益新煤矿中心大空孔掏槽爆破现场试验研究

郭东明，李旭鹏，王汉军，左进京，李　铁，何天宇

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院，北京 100042)

益新煤矿中心大空孔掏槽爆破现场试验研究

郭东明1，2，李旭鹏1，王汉军3，左进京1，李铁1，何天宇1

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院，北京 100042)

摘要：本文以益新煤矿四水平北翼皮带巷爆破掘进工程为背景，基于现场爆破试验，研究了中心大空孔新型掏槽爆破施工技术及与之相适的掏槽布置方式和爆破参数。通过对现场4组掏槽对比试验的分析，确定了方形套方形的掏槽布置方式及相应的爆破参数。现场应用表明：采用中心大空孔加方形套方形的掏槽布置方式，爆破后形成的空腔深度更深且破坏半径小，掏槽效果显著，与传统掏槽方法相比，单循环进尺可提高82.4%以上，月进尺最高可达近135m。中心大空孔掏槽爆破施工方法将有效提高矿井开拓速度，同时也可以为国内中、深孔快速掘进的研究提供新的思路和方法。

关键词：空孔；掏槽爆破；爆破参数；快速掘进

在我国煤矿巷道掘进中，爆破是岩石开挖的主要方法[1-3]。我国岩巷掘进采用的主要是浅眼钻爆法，该工法越来越不能满足现代化煤矿企业的高效掘进要求。直眼掏槽爆破工艺是在掘进断面上钻凿一个或一个以上非装药空孔，空孔具有很好的爆炸能量导向和岩体爆破碎胀补偿作用，这为掏槽爆破的成功提供了条件[4-7]。林大能等[8]研究了含空孔直眼掏槽的炮眼布置方式和空腔的形成过程，建立了相应的力学模型，并给出了空腔尺寸的计算方法；刘优平等[9]主要探究了空孔掏槽爆破的作用机理和空孔的应力集中效应及其变化规律；张奇等[10]通过建立力学模型，分析了影响直眼掏槽爆破效果的因素，探究了空孔在掏槽爆破中的影响及其模拟方法；李启月等[11]通过有限元软件数值模拟，得出空孔会在掏槽爆破过程中引发空孔效应并提供一个初始自由面，从而改变槽孔爆破时的应力分布状态，同时对槽腔岩石的破碎具有一定的导向作用；唐信来等[12]通过建立力学模型来研究首爆装药孔的爆破过程，进而探究大空孔螺旋掏槽爆破施工技术；郑祥滨等[13]通过数值模拟分析，探究了单螺旋空孔直眼掏槽中爆炸应力波的传播规律以及空腔的形成过程。本文以益新矿四水平北翼皮带巷工程项目为依托，尝试通过现场爆破试验探究含中心大空孔的新型掏槽爆破施工方法，同时确定合理的掏槽爆破方案和相应的爆破参数。该研究成果将加快益新矿四水平北翼皮带巷的掘进速率，提高煤矿的生产效率，同时也将为煤矿企业的快速掘进提供参考。

1工程概况

黑龙江龙煤集团鹤岗分公司所属各矿的岩巷平均单进约为45～78m/月(表1)，岩巷每月掘进工作面个数为101个，年岩巷进尺为8万m。其中，鹤岗分公司矿建处二工区的益新矿四水平北翼轨道大巷所遇围岩以石英长石为主，主要为白砂岩、细砂岩，围岩完整性较差。该段巷道预计穿过F303断层、不穿煤层。设计工程量为2127m，巷道断面面积为19.14m2(宽5.1m，高4.17m)，距地表超过738m。为了提高矿山生产的可持续性和掘进速度，2013年该公司为矿建处引进了CMZY2-120/18型煤矿用岩巷钻装机组和CMS1-6000/55型煤矿用掏槽孔钻车，经矿建处二工区研究决定将这些设备投入到益新四水平北翼轨道大巷中使用。

