1 引言

近年來(lái),煤礦行業(yè)不斷發(fā)展,煤炭生產(chǎn)日新月異。 得到光滑完整的斷面、保證圍巖穩(wěn)定性、減少支護(hù)材料 消耗在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中的重要性得以逐漸展 現(xiàn)。 為滿足煤礦發(fā)展需求,高效地在巖巷掘進(jìn)中掘進(jìn) 光滑完整的斷面輪廓,適應(yīng)新時(shí)代礦井建設(shè)生產(chǎn)發(fā)展 需求成為迫切且重要的問(wèn)題[1] 。 巖巷掘進(jìn)施工技術(shù)在巖巷掘進(jìn)的過(guò)程中起到關(guān)鍵 作用,主要包括爆破和支護(hù)兩方面技術(shù),其中爆破關(guān)鍵 技術(shù)包含中深孔爆破技術(shù)[2] 、光面爆破技術(shù)[3] 。 李盟[4]等人通過(guò)周邊眼對(duì)裂紋擴(kuò)展止裂機(jī)理實(shí)驗(yàn) 得出結(jié)論,合理的周邊眼間距布置可以有效防止煤礦 巖石巷道斷面內(nèi)裂紋的擴(kuò)展,提高巖石巷道圍巖的整 體性﹐簡(jiǎn)化支護(hù)工藝。 本文針對(duì)光面爆破中分周邊控制爆破技術(shù),運(yùn)用 理論知識(shí)對(duì)周邊眼的爆破影響因素及周邊眼的眼距、 眼深等爆破參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練研究,為巖巷掘進(jìn)光滑 完整斷面提供技術(shù)參考。

2 爆破方式

礦山常用的爆破方法有預(yù)裂爆破法和光面爆破法 等,巖巷掘進(jìn)為了提升掘進(jìn)效率,節(jié)省掘進(jìn)成本,掘出 完整光滑斷面形狀,常采用爆破法。

2. 1 預(yù)裂爆破 預(yù)裂爆破是在爆破開(kāi)挖區(qū)和保留區(qū)之間預(yù)先形成 一條孔間貫通的裂縫,使爆破區(qū)爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波 傳到預(yù)裂縫時(shí)被部分反射,降低應(yīng)力波到保留區(qū)時(shí)的 強(qiáng)度﹐以達(dá)到保護(hù)保留區(qū)的目的。 預(yù)裂爆破的優(yōu)點(diǎn)如下:①減少超挖、欠挖,節(jié)省成 本;②開(kāi)挖面嚴(yán)整,有利于后期作業(yè);③對(duì)保留區(qū)域的 破壞影響小,有利于保留區(qū)域的穩(wěn)定;④由于存在預(yù)裂 縫,可以放寬對(duì)開(kāi)挖區(qū)爆破規(guī)模的限制,提升開(kāi)挖 效率。

2. 2 光面爆破 光面爆破通過(guò)正確選擇爆破參數(shù)和合理的施工方 法,分區(qū)分段微差爆破,是爆破后輪廓線符合設(shè)計(jì)要 求、臨空面平整規(guī)則的一種控制爆破技術(shù)。 對(duì)比預(yù)裂爆破法,光面爆破法需要在周邊輪廓線 上布置的炮眼數(shù)量較少,常用在軟巖和中硬巖巷道爆 破施工中。 在光面爆破過(guò)程中,各平行炮眼不是全部 在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生爆炸,先爆炮眼產(chǎn)生細(xì)微徑向裂 隙,形成貫穿裂縫。 最后在應(yīng)力變化的影響下,根據(jù)巖 體下沉、應(yīng)力波傳播等因素,確保圍巖的穩(wěn)定性,形成 平整光滑的爆破面。 光面爆破的主要優(yōu)點(diǎn)是巷道成型規(guī)整,超、欠挖現(xiàn) 象少,爆破后很少產(chǎn)生炮震裂縫,圍巖相對(duì)穩(wěn)定,滿足 了礦井安全生產(chǎn)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化要求。

3 炮眼設(shè)計(jì)

