地下工程爆破技术的现状及发展

钻眼爆破法是我国煤矿井巷掘进的主要破岩方 法。据统计，近年我国煤矿井下每年的岩巷掘进高达数万米，其中90%以上是用钻眼爆 破法完成的。钻眼爆破法以其施工机具结构简单、轻便灵活、操作容易、维修方便、耗能少 、效率高，而非常适宜于煤矿井下凿岩爆破作业。新型的爆破器材、先进的爆破技术不断在 煤 矿爆破中的应用，给钻眼爆破法注入了新的活力，使其在煤矿建设和煤矿生产中的作用更加 突出。本文就爆破器材、爆破技术、爆破理论和爆破安全 等方面，阐述我国地下工程爆破的现状和未来的发展前景。 　　1　目前的现状 　　11　矿用爆破器材 　　我国共有爆破器材生产厂家400多家。其中隶属原煤炭部的就有50多家，90年代中期年工 业炸药产量25万多吨，占全国的20%，雷管产量5亿多发，占全国的25%。50年代初期，一批 煤炭系统的爆破器材厂开始建设并投入运行，主要生产一些工艺简单、价格低廉的铵梯炸药 和普通雷管。60年代生产出了浆状炸药，以后又陆续生产露天岩石炸药、煤矿安全炸药、高 威力铵梯炸药和抗水岩石炸药及段发雷管。60年代末，由于梯恩梯供应紧张，开始开发无梯 露天炸药，象铵油炸药、铵沥蜡炸药、铵松蜡炸药和铵黑炸药及毫秒雷管等。70年代我国开 始引进研制乳化炸药和水胶炸药等含水炸药，因不含梯恩梯，爆破炮烟浓度低，生产使用安 全，抗水性能好而迅速发展。目前，我国煤矿系统的爆破器材厂家不但能生产出品种繁多的 普通民用爆破器材，而且能完全满足矿用爆破器材的需要。包括较先进的岩石和煤矿系列水 胶炸药、乳化炸药、小直径浆状炸药、煤矿毫秒雷管、低密度光爆炸药、煤矿导爆索、高低 威力导爆索、深水导爆索、双向继爆管、非电起爆系统、无起爆药雷管、矿用电雷管发爆器 、电雷管性能测试仪等，这些爆破器材为煤炭工业的发展奠定了基础。 　　12　掘进爆破技术 　　随着煤炭事业的快速发展、矿用爆破器材的不断更新和凿岩设备大型化、高效化，地下 工程爆破技术也有了较大发展。在国内外较早试验成功并采用毫秒微差爆破技术、周边聚能 光面爆破、立井深孔爆破等技术，此外，在立并冻结段掘进爆破、石门揭煤 爆破、钻井井壁 破底爆破等方面也处于世界先进水平。近年来我国还开始研究试验了无掏槽爆破技术，连 续微分爆破技术，巷道掘进无抛掷爆破技术，揭煤遥控起爆技术等，有些已在生产中试 用并产生了良好的经济效率，有些也已取得了阶段性成果。此外，计算机辅助设计，计算机 爆破模拟也亦应用于煤矿井下。 　　121　岩巷掘进微差爆破技术 　　50年代以来，微差爆破技术在各类爆破工程中已得到了广泛应用，特别是在露天爆破方面取 得了较为显著的技术效益。而对煤矿巷道掘进的微差爆破的研究与试验却较少，并且研究和 试验仅停留在 理论上的探讨与研究，还不能指导实践。所以，目前我国的生产部门在巷道掘进中仍多采用 25ms的延迟间隔时间。经理论分析和模型试验研究表明，已不能满足岩石充分破碎的需要, 而 较为合理的延迟间隔时间应该是使得前段装药爆后岩石破碎运动，新自由面完全形成。因此 如 能以合理的微差间隔时间爆破，便可以利用先期炸药爆炸产生的应力场、自由面以及岩块间 的相互碰撞，达到改善破岩效果、降低炸药单耗和控制破堆较为集中的目的。