提高岩巷掘进爆破速度和质量的若干技术问题

1　前言 　　目前，我国岩巷掘进爆破的特点是巷道宽度小，自由面少，岩石所受夹制作用强。而现场施工仍普遍存在少打眼、乱打眼、多装药、乱放炮的现象，造成的后果是炮眼利用率低，岩石碎块抛掷远，爆堆不集中，周边超挖量大，成型质量差，围岩松动破坏严重，在松软岩层中周边很难留下半边眼痕。不仅影响了巷道掘进的速度，增加了出矸量和支护材料消耗，也降低了巷道的稳定性和安全性。据相关资料统计，我国全煤炭行业岩巷掘进的平均月进尺仅为60m左右。特别是对于f＞8～10的较为坚硬岩石，其炮眼利用率一般在60%～80%。 　　因此，如何提高爆破效率、改善爆破效果、增加进尺、保证成型，仍是岩巷掘进爆破工作中应解决的主要课题。为此，笔者力图从炮眼深度、掏槽爆破、光面爆破、定向断裂控制爆破等技术问题进行分析探讨，以期提出一些有益的参考。 　　2　炮眼深度 　　影响炮眼深度的因素主要有：岩石性质、钻眼机械、循环作业方式、炸药威力等，在选择炮眼深度时应综合考虑。 　　2.1　根据钻眼机械确定 　　合理的炮眼深度应与钻眼机械相适应，即合理的炮眼深度要保证钻眼时有较高的钻眼速 度。有资料表明：对于普通的气腿式凿岩机（如常用的7655型和YT-24型），在相同的凿岩条件下，采用同一根钎子钻眼，每增加1m炮眼，其钻眼速度就下降4%～10%，且随着钻眼深度的增加，钻眼速度就下降得越快。特别当炮眼深度超过3.0m时，由于钎子重量增加，使克服钎子弹性变形的冲击功增大，排粉难度也增大；其次钎杆与眼壁间摩擦阻力增大，能量消耗增加；再者人工拔钎也相当困难。表1是我们在长期的生产实践中以中等坚固岩石为例，使用7655型钻机钻眼不同钻眼深度时的钻眼耗时和钻眼速度的统计值。由表1可见，随着钻眼深度的增加，钻眼速度的衰减加快，钻凿3.0m的炮眼时，其钻眼速度仅有眼深0.5m时的31%。因此，使用普通气腿式凿岩机，炮眼深度宜控制在2.5m以内。当然，如若采用凿岩台车配备重型导轨式凿岩机（如YGZ-70型），因其有较大的轴推力和较强的扭矩，故能克服气腿式凿岩机的上述缺点，可不换钎子一次推进行程3.5～4.0m，对巷道掘进中深孔爆破非常有利。 　　2.2　根据循环作业方式确定 　　合理的炮眼深度应与循环作业方式想适应，即合理的炮眼深度应能保证每班或圆班完成 整循环，保证实现正规循环作业，这样，每班工作任务明确，便于组织和管理，配合锚喷支 护及其掘支作业方式，在合理的炮眼深度内，力争达到一班多循环或中深孔爆破一班一循环 。 　　表1　不同眼深时的钻眼速度的实测值（略） 　　2.3　根据单位工时消耗确定 　　据我们长期研究和现场经验，当炮眼深度变化时，各主要工序，如钻眼爆破（包括钻眼 、装药、联线、放炮等）、装运岩石、临时支护和永久支护、铺设轨道等，其纯的单位工时 消耗量基本保持不变，但各种转换工序和各种辅助工序，如交接班、钻眼准备、工作面清整 、放炮前撤人撤物、通风排烟、安全检查等的单位工时消耗量却随着炮眼深度的增加而明显 减少。图1是辅助工时t(min)消耗随炮眼深度L(m)的变化关系。 除此以外，在确定炮眼深度时，还需考虑巷道断面的大小、岩石的坚硬程度、所用炸药的爆 炸威力等。巷道断面小、岩石坚固性高、炮眼底部岩石夹制作用强，掏槽难度就大；装药直 径大、爆炸威力高，就能获得较高的掏槽效果。 　　图1　工时消耗变化示意（略） 　　3　掏槽爆破 　　决定掘进进尺的关键是掏槽爆破。要提高炮眼利用率，就应首先选择合理的掏槽形式和掏槽参数。 　　3.1　掏槽形式 　　在目前浅眼多循环的巷道掘进爆破中，最常用的掏槽形式是垂直楔形掏槽。而中深孔爆 破时垂直楔形掏槽的应用就受到了巷道断面宽度的限制，多采用直眼掏槽。直眼掏槽的形式 有多种，较为常见的有菱形掏槽、角柱掏槽、螺旋掏槽等多种。各种掏槽形式的共同特点是 利用数量不等的平行空眼作为首爆装药眼的辅助自由面和破碎岩石的膨胀补偿空间。 　　目前较为有效的中深孔爆破直眼掏槽方式是阶段直眼掏槽和孔内分段直眼掏槽。前者是将掏槽眼深度分成若干段（多为两段）不同掏槽眼的眼底位于不同的平面上，按由浅入深的顺序分阶段进行掏槽。后者则是在掏槽装药炮眼内实施上下两分段，分段装药间以一定长度的炮泥相隔，由外向内顺序起爆。 　　两种直眼掏槽方式的掏槽机理是一样的，前分段掏槽（或上分段装药）爆破后，在应力 波和爆轰气体的综合作用下，槽腔内岩石被破碎并向工作面方向推移，形成漏斗形槽腔，为 后分段掏槽（或下分段装药）创造了一个新自由面，并由此改变了深部岩石所受的夹制作用 ，使其强度降低，有利于岩石的爆破破碎和运动。