1 引言
近年来,煤矿行业不断发展,煤炭生产日新月异。 得到光滑完整的断面、保证围岩稳定性、减少支护材料 消耗在煤矿建设和生产过程中的重要性得以逐渐展 现。 为满足煤矿发展需求,高效地在岩巷掘进中掘进 光滑完整的断面轮廓,适应新时代矿井建设生产发展 需求成为迫切且重要的问题[1] 。 岩巷掘进施工技术在岩巷掘进的过程中起到关键 作用,主要包括爆破和支护两方面技术,其中爆破关键 技术包含中深孔爆破技术[2] 、光面爆破技术[3] 。 李盟[4]等人通过周边眼对裂纹扩展止裂机理实验 得出结论,合理的周边眼间距布置可以有效防止煤矿 岩石巷道断面内裂纹的扩展,提高岩石巷道围岩的整 体性﹐简化支护工艺。 本文针对光面爆破中分周边控制爆破技术,运用 理论知识对周边眼的爆破影响因素及周边眼的眼距、 眼深等爆破参数进行创新训练研究,为岩巷掘进光滑 完整断面提供技术参考。
2 爆破方式
矿山常用的爆破方法有预裂爆破法和光面爆破法 等,岩巷掘进为了提升掘进效率,节省掘进成本,掘出 完整光滑断面形状,常采用爆破法。
2. 1 预裂爆破 预裂爆破是在爆破开挖区和保留区之间预先形成 一条孔间贯通的裂缝,使爆破区爆破时产生的应力波 传到预裂缝时被部分反射,降低应力波到保留区时的 强度﹐以达到保护保留区的目的。 预裂爆破的优点如下:①减少超挖、欠挖,节省成 本;②开挖面严整,有利于后期作业;③对保留区域的 破坏影响小,有利于保留区域的稳定;④由于存在预裂 缝,可以放宽对开挖区爆破规模的限制,提升开挖 效率。
2. 2 光面爆破 光面爆破通过正确选择爆破参数和合理的施工方 法,分区分段微差爆破,是爆破后轮廓线符合设计要 求、临空面平整规则的一种控制爆破技术。 对比预裂爆破法,光面爆破法需要在周边轮廓线 上布置的炮眼数量较少,常用在软岩和中硬岩巷道爆 破施工中。 在光面爆破过程中,各平行炮眼不是全部 在同一个时间点发生爆炸,先爆炮眼产生细微径向裂 隙,形成贯穿裂缝。 最后在应力变化的影响下,根据岩 体下沉、应力波传播等因素,确保围岩的稳定性,形成 平整光滑的爆破面。 光面爆破的主要优点是巷道成型规整,超、欠挖现 象少,爆破后很少产生炮震裂缝,围岩相对稳定,满足 了矿井安全生产及质量标准化要求。
3 炮眼设计
3. 1 炮眼参数 岩巷掘进时需要根据规定在工作面上布置三种炮 眼:周边眼、掏槽眼和辅助眼。 要获得较为合理的爆破 效果,需要合理安排三种炮眼的爆破顺序。 常规情况 下,起爆顺序为掏槽眼、辅助眼、周边眼。 三种炮眼的 布置需基于《井巷工程施工及验收规范》具体要求,设 计炮眼的利用率需大于 85% ,要求前面起爆炮眼不能 影响后面起爆炮眼的完整性。
3. 2 爆破控制参数设计 岩巷掘进通常采用光面爆破,炮眼应布置在断面 设计轮廓线上,才能掘出较光滑完整的断面,眼底控制 应在巷道断面轮廓线外 50mm 内。 可采用的光面爆破 参数为:炮眼间距 E = 500 ~ 700mm,最小抵抗线 W = 4 550 ~ 700mm,炮眼装药集中度 q = 120 ~ 160g / m,炮眼 密集系数 m= 0. 8 ~ 1. 2。 使用崩落爆破法时,爆破参数为:炮眼间距 E = 500 ~ 700mm,最小抵抗线 W = 550 ~ 700mm,炮眼密集 系数 m= 0. 8 ~ 1. 2,单位耗药量 q = 0. 5 ~ 0. 7kg / m 3 。