为此，淮南工 业学院进行大量的理论上研究、实验室模型试验和工业性试验得到：岩巷砂岩掘进2m浅孔爆 破的合理延迟间隔时间为40～70ms，在山东、河南、安徽等矿实际应用结果表明可以缩短循 环装岩时间，改善了爆破块度，减少了爆破抛掷，提高爆眼利用率，降低炸药消耗量。 　　122　立井深孔光面爆破技术 　　大型钻凿机械的出现及抗水型岩石水胶炸药、乳化炸药的应用，克服了普通铵梯炸药的管道 效应和通水失效问题，使深孔和中深孔爆破技术得以快速发展。原煤炭部曾在“六五”和“ 七五”两次组织了煤炭高校和众多科研生产部门进行立井4m深孔光面爆破技术攻关研究，通 过理论分析、实验室试验和现场工业测试，提出了高效率的两阶槽眼同深直眼掏槽和分段直 眼掏槽方法；成功地试用了炮孔上、中、下部预留空气缓冲层的装药结构；克服了炮孔上部 欠挖问题和改善了爆破块度；同时采用较为先进的电磁雷管起爆系统和非电导爆管起爆系统 ，提高了爆破作业安全性和缩短了爆破作业时间，炮眼利用率超过90％，抓岩生 产率提高了20％以上。 　　123　定向断裂爆破技术 　　岩巷掘进施工采用传统的钻爆法时，周边眼布置密集，为浅孔多循环作业方式，即使采用普 通的光爆成形技术，因施工中难以严格按光爆要求施工，致使巷道普遍成形效果差，围岩破 坏严重，最终影响掘进的循环进尺及成本。中国矿业大学（北京校区）研究的“岩巷定向断 裂爆破新技术”取得了较好的效果。其机理是采用聚能药卷控制爆炸能量的释放方向，使之 沿着巷道轮廓线方向优先释放，形成引导裂纹，并提供应力场使之具有足够的应变能来维持 裂纹以理想的速率传播而不至于分叉；在非切缝方向，由于稀疏波作用及对爆生气体的缓冲 作用，从而抑制了其它方向的裂纹扩展。另外，爆生气体优先沿着巷道轮廓方向驱动裂缝， 使其加速扩展直至形成理想的断裂面。试验表明定向断裂爆破改变了炮孔周围的应力分布与 发展的对称性，沿定向断裂方向应力远大于其它方向，这是能源集中作用产生定向断裂的重 要原因。因此，切缝药卷爆破巧妙利用了炸药的动作用和静作用，不同于一味地降低炸药 爆破的动压而降低爆轰压力对孔壁作用的普通光面爆破，在爆炸能量的利用上更趋合理和 充 分，切缝药卷爆破试验研究和现场应用已充分证实了其有效性，且施工工艺简单，易于推广 应用。 　　13　煤矿爆破理论 　　近年来，煤炭系统的高等院校和科研单位结合煤炭生产的需要，深入测试研究了若干煤矿井 下爆破的机理和参数，如光面爆破成缝机理和光面爆破参数设计；合理微差时间、深孔直眼 掏槽爆破和分段直眼掏槽爆破机理与参数设计；爆破冲击波在井巷中的传播规律与安全防护 机理 与措施，矿用炸药、雷管安全爆炸机理；由爆破引燃引爆瓦斯机理和防护措施；煤矿安全爆 破条件与危害因素；井巷掘进爆破参数专家系统研制与开发，岩石的爆破分级等。这些研究 大都取得了较为理想的效果，且已被公认，有的已应用于生产，有的因仪器测试条件的限制 ，虽深入度还不够，但也处在此方面国内外科研的前沿。众多的科学研究成果，从本质上认 识和揭露了许多煤矿爆破的实际问题，从而对应用和发展煤矿井下爆破技术，使我国地下 工程爆破器材迅速发展，起到了理论指导的作用。 　　