聚能爆破掘进技术在平顶山矿区的应用
2014-10-20张波战标
张波 战标
摘 要：平顶山矿区大部分矿井采深大于800 m，平煤股份四矿岩巷岩石硬、地应力高，在掘进的过程中，存在爆破效率低、进尺低和超欠挖严重的问题。在掘进爆破作业中采用聚能爆破掘进技术，并设计了爆破参数和炮孔布置方案。工程实践表明，该方案单循环进尺提高了15%，巷道围岩超欠挖降低了50%，节约了20%的成本，技术经济效果良好。
关键词：岩巷；爆破；地应力；快速掘进
中图分类号：TD235.4 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）16-0001-02
经过多年的开采，平顶山矿区大部分矿井已经进入了深部开采区，这些矿区普遍面临井深巷远的局面。平煤股份四矿三水平达到1 000 m以上，己三东专回岩巷位于四矿己14煤层顶板以上3 m左右的砂岩中，巷道沿12°上山施工，采用“全锚网+锚索”支护，断面净宽5.0 m，净高3.8 m。巷道原采用钻爆法施工，台阶法分次爆破，耙斗机、矿车装运岩石，绞车提升；单楔掏槽，光面爆破，全断面炮眼86个（深1.5～1.7 m），循环进尺1.3 m，月进尺在55 m左右。
针对四矿岩巷岩石硬、应力高的特点和掘进中爆破效率低、循环进尺低，围岩超欠挖等严重的问题，基于聚能爆破技术原理，决定在掘进爆破作业中采用聚能爆破装置提高炸药和炮眼的利用率，并减小破碎圈的范围，爆破效率、成型质量大幅提高，进而达到提高进尺、实现岩巷快速掘进的目的。
1 掏槽眼多向聚能爆破技术
1.1 多向聚能爆破装置
多向聚能爆破装置，如图1所示，周围有6个内凹“V”型槽的圆柱管，周边均匀分布，每隔60°设置1个，管内径为38 mm，长度为400 mm，“V”型槽的锥角为50°，深度为5 mm。当药卷放入该装置中时，爆炸能量沿“V”型槽方向产生汇聚，形成高速射流。在聚能穴周围孔壁集中受力，如图2所示，最易形成裂纹，然后在爆生气体作用下快速扩展，切割岩石形成碎块。
将多向聚能爆破装置应用于掏槽眼或辅助眼中，可以提高炸药的利用率和掏槽或崩落的效率。
1.2 掏槽参数设计
己三东专回岩巷位于中粒砂岩中，岩石硬度大，受夹制作用强，综合以上因素，确定的掏槽方式为双楔形掏槽。双楔形掏槽可以增大槽腔体积，提高掏槽深度，在抛掷作用下，爆堆集中，利于装岩，而且所需掏槽眼数目较少，单位耗药量小。槽眼的位置和倾角的精确度对掏槽效果影响较小。在起爆的先后顺序上，确定第一阶掏槽眼为一段，第二阶掏槽眼为二段，一阶、二阶掏槽时间间隔25 ms。掏槽参数见表1.