表1　益新矿传统炮掘法生产进尺

2中心大空孔掏槽爆破参数研究

2.1掏槽爆破参数设计理论

掏槽爆破参数的设计主要有计算法和工程类比法两种。计算法又分为理论公式法和经验公式法两种。无论哪种方法都是通过计算先初步确定参数，试爆后再调整参数，同时要根据地质条件的改变，相应地调整爆破参数。工程类比法是依据现场施工、环境等各项条件，直接采用与本工程项目情况相类似的工程资料中的经验参数，试用后再调整参数。评价爆破参数的合理性，最终还是看爆破效果如何，经济上是否合理，统筹考虑岩石特性、现场机械设备状况、工程地质情况等因素。

2.1.1炮孔直径

炮孔直径选取的主要影响因素包括：岩石性质、炸药性质、现场施工要求、现场设备情况等。通常而言，主要依据钻孔机械和现场爆破情况来确定参数取值。地下巷道中的光面爆破工程，炮孔直径的选取范围是35～45mm。

2.1.2炮孔间距

炮孔间距选取的主要影响因素包括：围岩岩性、光爆层厚度、炸药性能、不耦合系数等。按式(1)进行计算[14]。

(1)

式中：Li是各炮孔中裂缝的长度，Li=(bPb/σL)αγb，其中b是比例系数，b=μ(1-μ)，μ是泊松比，Pb是岩石的极限抗压强度KPa，σL是岩石的抗拉强度，α是系数取值2/3，γb是炮孔半径cm；Pa是炮孔被爆生气体充满时的静压KPa，Pa=K1QΔ/δ，其中K1是系数，炸药密度为1.0g/mL时，K1=25，炸药密度为1.5～1.6g/mL时，K1=58，Q是炸药的爆热，梯恩梯是4187kj/kg，硝氨炸药是4228kj/kg，Δ是爆破孔内的装密g/mL，δ是炸药本身的密度g/mL；d是炮孔直径cm。

2.1.3最小抵抗线

最小抵抗线的计算公式，见式(2)。

(2)

式中：Q是单孔药量；C是爆破系数；a是孔距；La是炮孔深度。此外W还可按式(3)计算。

(3)

式中：m是炮眼密集系数，取m=0.8～1.0。m针对不同的地质构造、岩石特性以及开挖跨度应作适当的调整。

2.1.4不耦合系数

不耦合系数ko是孔径和药径的比值，表征炸药和孔壁之间的贴合度。通常在光面爆破中，ko的取值是1.6～3.0。

2.1.5炮孔装药量

对光面爆破而言，炮孔装药量的计算公式见式(4)。

q=AKmk1W

(4)

式中：q是炮孔单位深度的装药量kg/m；A是炮孔堵塞系数，常取值A=1.0；K是系数，软岩取K=0.5～0.7，中硬岩取K=0.75～0.95，硬岩取K=1.0～1.5；m是炮孔密集系数，k1是依据m确定的变量，常取k1=0.5；W为最小抵抗线。现场施工时，参考该公式的计算药量，并结合现场试验研究进行适当调整，以确定符合实际工程的炮孔装药量。

2.2掏槽爆破优化试验研究

开拓掘进面爆破工艺中难度最大的环节是掏槽，掏槽的深度决定了整个爆破循环的深度，要想提高单进水平，必须提高循环进度，因此掏槽就成了关键。

在开拓掘进爆破工艺的基础上，鹤岗分公司引进了CMZY2-150/20型煤矿用钻装机组和CMS1-6000/55型煤矿用掏槽孔钻车两台设备并投入现场使用。CMZY2-150/20型煤矿用钻装机组是集凿岩与装载两种功能于一体的高效连续作业设备，主要用于矿山岩巷、铁路隧道以及其它工程巷道中的掘进作业[15]。CMS1-6000/55型煤矿用掏槽孔钻车是新一代钻孔取芯设备，该车以防爆电机为动力带动回转机构驱动钻具及液压泵进行钻孔及掏槽作业，取芯钻头内径是355mm，外径是400mm，壁厚是45mm。

基于掏槽爆破参数设计理论，结合上述两种新型施工设备及大空孔的特点，我们设计了四种掏槽方案的对比试验(图1)，以探究最合理的掏槽爆破布置方案及爆破参数，各方案均在现场进行了爆破试验，形成了不同的掏槽爆破效果。基于掏槽爆破参数设计理论，结合上述两种新型施工设备及大空孔的特点，我们设计了四种掏槽方案的对比试验(图1)，以探究最合理的掏槽爆破布置方案及爆破参数，各方案均在现场进行了爆破试验，形成了不同的掏槽爆破效果。

