一掏槽眼間距400 mm。周邊眼間距500 mm，輔助眼與周邊眼間距600 mm，底邊眼間距650 mm。全斷面共布置62個炮孔，具體排布方式如圖6所示，爆破參數如表3所示，爆破指數如表4所示。

圖6 聚能雙掏槽爆破炮眼布置圖Fig.6 Hole layout of shaped charge double cut blasting

表3 聚能雙掏槽爆破參數表Table 3 Shaped charge double cut blasting parameter table

表4 聚能雙掏槽爆破指數表Table 4 Shaped charge double cut blasting index table

3.5 聚能雙掏槽爆破試驗效果分析

通過對比兩種爆破方式的炮眼布置，可以得到，聚能雙掏槽爆破工藝比常規的爆破工藝所需的炮眼數量要少，能夠節約工人作業時間。對比兩種爆破方式的參數與指數，可以看到，新的爆破工藝在炮眼利用率，工作循環進度，一循環實體巖量等方面全面超過了原有爆破工藝，在每米掘進炮眼長度、炸藥消耗量、雷管消耗量等方面則比原有工藝消耗的要少，具體如下。

(1)每循環炮眼總數節省34.7%，每循環周邊眼節省6個。

(2)每米巷道乳化炸藥節省19.9 kg，雷管40.3發，每千克乳化炸藥按市價21.5元，雷管3.28 元/個，每月按100 m進尺，則節省炸藥費用42 785元，雷管費用13 218元。

(3)打眼少、背炸藥少、不用再捏炮泥、裝藥封孔簡單，每循環少施工23個炮眼，節省1.5～2 h，縮短循環時間、節省人工、提高循環進尺。

(4)由于聚能管的定向切割作用，減小了爆破對巷道圍巖的擾動，巷道穩定性好，減少了巷道超挖出現的概率，便于支護。

(5)聚能光面爆破效果好，眼痕率可以提高到近90%，便于支護，降低不必要的材料浪費。提高安全生產標準化等級。

(6)實現了巖巷炮掘的高效掘進，11月份己15-17-12120中抽巷進尺126 m，比之前月進尺多出近30 m。

使用前、后爆破效果見如圖7所示，可以看到采用聚能雙掏槽光面爆破技術以后，爆破面平整，整體性較好。

圖7 聚能雙掏槽爆破技術使用前、后爆破效果圖Fig.7 Blasting effect map before and after using shaped charge double cut blasting technology

4 討論

現在聚能雙掏槽爆破技術在平寶公司首山一礦開拓掘進面已基本全面推行，但在技術的推進過程中，也受到了極大的阻力，主要是施工人員思想上穩中怕變，對于施工要點掌握不全面。為了應對這一難題，首山一礦專門成立了攻關小組，指導、督促工人采用新工藝、新技術，同時及時收集現場使用過程中發現的問題，再通過不斷的調整、優化，最終達到與現場需求相匹配。具體改進主要有以下兩點。

(1)水沙袋的改進。前期使用的水沙袋塑料材質較硬，使用過程中出現漏水和失效的較多，同時沖水后尺寸大不易裝入炮眼中，后期對水沙袋材料進行改進，新的水沙袋在使用過程中漏水、失效的情況明顯減少。

(2)雙掏槽工藝改進過程。由于新工藝掏槽眼擺開角度較大，開始施工時間較長，故執行起來較困難。針對這個問題，在現場對掏槽眼使用導向棍進行指導打眼，同時施工掏槽眼和輔助眼的人員兩邊錯開施工，相同條件下每個循環少施工23個炮眼，提高了作業效率。通過布置17、18號輔助眼，避免了掏槽眼爆破過程中大塊巖石的產生，每循環進尺比原來多0.4 m左右。

5 結論

通過此工藝的成功實施，使平寶公司首山一礦的巖巷爆破效果得到了明顯的提升，相同條件下的進尺效率明顯得到提高，主要表現在下面幾個方面。

(1)與采用常規光面爆破工藝相比，采用聚能水壓雙掏槽光面爆破工藝可以大幅度降低炮眼掘進量，雷管、炸藥等消耗量，降低爆破材料費，提高掘進效益。并且新工藝能夠縮短循環時間，節省人工，提高循環進尺。

(2)光面爆破效果好，眼痕率可以提高到近90%。同時采用新技術后，由于聚能管的定向切割作用，減小了爆破對巷道圍巖的擾動，巷道穩定性好，便于支護，降低了不必要的材料浪費。提高了礦井安全生產標準化等級。

(3)實現了巖巷炮掘的高效掘進，11月份己15-17-12120中抽巷進尺126 m。