关于煤矿下山巷道掘进全断面一次爆破若干技术问题研究

马宏伟，王梦想，宗 琦，汪海波

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)



关于煤矿下山巷道掘进全断面一次爆破若干技术问题研究

马宏伟，王梦想，宗 琦，汪海波

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

为解决煤矿下山巷道掘进全断面爆破中普遍存在的炮眼利用率低、巷道成型差、拖底现象严重等问题。在分析其形成原因的基础上，提出宜采用的技术措施，包括优选楔形掏槽方式，增加中心抛渣直眼，优化爆破参数，有选择的采用较大直径的炮眼和药卷，周边眼采用水垫层不耦合装药结构，设置两排底眼，即增加一排用于抛掷岩石的抛渣眼，以及合理安排起爆顺序，采用反向起爆技术，加强炮孔堵塞，使用铁套管防淤等。现场应用情况证明了所研究提出的施工技术和工艺的合理性和实用性。

煤矿下山巷道；全断面一次爆破；楔形抛渣掏槽技术；水垫层装药；抛渣眼

下山是在煤矿岩石巷道中仅次于平巷的一大类巷道群体，且多聚集在采区，是采煤的必要通道，因此，提高下山巷道掘进速度对保证采区的正常接续具有非常重要的意义。然而，目前我国煤矿岩石下山巷道掘进速度和质量还不尽人意，本文试图就煤矿下山巷道掘进全断面一次爆破施工中存在的若干技术问题进行分析研究，以求提出适宜的改进措施。

1 存在的问题及分析

1.1 存在的问题

1) 掘进循环进尺低，炮眼利用率低。目前国内煤矿岩石下山巷道施工仍较多采用浅眼爆破作业方式，眼深1.6～1.8 m，平均炮眼利用率60%～80%，平均循环进尺1.2～1.4 m，月进尺平均只有60 m左右。即使是采用2.0～2.2 m的中深孔爆破，效果也普遍较差。岩石较软时，进尺能达到1.5 m左右，岩石硬度达到f=8以上时，单炮进尺减少到1.2m左右，甚至更低[1-5]。

2) 拖底现象严重。拖底是下山掘进普遍存在的现象，拖底造成巷道底板高度不够，巷道断面越来越小，且底眼抵抗线变大，容易出现拒爆和落炮事故。拖底高度少的0.5～0.8 m，多的可达1.0 m以上，需要二次爆破起底[4-8]。

3) 巷道周边成型质量不高。除拖底外，巷道拱部超挖现象频现，甚至巷道上漂，严重影响了巷道成型质量和施工安全。

1.2 原因分析

造成以上问题的原因是多方面的，有技术方面的，也有施工方面的，现分析如下：

1) 掏槽爆破效果差。掏槽方式和掏槽眼的布置位置不合理是掏槽效率低的主要原因，如平巷施工一样，现场也较多采用普通楔形掏槽，掏槽眼的位置一般布置在巷道的中下部，且掏槽眼(尤其是下面一对槽眼)和崩落眼一样顺巷道下扎，改变了楔形掏槽的爆破破岩作用，降低了掏槽效率，且不利于抛渣。

2) 爆破材料使用受限，煤矿井下只能采用与煤矿瓦斯等级相对应的煤矿许用炸药和1～5段毫秒延期电雷管。目前，主要是三级煤矿许用炸药(三级煤矿水胶或三级煤矿乳化炸药)，炸药爆破威力低，破岩能力弱，对于较为坚硬的岩石更为明显；雷管段别不够，在中小掘进断面尚能实现全断面一次爆破，而对于较大的掘进断面时，就影响了爆破效果，特别是段数少，起爆顺序不合理，影响底眼抛渣；再者25 ms的延迟时间明显不合理，特别是掏槽眼与紧随掏槽眼起爆的辅助眼间的延迟时间应适当延长，以便能充分利用掏槽爆破产生的新自由面。即辅助眼或第一排崩落眼应在槽腔内岩石充分破碎并抛出、形成槽洞后再起爆[9]。

