煤矿岩巷束状孔掏槽爆破掘进试验研究

刘建东，王湖鑫，陈　何，原　野

(1.北京矿冶研究总院，北京 102600；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102600)

煤矿岩巷束状孔掏槽爆破掘进试验研究

刘建东1,2，王湖鑫1,2，陈何1,2，原野1,2

(1.北京矿冶研究总院，北京 102600；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102600)

摘要：国内煤矿井下岩巷掘进以传统钻爆法施工为主，其效率低，难以适应煤矿强化开采的需要，研究提高钻爆法的掘进效率对于煤矿生产具有重要意义。影响掘进效率的关键因素是炮眼深度和掏槽爆破效果，本文从增加炮眼深度和改善掏槽效果的角度出发，设计采用束状中深孔掏槽方式，在发挥中深孔掏槽优势的同时，利用束状孔最优埋深条件下的当量球形漏斗，实现炮孔的充分利用，改善掏槽效果，从而提高掘进循环进尺和效率。试验表明，与传统浅孔楔形掏槽相比，束状中深孔掏槽爆破掘进每炮循环进尺提高了45%，效果显著。

关键词：岩巷；束状孔；中深孔；掏槽爆破

随着我国国民经济的快速发展，对煤炭资源的需求越来越大，煤炭的开采强度和速度得到了极大的提高。以钻爆法施工为主的煤矿岩巷低效率掘进技术，与基于综合机械化开采技术的煤矿强化开采方面的需求极不匹配，并常常引发矿山采掘失衡问题，从而极大地制约了矿井高产高效目标的实现。解决上述问题有两种方法，其一是提高矿山机械化装备水平，采用大型的现代化综合掘进设备；其二是对目前广泛应用的钻爆法进行技术挖潜，提高钻爆法掘进效率[1]。

钻爆法掘进施工中，合理布置掏槽位置，控制好炮孔方向和孔深，确保凿眼质量、装药质量和炮孔堵塞质量，是提高爆破掘进效率的有效措施。加大每循环的爆破深度(循环进尺)，可以减少工序的交换和辅助作业时间，因而能大大提高掘进速度。岩巷掘进爆破中影响循环进尺的关键是炮眼深度和掏槽爆破的效果，与传统浅孔爆破掘进相比，中深孔可增加炮眼深度、减少辅助作业时间、提高掘进速度，目前应用日渐广泛[2]。将束状中深孔爆破技术应用于掘进掏槽，在发挥中深孔掏槽优势的同时，利用束状孔最优埋深条件下的当量球形漏斗，实现炮孔的充分利用，从而改善掏槽效果，提高掘进效率。

1岩巷掘进爆破掏槽常用方法

巷道掘进爆破中的炮眼，按其作用的不同，可分为掏槽眼、辅助眼和周边眼。掏槽眼的作用是为辅助眼创造第二自由面，辅助眼是为了进一步扩大掏槽体积，周边眼是为了形成正确的井巷断面形状。掏槽爆破将槽腔内岩石进行充分破碎，并将岩石碎块从槽腔内迅速抛出，为辅助眼和周边眼爆破创造足够的补偿空间和自由面[3]。影响掏槽爆破效果的主要因素是掏槽方式和爆破参数。掏槽方式的选择，主要取决于岩石性质、地层条件和巷道断面等，主要有倾斜眼掏槽、垂直眼掏槽和混合掏槽三种方式。

1.1倾斜眼掏槽

倾斜眼掏槽是指掏槽眼方向与作业面斜交的掏槽方法。通常有单向掏槽、锥形掏槽和楔形掏槽等形式。掏槽眼与工作面的夹角一般为55～75°，眼底距离为10～20cm。

优点：适应性好，所需掏槽眼数较少，掏槽体积大，炮孔精度对爆破效果的影响小，抛掷阻力小，易于将岩石抛出，有利于其他炮眼的爆破，需要的雷管段数少。缺点：角度控制难掌握，槽眼深度受巷道断面限制较大，因而影响到每个循环的进尺。另外，岩石抛距较远，岩堆分散，影响装岩效率。

1.2垂直眼掏槽

垂直眼掏槽也称直线掏槽，所有掏槽眼均垂直于工作面，炮眼之间相距较近且保持平行，一般有一个或数个不装药的空眼，作为装药眼的临时自由面。垂直眼掏槽又分为龟裂掏槽、桶形掏槽和螺旋掏槽三种形式。

