聚能光面爆破技术研究

张龙涛

(平顶山天安煤业股份有限公司十一矿，河南 平顶山 467000)

1 试验巷道工程概况及围岩力学性质

平煤股份十一矿己二下段轨道下山位于二水平己二采区，该巷道整体均位于己16-17煤层底板以下岩石中，为全岩施工。巷道上距己16-17煤层法线间距25～40 m以上，地层倾角为10°左右，顶、底板均为砂质泥岩及细砂岩互层，灰色，含植物根茎化石。巷道埋藏较深，矿压显现明显。预计标高-878～-978 m，地面标高+290～+295 m；地面相对位置为红石寨北30 m。

2 聚能光面爆破技术

2.1 聚能光面爆破的基本概念

聚能光面爆破技术是在巷道周边眼中采用聚能管装置代替常规药卷和雷管，通过聚能管聚集炸药能量，爆破时能量通过聚能管上对称的聚能槽转化成射流动能，岩石在高压爆破气体应力及气体气刃作用下，在聚能槽中心线方向，即沿巷道轮廓面被拉断，同时相邻炮孔形成贯通缝隙，实现了对工程目标进行定向切割的目的，保护了巷道周向围岩不被破坏，提高了炸药能量利用率。

2.1.1 聚能效应原理

当一个普通的圆柱体或球形体药包，无论从中间还是从一端起爆，其爆炸产物和冲击波以类似球形由小到大向外扩散传播。其运动特点是压力、速度和密度等爆破参数，随着传播半径不断增大而下降得很快，其原因是爆炸能量随着爆炸产物和冲击波的运动，在不断增大的球形体积内分布的结果。如果把圆柱体药包一端设计成凹槽(也称聚能穴)，当圆柱体药包在另一端起爆时，在凹槽范围内，压力、速度和密度等不但不会下降，而且还会加强。这是因为在凹槽附近的炸药爆炸产生的爆炸产物和冲击波向凹槽的轴向聚合，进而碰撞，结果形成一股高压力、高密度的高速气流，沿着轴向向外射出。这种射出的气流，称之为聚能射流，这种现象和作用通称为聚能效应。

假如在凹槽的表面覆盖一层厚度适中的非金属材料(金属材料更好)，其聚能射流作用更大，这是由于非金属射流的能量密度比气体射流大所造成的。

在凹槽表面无论覆盖非金属材料还是金属材料，其厚度要适中，过薄时射流密度小，过厚时形成射流过程中消耗炸药能量过多，降低流速度与压力。通过穿孔试验可得出一个结论：每一种类型的聚能包都有相应的最佳厚度。

2.1.2 聚能药包炸高

所谓“炸高”，就是聚能药包距离作用对象的高度。穿孔试验表明，不同炸高对穿孔深度影响很大，每一种聚能药包都有一定的最佳炸高。这对聚能水压光面爆破中聚能管装置离光爆炮眼眼壁间隙大小很有指导意义。

2.2 聚能管装置

聚能管装置结构由以下5部分组成。

2.2.1 聚能管

聚能管截面尺寸有2种。单管聚能管外形近似葫芦圆形，聚能管其实质就是把多个聚能穴连在一起，由“点”变成“线”。“点”是指单个聚能穴，“线”是指若干多个聚能穴连在一起。

聚能管装置由聚能管、炸药、封堵棉、起爆雷管和定位圈5部分组成，聚能管分主体管和盖片。聚能管材质为PVC，管壁厚2 mm。管主体两侧有一个对称凹进去的槽，即“聚能槽”，其作用举足轻重。聚能槽顶角60°，聚能槽顶部距离17.79 mm，外形尺寸27.96 mm×20.71 mm。盖片截面宽19 mm、高5.47 mm，片厚也是2 mm。