3. 1 炮眼參數(shù) 巖巷掘進(jìn)時(shí)需要根據(jù)規(guī)定在工作面上布置三種炮 眼:周邊眼、掏槽眼和輔助眼。 要獲得較為合理的爆破 效果,需要合理安排三種炮眼的爆破順序。 常規(guī)情況 下,起爆順序?yàn)樘筒垩邸⑤o助眼、周邊眼。 三種炮眼的 布置需基于《井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》具體要求,設(shè) 計(jì)炮眼的利用率需大于 85% ,要求前面起爆炮眼不能 影響后面起爆炮眼的完整性。

3. 2 爆破控制參數(shù)設(shè)計(jì) 巖巷掘進(jìn)通常采用光面爆破,炮眼應(yīng)布置在斷面 設(shè)計(jì)輪廓線上,才能掘出較光滑完整的斷面,眼底控制 應(yīng)在巷道斷面輪廓線外 50mm 內(nèi)。 可采用的光面爆破 參數(shù)為:炮眼間距 E = 500 ~ 700mm,最小抵抗線 W = 4 550 ~ 700mm,炮眼裝藥集中度 q = 120 ~ 160g / m,炮眼 密集系數(shù) m= 0. 8 ~ 1. 2。 使用崩落爆破法時(shí),爆破參數(shù)為:炮眼間距 E = 500 ~ 700mm,最小抵抗線 W = 550 ~ 700mm,炮眼密集 系數(shù) m= 0. 8 ~ 1. 2,單位耗藥量 q = 0. 5 ~ 0. 7kg / m 3 。

4 周邊控制爆破影響因素

4. 1 眼間距 眼間距是決定光面爆破效果的重要因素,眼間距 布置合理與否與光爆效果直接相關(guān)[5] 。 可根據(jù)豪柔公 式﹑斷裂力學(xué)等理論分析方法對(duì)眼間距進(jìn)行計(jì)算,也 可根據(jù)爆破施工經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行估測(cè)。

4. 1. 1 爆破施工經(jīng)驗(yàn)方法確定眼間距 根據(jù)爆破施工工程經(jīng)驗(yàn),眼間距一般為炮孔直徑 的 10 ~ 15 倍,即: E= (10 ~ 15) ×db (1) 式中:E 為眼間距,db 為眼直徑。

4. 1. 2 周邊眼間距 周邊眼間距是光面爆破的重要參數(shù)之一。 可根據(jù) 以下內(nèi)容確定周邊眼間距參數(shù)范圍:在軟巖和層理節(jié) 理發(fā)育的巖層上,眼間距應(yīng)小,抵抗線應(yīng)大;在堅(jiān)硬穩(wěn) 定的巖層上,眼間距應(yīng)大,抵抗線應(yīng)小。 巷道光面爆破 的周邊眼間距可取 400 ~ 600mm。

4. 2 最小抵抗線 最小抵抗線即光面層厚度也是光面爆破的重要參 數(shù)之一,最小抵抗線影響周邊眼間裂紋的形成和開(kāi)挖 后巷道圍巖的穩(wěn)定。 周邊眼間距與其最小抵抗線存在 一定比例關(guān)系,即: m= a W (2) 式中:m 為炮眼密集系數(shù);a 為周邊眼間距,mm;W 為最小 抵 抗 線, 即 最 外 一 圈 輔 助 眼 與 周 邊 眼 的 距 離,mm。

4. 3 裝藥結(jié)構(gòu) 巖巷掘進(jìn)時(shí),光面爆破法通常采用不耦合裝藥結(jié) 構(gòu)。 常用的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)為徑向空氣間隙不耦合 和軸向空氣墊層不耦合裝藥,在確定裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí) 應(yīng)從以下兩方面考慮: ①要使圍巖無(wú)過(guò)度壓縮性破壞,應(yīng)保證作用在眼 壁上的初始?jí)毫π∮趲r石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度; ②要保證炮眼連心線方向孔壁起裂,作用于眼壁 上的初始拉力要大于巖石的抗拉強(qiáng)度。

5 爆破方案的設(shè)計(jì)

水溝深×寬×壁厚 = 0. 3m×0. 3m×0. 1m。

上部平車(chē)場(chǎng)掘進(jìn)長(zhǎng)度為 27m,下部平車(chē)場(chǎng)掘進(jìn)長(zhǎng)度 為 97m。

目前,巷道在掘進(jìn)過(guò)程中存在如下問(wèn)題:該礦根據(jù) 圍巖硬度將周邊眼距定為 350 ~ 420mm,最小抵抗線距 離確定為 500mm。