3) 周边光面爆破技术应用不好。一是周边眼打眼不规范，质量不高，眼底多超过巷道轮廓线，外扎现象严重，且外扎角度不一，眼底不在同一水平面，光爆层厚度(即周边眼最小抵抗线)前后不同，还有周边眼间距控制不严等；二是装药参数和装药结构不合理，通常，因惧怕欠挖，周边眼都是过量装药，且集中在炮眼底部，不采用轴向不耦合装药结构等。

4) 拖底的主要原因：① 底眼设计不合理。多数情况仅设一排底眼，且钻凿底眼时，下扎角度过大，导致底眼与相邻炮眼的抵抗线过大，底眼炸药的爆破作用难以克服岩石的抗爆阻力，留有残根，即拖底；② 如若采用与崩落眼同样的钎杆，由于下扎角度大，实际钻眼深度浅，通常2.0 m左右的炮眼， 要小约200 mm， 因此破岩深度不够而拖底； ③ 起爆顺序不合理。一般的起爆顺序都是掏槽眼、辅助眼、周边眼，底眼为最下方一排炮眼，多为最后起爆的炮眼，这样就减少了底眼的爆破自由面，容易造成底眼爆破负担大，产生拖底现象。

5) 下山巷道工作面易积水，加剧了掘进工作面环境恶劣程度。在松散膨胀岩层中，工作面将形成水泥浆，难以抽排彻底。同时，爆破后的矸石也堆在工作面，造成出渣困难、清理不干净，清底时间长，使得下茬炮底眼钻孔很难到位；爆破后底板岩石破碎、易夹钎杆，或钻出的炮眼易堵塞、难以彻底清孔，炸药装不进等，造成爆破效果差，炮眼利用率低。底眼有积水时，装药时雷管脚线和炮泥在水中浸泡时间过长，脚线易受潮漏电、出现拒爆，炮泥也会变软、失去了封口泥的作用，容易冲炮等，造成落底现象。

2 宜采用的技术措施

2.1 优选掏槽方式

常用的掏槽形式有直眼掏槽和楔形掏槽，对于较大的断面，楔形掏槽可以获得较大的掏槽体积，应优先采用。根据巷道高度， 布置3～4对楔形倾斜槽眼， 为提高槽腔中岩石的爆破作用和破碎效果、加强抛掷作用， 可在楔形掏槽中间位置布置2～3个直眼，超深200 mm(即比掏槽眼深200 mm)，形成楔形斜眼和中心直眼复合的混合掏槽方式。为提高掏槽效果，中心直眼可采用分层装药结构、两段雷管起爆，即外层装药和楔形斜眼装药1段雷管起爆，内层装药(每眼一卷)用2段雷管起爆，实现掏槽破碎岩石的抛掷，即抛渣。加深槽腔，为辅助眼、崩落眼爆破提供较好的自由面。经过大量试验研究后提出的底部集能装药掏槽爆破技术就十分有效[9-11]。

另外，在水平巷道掘进时，为了防止矸石抛掷太远及钻眼方便，一般将掏槽眼布置在巷道的中下部。而下山掘进时，掏槽眼的位置可以适当提高，可布置在巷道的中部或中上部，既钻眼，也有利于抛渣。

2.2 优化爆破参数

1) 炮眼深度。一是炮眼深度要与钻眼机械相适应，即合理的炮眼深度要保证钻眼时有较高的钻眼速度。普通气腿式凿岩机(如YT-27或YT-28)，炮眼深度一般不超过2.5 m(掏槽眼、底眼可2.6～2.8 m)。若采用大型凿岩设备时(凿岩台车配重型凿岩机，下山倾角较小时可用)或高效液压凿岩机时，眼深可达2.5～3.0 m。二是炮眼深度应与所采用的循环作业方式相适应，即合理的炮眼深度要保证当班完成整循环，实现正规循环作业。此种情况下，各小班任务明确，有利现场组织和管理；同时与锚喷作业相配合，实现合理炮孔深度内最高掘进效率。