2　急待提高的方面 　　由于工程 爆破的研究和实践存在条件和对象的多样化、复杂化，其理论研究与实际应用尚有较大的差 距，加强理论与工程实际相结合仍是国内爆破界的当务之急，以理论指导实践，克服经验主 义，首先加强爆破基础理论的研究，探索和解决与实践有关的爆破作用机理问题。此外，就 全国普遍情况来讲，从事和煤矿爆破有关的人员众多，长期以来除因炸药雷管的生产供应还 由有关部分管理外，在爆破工艺的好坏与爆破器材的应用，新理论新器材新技术的研究推广等方面都缺乏统一的强有力的组织领导和管理。同其它煤矿先进的技术领域相比，煤矿井下 爆破还比较落后，仍有不少矿井仍然全部采用已有30多年历史的纸包岩石或煤矿硝铵炸药， 施工机械化配套使用率不高，大型钻凿设备应用较少，限制了中深孔和深孔爆破技术的应用 和发展。特别是瞎炮现象仍相当普遍，由瞎炮引发的爆炸事故时有发生，严重影响煤矿安全 生产。另外还有相当数量矿井爆破效率低，成型质量欠佳，超欠挖量大等。尤其是近几年来 〖JP2〗受经济利益的驱使，只求进尺不求质量现象比较突出，再加上管理上的不足，违章 作业常有，造成煤矿井下爆破事故时有发生。据不完全统计，因爆破引发造成的人员伤亡、 瓦斯爆炸、透水淹井、煤岩突出和冒顶塌邦等事故，常占煤矿事故总起数和伤亡总 人数的20％～30％，因此应引起特别注意。 　　3　未来的发展 　　作为煤矿井下破岩的基本方法，钻眼爆破在安全和高效两个主要方面与高速发展起来的现代 化机械破岩技术相比已面临严峻挑战，由于采用各种刀具切割、滚压、研磨等破岩手段易于 控制、安全可靠、且能连续有效地作业，因此目前在煤矿采掘中大有取代爆破法而成为采掘 较为松散煤岩的主要方法。虽然在坚硬岩石中机械破岩尚有难度，但钻爆破岩法不能停滞， 必需大力提高爆破的安全性和有效性，不断创新，不断进取。 　　从爆破能量的利用上来看，提高爆破安全和提高爆破效率实质上是一个问题的两个方面，爆 破的有效性和爆破危害性都是爆破威力造成的。综合分析各种爆破事故，除了因爆破器材性 能不良或管理不善发生的意外爆破事故外，大部分都是因爆破技术不佳，操作使用不当造成 的。因此如何改善爆破器材性能和爆破技术工艺、提高爆破效率和爆破安全则是我们目前最 根本的任务。为达到此目的，根据多年的调查研究考证后，我们认为，今后应努力做好以下 几方面工作。 　　31　开发研制新型起爆材料 　　用量最大的铵梯炸药，虽已为煤矿生产的发展做出了很大贡献，但由于其有不少缺点，如 梯恩梯粉末有毒、生产厂流出的水污染环境、铵梯易吸潮结块、易产生爆炸不完全及管道效 应等，严重地威胁了煤矿的安全生产，因此更新换代势在必行。目前和今后一段时间内应提 倡应用防水性能好、爆炸威力高的水胶炸药，并着力降低其生产成本，立井应倡议推广应用 电磁雷管起爆系统。此外较为重要的是完善乳化炸药的性能、提高其稳定性，开发新型高效 安全的爆破器材。近期的发展方向是，煤矿井下炸药以价廉的乳化炸药为主，辅以水胶炸药 ，少量铵梯炸药；雷管以毫秒为主，研制防爆型的非电起爆系统，完全实现在煤矿井下特殊 条件下的安全爆破。 　　32　实现钻眼机械化 　　实现钻眼机械化是当前的重要任务之一。立井大型伞形钻架和重型轨道凿岩机的配套使用为 立井深孔光