引药位置和传爆方向是影响爆破效果和爆破安全的重要因素。根据四矿岩巷的施工环境和相关规程可知，该试验中所有炮孔沿纵向上均采用连续正向装药结构，每个炮眼只装1个引药，引药置于靠近眼口的装药端，引药和所有药卷的聚能罩都指向眼底，爆炸波向眼底传播，如图3所示。
2 周边眼线性聚能爆破技术
2.1 线性聚能爆破装置
线性聚能爆破装置，如图4所示，周边均布2个内凹“V”型槽，形成1个水平面，参数与多向聚能爆破装置相同。将药卷放入该装置中，控制聚能穴方向。爆炸时，炸药能量沿聚能穴方向产生汇聚，炮孔周围受力情况如图5所示。在聚能穴周围孔壁集中受力，使裂纹沿轮廓线方向扩展，相邻周边眼之间便会沿轮廓方向出现贯穿裂纹，从而形成较为整齐的围岩断面。
将线性聚能爆破装置应用于周边眼中，可以减小围岩超欠挖，提高巷道成型质量。
2.2 周边眼参数设计
2.2.1 炮孔间距α
根据聚能爆破技术岩石裂纹形成机理，周边眼炮眼间距计算公式为：
. （1）
式（1）中：K——爆炸应力波系数，取4.0；
b——切向应力与径向应力比值，取0.25；
p——炮眼壁上的冲击压力，pmax=Sc为单轴抗压强度，实测Sc=80.14～121.7 MPa；
St——单轴抗拉强度，实测St=6.731 MPa；
α——应力波衰减系数，α=2-b=1.75；
db——炮眼直径，46 mm。
代入参数得：α≤632 mm。根据现场情况和工程经验可知，选取周边眼炮孔间距为450 mm。
2.2.2 最小抵抗线w
岩石相对较硬且脆，炮孔间距可适量增大，排距应保持在合适的水平位置，选取最小抵抗线为w=550 mm。
2.2.3 炮孔填塞长度l
炮泥堵塞长度l与最小抵抗线w的关系为：
l=（0.7～1.0）w. （2）
根据实际情况可知，要求堵塞长度不得小于0.5 m。
2.2.4 装药量
通过计算可知，装药量q≤604 g。根据现场情况和经验，将周边眼装药量确定为600 g。
2.3 周边眼线性聚能装置放置
为了更好地控制巷道成型，周边眼应做到“平、直、齐、准”。装药时，应使线性聚能装置的聚能穴与轮廓线方向保持一致，如图6所示。
摘 要：平顶山矿区大部分矿井采深大于800 m，平煤股份四矿岩巷岩石硬、地应力高，在掘进的过程中，存在爆破效率低、进尺低和超欠挖严重的问题。在掘进爆破作业中采用聚能爆破掘进技术，并设计了爆破参数和炮孔布置方案。工程实践表明，该方案单循环进尺提高了15%，巷道围岩超欠挖降低了50%，节约了20%的成本，技术经济效果良好。
关键词：岩巷；爆破；地应力；快速掘进
中图分类号：TD235.4 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）16-0001-02
经过多年的开采，平顶山矿区大部分矿井已经进入了深部开采区，这些矿区普遍面临井深巷远的局面。平煤股份四矿三水平达到1 000 m以上，己三东专回岩巷位于四矿己14煤层顶板以上3 m左右的砂岩中，巷道沿12°上山施工，采用“全锚网+锚索”支护，断面净宽5.0 m，净高3.8 m。巷道原采用钻爆法施工，台阶法分次爆破，耙斗机、矿车装运岩石，绞车提升；单楔掏槽，光面爆破，全断面炮眼86个（深1.5～1.7 m），循环进尺1.3 m，月进尺在55 m左右。
针对四矿岩巷岩石硬、应力高的特点和掘进中爆破效率低、循环进尺低，围岩超欠挖等严重的问题，基于聚能爆破技术原理，决定在掘进爆破作业中采用聚能爆破装置提高炸药和炮眼的利用率，并减小破碎圈的范围，爆破效率、成型质量大幅提高，进而达到提高进尺、实现岩巷快速掘进的目的。
1 掏槽眼多向聚能爆破技术
1.1 多向聚能爆破装置
多向聚能爆破装置，如图1所示，周围有6个内凹“V”型槽的圆柱管，周边均匀分布，每隔60°设置1个，管内径为38 mm，长度为400 mm，“V”型槽的锥角为50°，深度为5 mm。当药卷放入该装置中时，爆炸能量沿“V”型槽方向产生汇聚，形成高速射流。在聚能穴周围孔壁集中受力，如图2所示，最易形成裂纹，然后在爆生气体作用下快速扩展，切割岩石形成碎块。
将多向聚能爆破装置应用于掏槽眼或辅助眼中，可以提高炸药的利用率和掏槽或崩落的效率。
1.2 掏槽参数设计
己三东专回岩巷位于中粒砂岩中，岩石硬度大，受夹制作用强，综合以上因素，确定的掏槽方式为双楔形掏槽。双楔形掏槽可以增大槽腔体积，提高掏槽深度，在抛掷作用下，爆堆集中，利于装岩，而且所需掏槽眼数目较少，单位耗药量小。槽眼的位置和倾角的精确度对掏槽效果影响较小。在起爆的先后顺序上，确定第一阶掏槽眼为一段，第二阶掏槽眼为二段，一阶、二阶掏槽时间间隔25 ms。掏槽参数见表1.