2) 炮眼直径和药卷直径。较大的炮眼直径，可采用较大直径的药卷，有利于炸药爆轰时达到较高的爆速和稳定性，爆炸能量相对集中，利于岩石的爆破破碎；特别对于坚硬岩石，较大的装药直径能增强岩石的爆破破碎和抛掷作用，提高爆破效率。但是，较大的炮眼直径增加了钻孔的难度、延长了钻孔时间，干扰循环作业时间。因此，可根据下山巷道实际情况选用炮眼直径和装药直径。一种较合理的方案为：掏槽眼采用较大直径的炮眼和药卷(如Φ40 mm钎头配Φ35 mm药卷)，增强掏槽眼爆破破岩能力、加大槽腔内岩石的破碎和抛掷；底眼也可采用较大直径炮眼和药卷，以增强底眼爆破时的抛渣作用，减少拖底。其它炮孔采用较小的炮孔和药卷(如Φ32 mm钎头配Φ27～29 mm药卷)，既提高掏槽效率，也不会过多地增加钻孔时间，保证正常的循环作业。

3) 周边眼、崩落眼爆破参数。周边眼应采用光面爆破技术，孔底可落在轮廓线外50～100 mm，且各炮眼需相互平行、深度一致。其中，顶眼间距可设计在350～400 mm，帮眼眼距400～450 mm。 周边眼应严格控制装药量(特别是顶眼)， 应采用水垫层装药结构， 即药卷装填至眼底， 接着装若干个水炮泥， 然后用炮泥封实， 封堵长度不小于300 mm。该装药结构既可减缓爆炸冲击压力对孔壁周边围岩的破坏，又能实现炮孔全长均匀爆破作用，避免眼底超挖和眼口欠挖，有利于提高光面爆破效果和巷道成型质量。

崩落眼间距和排距宜控制在500～600 mm，并均匀布置，炮眼密集系数控制在0.8～1.2，最小抵抗线应相同或相近。

4) 底眼设置。针对下山巷道底板(落底)现象，可在掏槽眼下设置两排底眼：① 上排眼主要起到抛渣作用(可称为抛渣眼)，爆破后将其上部破碎的岩石尽可能地抛出工作面，以减轻下排眼爆破的负担，提高底眼的爆破效率，避免留底现象发生。② 下排底眼为正常设计的巷道底部炮眼。

钻眼时，上排底眼稍向下偏斜，下排底眼可以合理的倾角倾斜下扎，眼底可落在巷道底板下150～200 mm左右，两排底眼眼口间距200 mm。下一排底眼应比崩落眼深200 mm，两排底眼都应有较大的装药量，以加强底部破岩作用和抛渣效果，减少拖底。

2.3 合理安排起爆顺序

坚持充分利用自由面的原则：起爆时自巷道中心的掏槽眼开始，依次层层向外起爆。同时起爆的辅助眼宜有相同或相接近的最小抵抗线；上排底眼(抛渣眼)一定要在下排底眼起爆前起爆，从而起到抛渣作用；周边眼可以单独起爆或与底眼同时起爆。具体起爆顺序可设计为：掏槽眼→掏槽眼周围的辅助眼→崩落眼→抛渣眼→周边眼→底眼。

2.4 其他还需要注意的事项

1) 加强组织管理，严格控制打眼质量。周边眼要做到“平、齐、准”，即炮眼平行、眼底位置一致、钻眼位置和方向准确；底眼开眼尽量靠近底板、下扎角度不要过大。

2) 掏槽眼和抛渣眼宜采用连续装药反向起爆。为避免由于拒爆处理困难而带来安全隐患，底眼应采用连续装药，正向起爆；辅助眼可正向也可反向起爆，周边眼宜采用水垫层轴向不耦合装药结构。

3) 加大炮泥封堵长度，提高炮泥的封堵质量。

4) 及时排除工作面积水。打眼前，迎头清渣到底，松散破碎的岩块应清理干净，避免打眼成孔及装药困难。为防止岩渣淤堵炮眼，可用铁皮加工成套管，钻眼完成后即插入，装药后再提出。

5) 发现有拖底应及时处理。

3 工程实例

3.1 基本情况

某煤矿一回风下山巷道倾角16°，直墙半圆拱形，掘进宽度4.1 m，掘进高度3.55 m，掘进断面积12.75 m2。巷道穿过的岩石主要为砂质泥岩，节理发育，中部有少量砂岩，坚固性系数f=6～8。

