中硬岩石巷道聚能管控制爆破与光面爆破的对比试验研究

2012-01-09杨立云李建平陈灿亭

中国矿业 2012年10期

许鹏，杨立云，李建平，陈灿亭

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.郑州华辕煤业有限公司，河南郑州 451100)

在岩巷掘进中，光面爆破技术已经得到了广泛的应用，其通常是采用密打眼、少装药的方法来实现光面效果。一方面，由于实际环境和施工等的影响，无法保证巷道轮廓的完整性，且对围岩有一定损伤，不利于巷道围岩的长期稳定[1]。另一方面，由于周边眼间距较小，打眼数量较多，降低了巷道的掘进速度。而且在实际施工中，往往由于工程地质条件的复杂性，爆破参数设计、炸药使用以及钻眼爆破施工等操作因素的影响，导致周边眼控制效果较差，出现超欠挖过多、半眼痕率较低或是爆破掘进进尺较小等问题。因此，有必要对传统的光面爆破技术进行改进和研究，在保证巷道成型质量的同时，实现高效快速掘进。

长期以来，很多学者已对爆破技术进行了研究。马芹永[2]对爆破参数进行了研究分析，得出了不同围岩条件下炮眼间排距的确定方法。杨仁树[3]利用焦散线方法对定向控制爆破机理进行了分析。但对于在中硬岩石、节理裂隙不发育的岩石中进行爆破，还存在许多不足。本文拟通过理论分析，结合现场试验研究，采用聚能管控制爆破技术，选择合理的爆破参数，实现对巷道轮廓的控制，同时增大巷道的有效进尺，提高巷道掘进效率。

1 爆破原理比较与分析

光面爆破的实质是利用在井巷掘进设计断面的轮廓线上，布置间距小、相互平行的炮眼，并通过控制单孔装药量和炸药选用类型，或采用不耦合装药的方法，并利用多孔同时起爆，使炸药的爆炸作用刚好在炮眼连线上产生贯穿裂缝，最终贯穿形成断面轮廓线将岩石崩落下来[4]。对于其爆破机理方面的研究，目前国内外学者普遍认为：岩石的破碎是炸药瞬时爆炸产生的爆炸应力波和高温高压气体在狭小空间内瞬间释放并共同作用的结果，尤其是采用不耦合装药时，这种作用更为显著[5]。

断裂控制爆破是控制巷道边界的新方法。其与光面爆破的主要差别，在于通过在炮孔中增加带切缝的装置使爆生气体沿切缝方向移动，从而加强爆生气体的扩缝作用，最终获得平滑而稳定的巷道周边轮廓，同时减少对轮廓线附近围岩的损伤破坏。断裂控制爆破中，采用的装药结构图，如图1所示。炸药起爆后，由于聚能管上裂缝的影响，爆生气体将首先沿着裂缝方向扩展，并对该方向的围岩造成破坏，最终在孔壁附近沿着巷道设计轮廓线形成裂缝[6]。

2 聚能管控制爆破的现场试验

2.1 试验巷道概况

李粮店煤矿西二采区轨道运输巷为全岩巷道，巷断面形式为直墙半圆拱形。巷道设计长度为1275m，巷道坡度-3‰。巷道净断面19.4m2。巷道围岩岩性为灰岩，普氏系数f=10～12，岩体硬度较大，且岩体节理裂隙不发育，完整性好，属于中等难爆岩，局部含水，遇裂隙带或构造带有漏水现象。巷道采用钻爆法进行施工，炸药为直径32mm，长220mm，重200g的煤矿二级乳化炸药。雷管为煤矿用间隔25ms雷管，有1、2、3、5段。