优点：槽眼深度受巷道断面限制较小，可进行较深炮眼的爆破，能提高掘进循环进尺；掏槽体积内外大小一致，因而相邻炮孔的最小抵抗线也一致。使爆落的矿岩块度均匀，不会抛掷太远，爆堆集中在工作面附近，有利于装岩。缺点：掏槽眼数量较多，掏槽体积小，对凿岩技术要求高，需要的雷管段数多。

1.3混合掏槽

混合掏槽是以上斜眼掏槽和直眼掏槽两种掏槽方式的混合使用，能够克服单独一种掏槽方式的缺点，同时有具有两种掏槽方式的优点，主要应用在特殊岩石的掘进爆破中。

2束状孔掏槽爆破方案

束状孔也称平行密集孔，由数个平行孔组成一束孔，当相邻两个孔的间距缩小到一个适宜的距离时，将一束孔同时起爆，对周围界质的爆破作用等效于一个更大直径炮孔的爆破作用。一束孔的孔间距视矿岩物理力学性质，一般为孔径的3～6倍。同时起爆由数个孔组成的束状孔，各个孔的爆炸冲击波相互作用，形成合成的应力场和波震面，与等效装药的大孔比较，应力波的压力、能量密度、正压作用时间及冲量，都明显增加，有利于增强装药中远区的爆破作用[4]。束状孔掏槽利用束状孔最优埋深条件下的当量球形漏斗，可以最大限度地提高炮孔利用率，改善掏槽爆破的效果。

根据束状孔爆破作用机理，设计束状孔掏槽共包含24个炮眼，布孔参数如图1所示。其中，1～20号眼为装药眼，眼深3m；21～24号眼为抛渣眼，眼深3.1m。炮眼直径32mm。

图1　束状孔掏槽眼布置(单位：mm)

掏槽眼采用束状孔，将掏槽炮眼平行密集布置，若干炮眼为一束，相邻炮眼间距一般为炮眼直径的3～5倍。其优点在于：炮眼少、槽腔大、易于操作，爆破效率高；各平行密集孔爆炸应力波的合成和迭加，增加了炸药能量的有效利用率。

3束状孔掏槽爆破掘进试验

3.1试验场地

束状孔掏槽爆破掘进试验选择在兖煤东滩煤矿井下南翼皮带巷掘进工作面进行。南翼皮带巷为三心拱形断面，净宽4500mm，净高3500mm，14°斜巷掘进约85m，迎头全断面为页岩及砂岩，岩石系数为f=4～5。

3.2布孔凿岩

采用光面爆破，根据围岩硬度，周边眼距定为350～400mm，抵抗距为500mm，抛渣眼深度2900mm，其余炮眼深度2800mm。布孔参数见图2。

图2　束状孔掏槽爆破试验布孔(单位：mm)

炮眼施工采用YT-24型风钻打眼，Φ22mm中空六角钢钎，钎杆长度3000mm，孔径Φ32mm。

3.3装药连线

爆破使用Φ35mm×300mm的煤矿许用水胶炸药，使用有编号的毫秒延期电雷管，电雷管脚线长度3.5m。采用反向柱状装药结构，装药时一手拉脚线，一手拿木质或竹质炮棍将药卷轻轻推入眼底，用力均匀，使药卷紧密相接。药卷装完后要将两脚线末端扭结。采用水炮泥封堵，水炮泥外剩余的部分用粘土炮泥封堵，装药结构如图3所示。

图3　装药结构示意图

3.4起爆方式

为确保巷道成型及束状孔爆破效果，全断面分两次起爆，迎头第一次下部炮眼起爆时，20个掏槽眼之间进行串联(Ⅰ段)，4个抛渣眼、8个一圈眼、8个二圈眼之间共计20个炮眼进行串联(Ⅱ段)，8个外圈眼、10个底眼之间共计18个炮眼进行串联(Ⅲ段)，最后将三路串联线路并联进行起爆。第二次上部炮眼起爆时，2个辅助眼串联(Ⅰ段)，5个一圈眼、8个二圈眼串联(Ⅱ段)，15个周圈眼进行串联(Ⅲ段)，最后将三路串联线路并联起爆。装药参数详见表1。

3.5试验效果

全断面两次爆破实际装药量78kg，装药放炮后，两帮进尺2.8m，中间槽腔进尺2.9m。放炮后顶板总体成型较好，但拱部有一块约厚约200mm 、面积约2m2的掉顶。