3.2 爆破参数

采用YT-28型气腿式凿岩机钻眼，三级煤矿许用水胶炸药，1～5段毫秒电雷管。根据实际施工条件和岩石情况，设计采用楔形掏槽，中心加抛渣直眼，同时采用较大直径的炮眼和药卷；周边光面爆破，水垫层装药；两排底眼，即专门设计一排抛渣眼；串并联全断面一次起爆。各类炮眼的爆破参数如表1所示。

注：① 掏槽眼直径40mm，药卷Φ35mm×300mm×330g，其他炮眼直径32mm，药卷Φ27mm×430mm×310g。 ② 中心眼分层装药，400mm长炮泥间隔，外部装药2卷，1段起爆；内部装药1卷，2段起爆。

3.3 爆破效果

统计了30个掘进循环，总进尺53.8m，单循环进尺基本上在1.8 m左右，平均循环进尺1.79 m，循平均炮眼利用率为89.7%，在如此大角度下山施工中，炮眼利用率是相当高的。拖底现象基本消除，巷道成型质量好，岩石破碎均匀。另为防止底眼易淤，采用了铁套管，起到了很好的作用。

[1] 李廷春， 刘洪强. 煤矿下山巷道爆破掘进技术试验研究[J]. 岩土力学，2012，33(1)：35-40.

[2] 黄健利，郝生雷. 长距离大下山巷道掘进中机械化普掘设备设施改良研究[J]. 煤炭工程，2012，1(10)：38-39.

[3] 李云志，王敏. 大断面岩巷下山快速掘进技术研究与应用[J]. 山东煤炭科技，2009，(4)：101-102.

[4] 姚绍强，朱昌存，裴守辉，等. 岩巷下山施工技术探讨[J]. 河北能源职业技术学院学报，2003，9(4)：66-68.

[5] 葛沐曦. 高瓦斯矿井深部下山全断面爆破技术试验研究[J]. 煤矿开采，2008，13(5)：45-47.

[6] 王兴泉，郭传清. 西翼轨道下山软岩段光面爆破施工技术研究[J]. 煤矿现代化，2008，86(5)：15-16.

[7] 黄小红. 合理确定凿岩爆破参数提高斜井掘进效率的实践[J]. 采矿技术，2005，5(4)：52-53.

[8] 吴春汶，刘善勇. 协庄煤矿4-3轨道下山中深孔爆破技术[J]. 山东煤炭科技，2008，(6)：104-106.

[9] 宗琦，郝飞. 提高岩巷掘进爆破速度和质量的若干技术问题[J]. 中国煤炭，2004，34(10)：40-44.

[10] 宗琦，刘菁华. 煤矿岩石巷道中深孔爆破掏槽技术应用研究[J]. 爆破，2010，27(4)：35-39.

[11] 宗琦，任庆峰. 煤矿硬岩下山巷道掘进中深孔爆破技术试验研究[J]. 爆破，2011，28(2)：49-52.

(责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒)

Research on Several Technical Problems of Whole Section Primary Blasting in Diphead Roadway of Coalmine

MA Hong-wei, WANG Meng-xiang, ZONG Qi, WANG Hai-bo

(School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

In order to overcome the defects of whole section primary blasting in coal mine diphead roadway, such as low utilization rate of blast-hole, roadway poor shape, bottom serious drag and so on， based on the analysis for the reason of its fromation , appropriate technical measures were put forward including: the wedge cut style, adding direct holes in center for dirt throw out, optimizing the blasting parameters, selective use of larger diameter blast-hole and explosive, water cushion uncoupling charging structure for the surrounding holes; the setting of two rows of bottom holes, namely adding a row of holes for throwing rocks; arranging detonate sequence reasonablely, using reverse initiation technology, strengthening the hole plugging, using iron casing sediment prevention, etc. The in-situation application proves that the research on construction technology and process has rationality and practicability.

coal mine diphead roadway; whole section primary blasting; wedge style cut technology; water cushion charge; rock throw hole

2016-01-11

国家自然科学基金项目(51274009，51404010，51408006)；安徽省科技攻关计划(1501041123)

马宏伟(1984-)，男，陕西咸阳人，讲师，博士，研究方向：地下结构动力学。

TD235.3

A

1672-1098(2016)05-0011-04