2.2.2 炸药

聚能管中的炸药是施工现场常用的乳化炸药。

2.2.3 封堵棉

在聚能管装置端头，起封堵作用，防止炸药溢出。

2.2.4 起爆雷管

起爆雷管用于起爆聚能管装置。

2.2.5 定位圈

定位圈的作用有二：其一起炸高作用，保证聚能管装置中的聚能穴不直接接触炮眼岩壁；其二起定位作用，保证聚能管装置中的聚能槽与开挖轮廓面平行。

2.3 聚能管装置组装

2.3.1 设备

注药枪，施工现场压风。注药枪为利用风压对聚能管注药的工具，由胶嘴、枪筒(直径 120 mm)、扳机3部分组成，注药枪通过气压线(直径 6 mm)连接至巷道进风管上。

2.3.2 材料

组装聚能管装置所需要的材料有：聚能管，由厂家专门提供；乳化炸药、雷管，井下正常使用的；定位圈为蜂窝状塑料制品，由聚能管生产厂家提供；封堵棉，定位圈内部一块分离塑料制品；阻燃胶带，刀具等。

2.3.3 聚能管装置装药工艺

组装聚能管装置，需要有专门的工作平台，还要有压风，除2名操作人员以外，其他人不得干涉。组装聚能管装置分以下步骤逐步进行。为缩短组装时间，必须严格遵守组装程序。

1)装药使用工具及材料：聚能管、封堵绵、定位圈、阻燃胶带、水胶炸药、注药枪、刀具等。

2)装药前将注药枪接好风源，通过注药枪扳机处风压调节阀将风压调至0.18～0.22 MPa。

3)把药卷一端，沿药卷纵向将包装皮切开，打开枪筒前盖，然后将药卷内炸药挤入枪筒中，最后拧紧前盖。

4)使用封堵绵对聚能管一端进行封堵，之后手握注药枪从聚能管封堵端开始从头至尾移动，炸药从胶嘴连续不断装入聚能管中，装药后炸药必须饱满。

5)炸药装入聚能管后，扣上另一片半壁管。

6)从聚能管一端把定位圈套在聚能管外面，定位圈距聚能管端头约50 cm即可，并用胶布绑紧一半，确保聚能槽对准轮廓面不转动。

7)将雷管插入聚能管药卷内。

8) 将聚能管装入周边眼，聚能管的聚能槽方向与轮廓线切线方向一致。

2.3.4 组装聚能管装置及往光爆炮眼装填注意事项

1)组装聚能管装置注意事项：①给注药枪加压控制在0.2 MPa以内。加压过大，容易造成聚能管中的乳化炸药敏感度降低，造成半爆或不起爆；加压过小，则炸药从枪嘴流不出或流出太慢。②往聚能管中注药，要连续不断且均匀，绝不能出现断药。③起爆雷管千万不能在组装聚能管装置时装入，聚能管装置运到巷道迎头，往光爆炮眼装填前再装入。

2)往光爆炮眼中装填注意事项：①往光爆炮眼装填聚能管装置时，聚能槽必须与轮廓面平行不得有偏离，否则爆破后轮廓面不会平顺整齐，还会出现超欠挖。这条注意事项务必重视，不能有任何差错。②光爆炮眼上部的水砂袋，必须与聚能管装置紧紧衔接，不得有空隙。③回填堵塞的炮泥，必须一直回填到光爆炮眼口，并捣固坚实。

3 技术分析对比

1)常规光面爆破光爆炮眼间距为300 mm，而聚能光面爆破光爆炮眼间距则扩大到600 mm，显著减少光爆炮眼数量，缩短钻眼时间约40 min。

2)聚能光面爆破平均每循环进尺1.65 m，常规光面爆破平均每循环1.5 m，相比而言，聚能光面爆破平均每循环增加进尺0.15 m。

3)爆破效果得到了极大的提高，半眼痕几乎都保留了下来，半眼痕保留率由常规光面爆破的86%提高到现在的95%以上，使轮廓面更加平顺整齐，超欠挖得到直接有效的控制。

4)由于光爆炮眼间距扩大了1倍，数量仅为常规光爆炮眼数量一半，从而减少了对围岩的破坏影响。

5)常规光面爆破常常出现超欠挖问题，该项目采用常规光面爆时超欠挖控制效果一般，经常会出现欠挖补炮或者超挖挂网补喷。采用聚能光面爆破技术后，超欠挖控制得到极大的改善，几乎不存在补炮或者挂网补喷的现象，对后续施工提供了可靠保障。