2.2 掏槽形式和起爆方式

在岩巷掘进中，炮眼布置方式是爆破的主要工序，其中掏槽方式的选择，更是炮眼布置的关键[7]，是提高井巷掘进速度和爆破效率的主要因素。掏槽效果的好坏，对爆破效果起着关键的作用，好的掏槽形式可以提高破岩效率和循环进尺。因此，选择最优的掏槽方式是爆破成功的关键，必须选择合理的掏槽方式和装药量，使岩石完全破碎并形成理想的槽腔，为进一步爆破提供自由面。根据李粮店矿西二采区轨道运输巷的实际情况，采用二级复合楔形掏槽方式进行掏槽，其中，一级掏槽眼角度为67°，二级掏槽眼角度为74°。各掏槽眼角度，通过控制钎杆尾部距巷道周边的距离来试验掏槽眼角度的控制。同时，为了保证掏槽效果，增加掏槽的有效深度，布置了3个掏槽中心孔，采用底部装药，以增大对岩石的破碎和抛掷作用。为了增大单循环进尺，实现巷道快速掘进，中心孔和掏槽眼垂直深度为2.5m，其它炮孔的垂直深度均为2.3m。

不同的起爆方式和起爆点位置，对爆炸作用有显著的影响[8]。合理的起爆方式，不仅可以弥补装药结构的不足，还可以在保证爆破效果的同时减少装药量，减少对围岩的损伤，提高装药利用率。起爆方式一般有正向起爆和反向起爆两种。与正向起爆相比，反向起爆能使爆轰波自孔底向孔口传播，对改善爆破效果的作用显著[9]，但降低了作用在巷道轮廓线上围岩的爆破能量。考虑现场围岩的实际情况，由于巷道围岩硬度较大，为了保证岩石能够充分破碎，并形成良好的自由面，增加炸药对岩石的抛掷效果，所以掏槽眼采用反向起爆，起爆点在孔底，其他炮孔采用正向起爆。试验时采用全断面一次爆破法进行施工。

2.3 聚能管控制爆破实验描述

为了较好的研究聚能管对爆破效果的影响，试验采用如下方案：巷道左帮拱顶处采用常规光面爆破设计参数施工，右帮拱顶处采用聚能管控制爆破设计参数施工。具体炮眼布置如图2所示。其中，左帮拱顶处54～67号炮孔采用普通光面爆破法，炮眼间距400mm，抵抗线400mm；右帮拱顶处68～76号炮孔采用聚能管控制爆破，炮眼间距600mm，抵抗线400mm。爆破参数见表1。

表1 爆破参数表

聚能管为直径Φ40mm的抗静电阻燃PVC管。为便于聚能管插入炮孔，68～76号炮眼采用Φ46钻头进行打眼作业，其他炮眼仍采用Φ40的钻头施工。由于现场采用的是Φ32/L220-200g的二级乳化炸药和2.3m深的周边炮孔深度，因此设计的聚能管规格为Φ40/L1000，设计切缝宽度4mm。装药时，用炮棍轻缓把聚能管推入炮孔底部，要求聚能管插入炮孔时，其切缝方向必须严格与巷道轮廓线方向一致，且在用炮孔推进过程中，聚能管不能发生旋转。两组试验中，周边眼单孔装药量均不变。

2.4 实验结果及分析

放炮后，爆破循环进尺平均达到2.1m，周边均不存在超欠挖现象。但是，采用聚能管控制爆破技术的右帮拱顶处，形成了完整的6个半眼残痕；而采用普通光面爆破法施工的左帮拱顶处，出现了4条半眼残痕，且该半眼残痕长度较短，不完整。

采用聚能管控制爆破技术后，大部分能量通过切缝作用于岩石上，由于切缝方向与巷道轮廓方向一致，因而能量较多的作用在巷道轮廓方向上的岩石上，而在其它方向的能量则较小。总体上看，采用聚能管控制爆破技术的岩石单耗降低，总装药量减少，炮孔数量减少，有利于快速施工。但是，采用聚能管控制爆破技术，需要采用较大直径规格的钻头，同时需要增加聚能管加工的工序，一定程度上又降低了施工速度。但是总体上来说，采用聚能管控制爆破技术后，巷道成型质量更易保证，减少了后期的巷道施工与维护成本，优于普通光面爆破技术。