四种掏槽方案的中心大空孔直径均为400mm。图1(a)为高位置空孔圆形掏槽布置，其余炮眼个数为11，直径为32mm；图1(b)为第一种方形套方形掏槽布置，其余炮眼个数为8，直径为45mm；图1(c)为第二种方形套方形掏槽布置，其余炮眼个数为62，直径为32mm；图1(d)为第三种方形套方形掏槽布置，其余炮眼个数和直径为62个、32mm和26个、45mm的组合，四组对比试验的具体爆破参数见表2。

图1　四种掏槽方案的对比试验

试验次序掏槽方式钻孔数Φ32mmΦ45mmΦ400mm装药量/kg炮眼深/m炸药单耗/(kg/)单位面积炮孔数/(个/)炮眼利用率/%第1次高位置空孔圆形掏槽11/18.82.29.261296第2次第一种方形套方形掏槽/8122.83.422.1897第3次第二种方形套方形掏槽62/186.43.39.49794第4次第三种方形套方形掏槽62261157.23.39.22599

该对比试验的目的一是基于良好的爆破效果，争取尽可能少的炸药单耗和单位面积炮孔数；二是确定最有效的掏槽布置方式，进而形成确实可行的中心大空孔掏槽爆破施工工法。

2.3掏槽爆破方案的确定

分析第1～4次爆破试验参数表可得，第4次的第三种方形套方形掏槽方案与其他掏槽方案相比，单位面积炮孔数少，炸药单耗低，炮眼利用率高，其爆破参数较为合理。同时，从现场掏槽效果来看，该掏槽方案能够形成较规则空腔，空腔深度较深且破坏半径小，出岩量巨大，掏槽效果非常显著，是比较理想的掏槽方案。因而，基于第4次的第三种方形套方形掏槽方案，围绕中心大孔径空孔，我们确定了方形套方形的掏槽布置方式，掏槽眼眼深比空孔浅55～100mm，与空孔的最小抵抗线确定为250mm。方形布置的掏槽眼与内圈方形布置的掏槽眼的最小抵抗线确定为400mm。掏槽爆破采用两次起爆，单孔装药量和封泥长度均严格执行《煤矿安全规程》的有关规定，相应的炮眼布置方式及参数见图1(d)和表3。

掏槽方案的具体施工过程如下所述。首先，用CMZY2-120/18型钻装机组进行辅助眼和一圈眼、二圈眼周边的打眼施工，留出掏槽眼的部位。然后撤出钻装机组，将CMS1-6000/55型煤矿用掏槽孔钻车开至工作面，在掏槽部位支起前后液压支腿，使掏槽孔距离底板600mm位置，用直径400mm的管状钻头超前钻出留有岩芯的钻孔，深度可根据现场围岩情况选定在3～8m。然后在钻孔岩芯的中心布置一个炮孔，用爆破的方式将岩芯整体推出或破碎抛出，从而在钻眼爆破工艺中创造第二个自由面。在此基础上分步完成扩大槽腔的掏槽爆破，破碎岩石的崩落眼爆破，和达到巷道成形规整的周边眼光面爆破，实现3.5m以上的循环进度。

3现场施工情况及效果

3.1现场施工情况

现场施工过程中，整个单循环打眼(含钻中心大空孔的时间)放炮总时间约8h，支护时间约4h，排矸时间约3h，即一个完整的单循环用时约为15h。施工现场每个大班的工作时间为8h，即2个大班完成一个循环，2天实现3个循环，平均单循环进尺2.1m(表4)。按照这种循环进尺，平均每天进尺约3m，月进尺能突破90m，比不用掏槽机每月多进尺约45m(表1)。然而，由于施工现场巷道岩石比较破碎，掏槽机不能钻3m以上的掏槽孔，从而在一定程度上制约了单循环进尺。如果围岩条件比较完整，岩性较好，则能够实现3m以上的单循环进尺，月进尺将再获新高。