表2列出了本次束状中深孔掏槽爆破掘进与矿山传统楔形掏槽爆破掘进的技术指标对比情况。可以看出，束状中深孔掏槽爆破有效提高了每炮循环进尺，循环进尺由原来的1.9m提高到了2.8m，平均每炮进尺提高0.9m，比原来提高了45%，总体效果比较好；束状中深孔掏槽眼实现了大掏槽，有效的提高了炮眼的利用率，大幅提高了每炮掘进进尺，达到了中深孔爆破的预期效果。

3.6试验中存在的问题

束状中深孔爆破炮眼施工要求高，工人对中深孔爆破施工工艺不熟悉，中深孔爆破过程中各工序衔接不到位，拱部锚网支护量大，出矸量大，倒矸工序占用时间长，导致每循环用时过长，制约了整体掘进效率的提高。在掘进试验中，利用风钻施工炮眼，风钻在炮孔超过2m后，随炮眼深度增加打眼效率明显降低，应考虑利用掘进液压凿岩台车提高中深孔凿岩效率。采用束状孔爆破增加了单循环进尺，使每次爆破矸石量大幅增加，超出了原有矸石仓的容纳能力，需另外配备矸石仓方能满足要求。

表1　炮孔参数与装药结构设计表

表2　束状孔掏槽与传统楔形掏槽效果对比

4结论与建议

束状中深孔掏槽可有效提高巷道掘进效率，在理论上与传统掏槽方法有本质的区别，具有炸药单耗低、作业时间短、爆破效率高等优点。通过本项试验研究得出以下几点结论。

1)通过分析束状孔掏槽爆破基本原理，设计束状孔掏槽爆破参数，通过试验验证爆破参数的合理性，对工程施工设计起到一定参考意义。

2)综合考虑各方面因素，在机械设备、劳动组织、施工工艺等条件不变的情况下，选择采用束状中深孔掏槽方式，使每炮循环进尺显著增加，有效提高了岩巷掘进效率。

3)束状中深孔掏槽方式有效提高了每炮循环进尺，由原来1.9m提高到了2.8m，平均每炮进尺比原来提高了45%，炮孔利用率达到100%。

4)由于束状中深孔掏槽技术尚处于试验阶段，工人熟练程度和机械化应用程度不高，各工序衔接不顺，导致每炮循环用时过长，制约了掘进效率的提高，需要在今后的生产中进一步摸索和改进。

参考文献

[1]郭东明，杨仁树，侯敬峰，等.岩巷快速掘进技术在岱庄煤矿的应用研究[C]//矿山建设工程技术新进展——2007全国矿山建设学术会议文集.合肥:合肥工业大学出版社,2007,401-406.

[2]宗琦，任军.关于巷道掘进爆破中的合理炮眼深度和掏槽技术[J].煤矿爆破，2001(1):7-11.

[3]陶颂霖.凿岩爆破[M].北京:冶金工业出版社,1995:139-143.

[4]孙忠铭,陈何,王湖鑫.束状孔等效直径当量球形药包大量落矿采矿技术[J].矿业研究与开发,2006,26(S2):56-58.

Experimental study on coal mine excavation based on bundle-holes underholing blasting tecnology

LIU Jian-dong1,2，WANG Hu-xin1,2，CHEN He1,2，YUAN Ye1,2

(1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 102600，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102600，China)

Abstract:Traditional drilling and blasting method with low efficiency was widely used in the domestic coal mine excavation，which is difficult to adapt to the needs of strengthening coal mining，so the research of improving the efficiency of drilling and blasting method is of great significance to the coal mine production.Here from the angle of increasing hole length and improving underholing effect，the bundle medium-length hole blasting method is selected and designed，with playing advantage of medium-length hole underholing,and realizing the full use of the blasting hole though using bundle holes optimal buried deep under the condition of equivalent spherical funnel,which improve the underholing effect，and thus rise the cycle speed and efficiency of excavation.Experiments show that with traditional shallow hole wedge underholing compared，bundle medium-length hole blasting excavation of every footage cycle increased by 45%，the effect is remarkable.

Key words：rock tunnel；bundle holes；medium-length hole；underholing blasting

收稿日期：2015-03-20

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题资助(编号：2012BAB01B04)

作者简介：刘建东(1980-)，男，高级工程师，主要从事矿山安全高效开采理论与安全监测技术方面的研究工作。

中图分类号：TD235.33

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0103-04