引药位置和传爆方向是影响爆破效果和爆破安全的重要因素。根据四矿岩巷的施工环境和相关规程可知，该试验中所有炮孔沿纵向上均采用连续正向装药结构，每个炮眼只装1个引药，引药置于靠近眼口的装药端，引药和所有药卷的聚能罩都指向眼底，爆炸波向眼底传播，如图3所示。
2 周边眼线性聚能爆破技术
2.1 线性聚能爆破装置
线性聚能爆破装置，如图4所示，周边均布2个内凹“V”型槽，形成1个水平面，参数与多向聚能爆破装置相同。将药卷放入该装置中，控制聚能穴方向。爆炸时，炸药能量沿聚能穴方向产生汇聚，炮孔周围受力情况如图5所示。在聚能穴周围孔壁集中受力，使裂纹沿轮廓线方向扩展，相邻周边眼之间便会沿轮廓方向出现贯穿裂纹，从而形成较为整齐的围岩断面。
将线性聚能爆破装置应用于周边眼中，可以减小围岩超欠挖，提高巷道成型质量。
2.2 周边眼参数设计
2.2.1 炮孔间距α
根据聚能爆破技术岩石裂纹形成机理，周边眼炮眼间距计算公式为：
. （1）
式（1）中：K——爆炸应力波系数，取4.0；
b——切向应力与径向应力比值，取0.25；
p——炮眼壁上的冲击压力，pmax=Sc为单轴抗压强度，实测Sc=80.14～121.7 MPa；
St——单轴抗拉强度，实测St=6.731 MPa；
α——应力波衰减系数，α=2-b=1.75；
db——炮眼直径，46 mm。
代入参数得：α≤632 mm。根据现场情况和工程经验可知，选取周边眼炮孔间距为450 mm。
2.2.2 最小抵抗线w
岩石相对较硬且脆，炮孔间距可适量增大，排距应保持在合适的水平位置，选取最小抵抗线为w=550 mm。
2.2.3 炮孔填塞长度l
炮泥堵塞长度l与最小抵抗线w的关系为：
l=（0.7～1.0）w. （2）
根据实际情况可知，要求堵塞长度不得小于0.5 m。
2.2.4 装药量
通过计算可知，装药量q≤604 g。根据现场情况和经验，将周边眼装药量确定为600 g。
2.3 周边眼线性聚能装置放置
为了更好地控制巷道成型，周边眼应做到“平、直、齐、准”。装药时，应使线性聚能装置的聚能穴与轮廓线方向保持一致，如图6所示。
摘 要：平顶山矿区大部分矿井采深大于800 m，平煤股份四矿岩巷岩石硬、地应力高，在掘进的过程中，存在爆破效率低、进尺低和超欠挖严重的问题。在掘进爆破作业中采用聚能爆破掘进技术，并设计了爆破参数和炮孔布置方案。工程实践表明，该方案单循环进尺提高了15%，巷道围岩超欠挖降低了50%，节约了20%的成本，技术经济效果良好。
关键词：岩巷；爆破；地应力；快速掘进
中图分类号：TD235.4 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）16-0001-02
经过多年的开采，平顶山矿区大部分矿井已经进入了深部开采区，这些矿区普遍面临井深巷远的局面。平煤股份四矿三水平达到1 000 m以上，己三东专回岩巷位于四矿己14煤层顶板以上3 m左右的砂岩中，巷道沿12°上山施工，采用“全锚网+锚索”支护，断面净宽5.0 m，净高3.8 m。巷道原采用钻爆法施工，台阶法分次爆破，耙斗机、矿车装运岩石，绞车提升；单楔掏槽，光面爆破，全断面炮眼86个（深1.5～1.7 m），循环进尺1.3 m，月进尺在55 m左右。