周邊眼全部預(yù)留光爆層,光爆層厚 度為 500mm,眼痕率達(dá)到 50% 以上。

目前而言,巷道在掘進(jìn)過(guò)程中存在爆破效率不高、 爆破效果不夠理想的情況。

炮眼布置情況如圖 1 ~ 圖 4 所示。

當(dāng) m = 0. 5 時(shí),光面層 不易爆破下來(lái)。

實(shí)踐表明,m = 0. 8 ~ 1. 0 時(shí),爆破效果 較好[6] 。

當(dāng) m1 時(shí),會(huì)出現(xiàn)欠挖, 如圖 5、圖 6 所示。

圖 5 超挖圖(m<1) 圖 6 欠挖圖(m>1. 5) 有關(guān)地下工程光面爆破參數(shù)如表 1 所示。

表 1 光面爆破參數(shù) 巖石種類(lèi) 飽和單軸抗壓極限強(qiáng)度 Rb / MPa 裝藥不耦合系數(shù) B 周邊眼間距 a / mm 周邊眼最小抵抗線 W/ mm 相對(duì)距 a / W 周邊眼裝藥集中度 q / kg·m -1 硬巖 >60 1. 25 ~ 1. 50 550 ~ 700 700 ~ 850 0. 8 ~ 1. 0 0. 30 ~ 0. 35 中硬巖 30 ~ 60 1. 50 ~ 2. 00 450 ~ 600 600 ~ 750 0. 8 ~ 1. 0 0. 20 ~ 0. 30 軟巖 ≤30 2. 00 ~ 2. 50 300 ~ 500 400 ~ 600 0. 5 ~ 0. 8 0. 07 ~ 0. 15 由式(3)和表 1 演算得出,原周邊眼布置方案的 m 值為 0. 7 ~ 0. 84,將周邊眼間距 a 調(diào)整為 400 ~ 500mm 后,得到 m 值為 0. 8 ~ 1. 0,或在原周邊眼間距不變的 情況下,將最小抵抗線 W 調(diào)整為 420mm,得到 m 值為 0. 83 ~ 1. 0,爆破效果得以優(yōu)化。

6 貴州典型巖巷掘進(jìn)周邊眼參數(shù)的確定

以貴州畢節(jié)地區(qū)典型的巖巷掘進(jìn)為例,煤炭資源 的主要含煤地層為上二疊紀(jì)龍?zhí)督M,煤礦井下巖石巷 道圍巖一般為灰?guī)r、泥巖、砂巖等。 基本為中硬巖,普 氏系數(shù)為 4 ~ 6。 通過(guò)上述力學(xué)原理,調(diào)整周邊眼間距、最小抵抗 線、炮眼密集系數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)及炮眼數(shù)目等參數(shù),得出 貴州地區(qū)典型巖巷掘進(jìn)周邊眼爆破參數(shù),如表 2 所示。

表 2 貴州地區(qū)典型巖巷掘進(jìn)周邊控制爆破參數(shù) 巖性 周邊眼間距 / mm 最小抵抗線 / mm 炮眼密集 系數(shù) 裝藥結(jié)構(gòu) 中硬巖 400 ~ 600 500 ~ 750 0. 8 ~ 1. 0 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析,在礦山巖巷掘進(jìn)過(guò)程中,周邊控制爆破 影響因素及參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用空間較大,能較好地提升井 下巖巷掘進(jìn)質(zhì)量和效率。 結(jié)合光面爆破技術(shù)的具體應(yīng) 用情況,采用光面爆破掘進(jìn)法時(shí)設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)將直 接影響井巷的爆破效果和爆破效率,決定巖巷掘進(jìn)中 的掘進(jìn)效率和掘進(jìn)成本。 上述內(nèi)容表明,通過(guò)數(shù)據(jù)分 析對(duì)采區(qū)軌道下山下段平車(chē)場(chǎng)周邊控制爆破參數(shù)的諸 多影響因素進(jìn)行優(yōu)化后,掘進(jìn)的炮眼利用率得到提升, 消耗炸藥量減少。

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作者簡(jiǎn)介: 楊蕓森 (1999 -), 男, 苗族, 貴州思南縣人, 本科, 從事煤礦開(kāi)采技術(shù)工作。