同时还造成下分段岩石中的残余应力和大 量的爆生裂隙以增强岩石的破碎。分段间装药微差起爆，也改善了炸药爆炸能量与岩石破碎 的匹配关系，使更多的能量用于岩石破裂破碎和更少的能量用于碎块的抛掷。研究结果表明 　　这两种掏槽方式可增大槽腔体积，提高掏槽深度，抛掷作用小，爆堆集中，利于装岩。对于坚固性较高（f>8～10）的坚硬岩石，当巷道断面较大时，除采用以上两种分段直 眼掏槽外，直眼和斜眼复合式掏槽（线形和垂直楔形、菱形和垂直楔形复合）也不失为一种 较好的掏槽方式。 　　笔者在最近淮北矿区一煤矿坚硬岩石巷道掘进爆破时就采用了这种双楔形掏槽，该巷 道岩石为粗砂岩，整体性好，致密坚固，无层理，韧性高，极其坚硬难爆，使用单楔形掏槽 或普通角柱形直眼掏槽，2.0m的掏槽炮眼深度，爆破后炮眼利用率一般在60%以下，个别时 候仅有30%左右，而且大块较多，严重影响了掘进速度和巷道成型。改用双楔形掏槽，两阶槽眼梅花形布置，其中两对一阶掏槽，槽眼深度1.2m，倾角65°；三对二阶掏槽，槽眼深度2.0m，倾角70°；另为增大槽腔内岩石的破碎程度和改善岩石破碎块度，在槽腔中心加打了一个与二阶槽眼同深的炮眼。取得了较高的掏槽效果，爆破效率基本上在80%以上，平均达86%左右，爆破块度也较为均匀。 　　3.2　掏槽参数 　　3.2.1　炮眼间距 　　斜眼楔形掏槽参数多由经验确定。笔者认为，掏槽爆破主要是利用装药爆炸后岩石中产 生的破碎破裂作用，因此对于直眼掏槽，要保证槽腔内岩石充分破裂破坏，掏槽炮眼就应布 置在破裂区内，即a＜Rk，a为槽孔间距，RK为破裂区半径。其值为：（略） 　　3.2.2　炮眼装药量 　　据掏槽爆破要求，装药爆后要将槽腔内岩石充分破碎并抛出，因此，装药量较其它炮 孔要大，且不同种类的岩石装药量有变。中国矿业大学在开滦马家沟矿进行大量的中深孔光 爆试验后，提出如下求算直眼掏槽药量的经验计算公式。（略） 　　4　光面爆破 　　较好的光面爆破效果是保证巷道成型规整、减少周边围岩破坏的关键。岩巷掘进均应采取周边光面爆破技术。 　　4.1　炮眼间距 　　合理的炮眼间距应保证炮眼间贯通裂隙完全形成。综合考虑爆炸应力波和爆生气体在贯 通裂隙形成过程中的作用，炮眼间距可据下式求算（略） 　　4.2　炮眼密集系数 　　根据经验，光面爆破炮眼密集系数多取值为：m=0.8～1.0。我们通过双孔双自由面爆破模型试验，在综合分析炮眼断裂面的平整程度、爆破漏斗体积、炮眼利用率等指标的基础上，得出在曲率较小的拱顶部分，光爆炮眼密集系数可以适当增大，但也不宜超过1.2。 　　 4.3　装药结构和装药集中度 　　较合理的光爆装药结构为径向空气间隙不偶合和轴向软垫层不偶合装药。巷道周边光面 炮眼装药量通常用装药集中度来控制，所选装药集中度的大小要求爆破后在炮眼周围的岩石 中不产生粉碎性破坏，并能在岩壁上留有眼痕，椐此有如下确定装药集中度的理论计算公式 ：（略） 　　4.4　定向断裂控制爆破 　　定向断裂控制爆破是利用一些方法首先使炮眼眼壁某部位应力集中而产生径向裂缝，同 时避免眼壁其他部位产生微裂缝，随后在爆炸应力波和爆生气体的共同作用下，径向裂缝持 续发展，形成预期的断裂面。与普通光面爆破相比，其主要的技术特点有：巷道周边成型 质量提高，围岩破坏程度降低；眼距加大，周边钻眼工作量减少。特别是在软岩巷道效果 更为明显。 　　常用的断裂控制爆破方法有两种，一是在炮眼壁沿纵向V形槽，当柱状装药爆炸后产生 的应力波首先在切槽尖端引起应力集中而开裂，尔后爆炸气体作用使裂缝沿切槽方向延伸， 直到相邻炮眼贯通；二是利用特殊形状的药包爆炸后首先在炮眼壁的某一部位产生初始裂缝 ，然后在爆生气体作用下裂缝持续扩展，形成定向断裂面。在巷道爆破中使用最多是切缝药 包。 　　切缝药包定向断裂控制爆破法是将炸药装在特制的外壳（多为ABS工程塑料）中，通过外壳切缝的导压作用控制眼壁上裂缝生成与扩展。一般切缝管外径38～40mm，壁厚2～4mm，切 缝宽度3～5mm，长度由炮眼深度和装药量来确定。表3为获得较好爆破效果的巷道周边切缝 药包定向断裂控制爆破应用实例。 　　 表3　巷道周边切缝药包定向断裂控制爆破应用实例（略） 　　5　结束语 　　解决好岩巷中深孔光面爆破设计及施工中的若干技术问题，是保证有较高的炮眼利用率、较规整的周边成型、较均匀的爆破块度的技术关键。  　　参考文献 　　1　宋俊生,金学华.岩巷掘进作业优化技术［J］.中国煤炭.1997,23(8):23～24. 　　2　王文龙.钻眼爆破［M］.北京:煤炭工业出版社.1989:221～251.301～303. 　　3　陈士海.岩巷中深孔