针对四矿岩巷岩石硬、应力高的特点和掘进中爆破效率低、循环进尺低，围岩超欠挖等严重的问题，基于聚能爆破技术原理，决定在掘进爆破作业中采用聚能爆破装置提高炸药和炮眼的利用率，并减小破碎圈的范围，爆破效率、成型质量大幅提高，进而达到提高进尺、实现岩巷快速掘进的目的。
1 掏槽眼多向聚能爆破技术
1.1 多向聚能爆破装置
多向聚能爆破装置，如图1所示，周围有6个内凹“V”型槽的圆柱管，周边均匀分布，每隔60°设置1个，管内径为38 mm，长度为400 mm，“V”型槽的锥角为50°，深度为5 mm。当药卷放入该装置中时，爆炸能量沿“V”型槽方向产生汇聚，形成高速射流。在聚能穴周围孔壁集中受力，如图2所示，最易形成裂纹，然后在爆生气体作用下快速扩展，切割岩石形成碎块。
将多向聚能爆破装置应用于掏槽眼或辅助眼中，可以提高炸药的利用率和掏槽或崩落的效率。
1.2 掏槽参数设计
己三东专回岩巷位于中粒砂岩中，岩石硬度大，受夹制作用强，综合以上因素，确定的掏槽方式为双楔形掏槽。双楔形掏槽可以增大槽腔体积，提高掏槽深度，在抛掷作用下，爆堆集中，利于装岩，而且所需掏槽眼数目较少，单位耗药量小。槽眼的位置和倾角的精确度对掏槽效果影响较小。在起爆的先后顺序上，确定第一阶掏槽眼为一段，第二阶掏槽眼为二段，一阶、二阶掏槽时间间隔25 ms。掏槽参数见表1.
引药位置和传爆方向是影响爆破效果和爆破安全的重要因素。根据四矿岩巷的施工环境和相关规程可知，该试验中所有炮孔沿纵向上均采用连续正向装药结构，每个炮眼只装1个引药，引药置于靠近眼口的装药端，引药和所有药卷的聚能罩都指向眼底，爆炸波向眼底传播，如图3所示。
2 周边眼线性聚能爆破技术
2.1 线性聚能爆破装置
线性聚能爆破装置，如图4所示，周边均布2个内凹“V”型槽，形成1个水平面，参数与多向聚能爆破装置相同。将药卷放入该装置中，控制聚能穴方向。爆炸时，炸药能量沿聚能穴方向产生汇聚，炮孔周围受力情况如图5所示。在聚能穴周围孔壁集中受力，使裂纹沿轮廓线方向扩展，相邻周边眼之间便会沿轮廓方向出现贯穿裂纹，从而形成较为整齐的围岩断面。
将线性聚能爆破装置应用于周边眼中，可以减小围岩超欠挖，提高巷道成型质量。
2.2 周边眼参数设计
2.2.1 炮孔间距α
根据聚能爆破技术岩石裂纹形成机理，周边眼炮眼间距计算公式为：
. （1）
式（1）中：K——爆炸应力波系数，取4.0；
b——切向应力与径向应力比值，取0.25；
p——炮眼壁上的冲击压力，pmax=Sc为单轴抗压强度，实测Sc=80.14～121.7 MPa；
St——单轴抗拉强度，实测St=6.731 MPa；
α——应力波衰减系数，α=2-b=1.75；
db——炮眼直径，46 mm。
代入参数得：α≤632 mm。根据现场情况和工程经验可知，选取周边眼炮孔间距为450 mm。
2.2.2 最小抵抗线w
岩石相对较硬且脆，炮孔间距可适量增大，排距应保持在合适的水平位置，选取最小抵抗线为w=550 mm。
2.2.3 炮孔填塞长度l
炮泥堵塞长度l与最小抵抗线w的关系为：
l=（0.7～1.0）w. （2）
根据实际情况可知，要求堵塞长度不得小于0.5 m。
2.2.4 装药量
通过计算可知，装药量q≤604 g。根据现场情况和经验，将周边眼装药量确定为600 g。
2.3 周边眼线性聚能装置放置
为了更好地控制巷道成型，周边眼应做到“平、直、齐、准”。装药时，应使线性聚能装置的聚能穴与轮廓线方向保持一致，如图6所示。