表3　炮眼布置参数

表4　掏槽孔钻车生产进尺

3.2现场施工效果

经观察现场掏槽情况发现，方形套方形的掏槽布置方式可以形成较规则空腔，空腔深度较深，破坏半径小。同时，大空孔掏槽碎石的抛掷比较收敛且呈“束”状抛掷，出岩量多且破碎岩石粒径较为均匀，掏槽效果显著，具体现场效果见图2。

图2　现场掏槽效果

采用中心大空孔掏槽爆破施工方法，中心空孔为掘进断面爆破施工提供了第二自由面，能够起到很好的应力集中效应、卸压效应以及双向自由面效应，爆生主裂纹在扩展过程中能够逐渐向空孔发生偏移，并最终在中心大空孔处贯通破坏，形成较大空腔，实现了后续的掏槽爆破。同时空孔也为抛掷的岩石相互碰撞提供了空间，为破碎岩石提供了搁置空间，因而能够形成较大空腔，掏槽效果显著。对比表1和表2可见，该掏槽方法比传统掏槽方法的平均单循环进尺提高约40%，月进尺可达90m。

4结论

1)形成了硬岩巷道“中心大空孔加方形套方形”的新型掏槽爆破技术，大空孔打眼装备和钻装一体机及高效施工工艺体系。确定了合理的掏槽布置方式及爆破参数，掏槽眼眼深比空孔浅50～100mm，与空孔的最小抵抗线确定为250mm；方形布置的掏槽眼与内圈方形布置的掏槽眼的最小抵抗线确定为400mm，掏槽爆破采用两次起爆，各项参数合理，掏槽效果显著。

2)现场应用表明：采用中心大空孔加方形套方形的掏槽布置方式，由于空孔的应力集中效应、双向自由面效应和卸压效应，爆生主裂纹在扩展过程中能够逐渐向空孔发生偏移，并最终在中心大空孔处贯通破坏，形成较大“爆腔”；同时空孔也为岩石的碰撞和搁置提供了较大空间，一定程度上促进了空腔的形成。与传统掏槽方法相比，该掏槽方法所形成空腔的深度较深且破坏半径小，单位面积炮孔

数少，炸药单耗低，炮眼利用率最高可达100%，同时比传统掏槽方法有着更高的单循环进尺。

参考文献

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Field test on center big empty hole in cut blasting in Yixin coal mine

GUODong-ming1，2，LIXu-peng1，WANGHan-jun3，ZUOJin-jing1，LITie1，HETian-yu1

(1.SchoolofMechanicsandArchitectureEngineer，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，Beijing100083，China；3.SchoolofArchitecturalandSurveyingandMappingEngineering，BeijingPolytechnicCollege，Beijing100042，China)

Abstract:This paper taken the blasting excavation project of four levels of north wing belt lane in Yixin Coal Mine as the background，based on the site blasting tests，researched a new construction technology of center big empty hole in cut blasting and the cut arrangement and blasting parameters corresponding with the new technology.Through the analysis on the four groups of cut contrast test on site，the cut arrangement of a square set another square and the corresponding blasting parameters were ensured.The field application showed that when the center big empty hole in cut blasting and the cut arrangement of a square set another square were used，the cavity formed after blasting will get a deeper depth and smaller damage radius，so the cut effect is remarkable.Compared with traditional cutting methods，the monocyclic footage can increase more than 82.4% and the month footage was up to nearly 135 meters.The new construction technology of center big empty hole in cut blasting will increase the development speed of mines effectively，at the same time，it will provide new ideas and methods for the research of rapid excavation of medium and deep hole in China.

Key words：big empty hole；cut blasting；blasting parameters；rapid excavation

收稿日期：2015-10-09

基金项目：国家自然科学基金面上项目资助(编号：51274204)；教育部新世纪人才支持计划项目资助(编号：NCET-12-0956)；中央高校基本科研业务费专项资金项目资助(编号：2009QL04)；教师队伍建设-创新团队项目“煤矿灾害预警关键技术研究”资助(编号：PXM2014_014225_000048)

作者简介：郭东明(1974-)，男，江西新余人，汉族，副教授，硕士生导师，主要从事矿井建设方面教学和研究工作。E-mail：dmguocumtb@126.com。 通讯作者：李旭鹏(1990-)，男，汉族，河北张家口人，硕士生，主要从事岩土工程方面的研究工作。

中图分类号：TD235.4

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0082-05