4 周边控制爆破影响因素
4. 1 眼间距 眼间距是决定光面爆破效果的重要因素,眼间距 布置合理与否与光爆效果直接相关[5] 。 可根据豪柔公 式﹑断裂力学等理论分析方法对眼间距进行计算,也 可根据爆破施工经验方法进行估测。
4. 1. 1 爆破施工经验方法确定眼间距 根据爆破施工工程经验,眼间距一般为炮孔直径 的 10 ~ 15 倍,即: E= (10 ~ 15) ×db (1) 式中:E 为眼间距,db 为眼直径。
4. 1. 2 周边眼间距 周边眼间距是光面爆破的重要参数之一。 可根据 以下内容确定周边眼间距参数范围:在软岩和层理节 理发育的岩层上,眼间距应小,抵抗线应大;在坚硬稳 定的岩层上,眼间距应大,抵抗线应小。 巷道光面爆破 的周边眼间距可取 400 ~ 600mm。
4. 2 最小抵抗线 最小抵抗线即光面层厚度也是光面爆破的重要参 数之一,最小抵抗线影响周边眼间裂纹的形成和开挖 后巷道围岩的稳定。 周边眼间距与其最小抵抗线存在 一定比例关系,即: m= a W (2) 式中:m 为炮眼密集系数;a 为周边眼间距,mm;W 为最小 抵 抗 线, 即 最 外 一 圈 辅 助 眼 与 周 边 眼 的 距 离,mm。
4. 3 装药结构 岩巷掘进时,光面爆破法通常采用不耦合装药结 构。 常用的光面爆破装药结构为径向空气间隙不耦合 和轴向空气垫层不耦合装药,在确定装药结构参数时 应从以下两方面考虑: ①要使围岩无过度压缩性破坏,应保证作用在眼 壁上的初始压力小于岩石动态抗压强度; ②要保证炮眼连心线方向孔壁起裂,作用于眼壁 上的初始拉力要大于岩石的抗拉强度。
5 爆破方案的设计
5. 1 工程概况 本文以某矿 11 采区轨道下山下段中下段平车场 为例展开研究,巷道断面为半圆拱断面,巷道具体尺寸 如下:净尺寸为宽 4. 8m、墙高 1. 5m、拱高 2. 3m、S净 = 16. 25m 2 。 掘进断面为宽 5m、墙高 1. 6m、拱高 2. 4m、 S掘 = 17. 82m 2 。
水沟深×宽×壁厚 = 0. 3m×0. 3m×0. 1m。
上部平车场掘进长度为 27m,下部平车场掘进长度 为 97m。
目前,巷道在掘进过程中存在如下问题:该矿根据 围岩硬度将周边眼距定为 350 ~ 420mm,最小抵抗线距 离确定为 500mm。
周边眼全部预留光爆层,光爆层厚 度为 500mm,眼痕率达到 50% 以上。
目前而言,巷道在掘进过程中存在爆破效率不高、 爆破效果不够理想的情况。
炮眼布置情况如图 1 ~ 图 4 所示。
图 1 采区轨道下山下段平车场炮眼布置正视图
图 2 采区轨道下山下段平车场炮眼布置俯视图
图 3 采区轨道下山下段平车场炮眼布置侧视图 5
图 4 炮眼装填结构示意图
5. 2 炮眼密集系数 一般情况下,周边眼间距 a 与最小抵抗线 W 的比 值如下: m= a W = 0. 8 ~ 1. 0 (3) 当 m>1 时,爆破时易出现眼间裂缝,周边眼尚未 沟通应力波已传至二圈眼,光面眼会变成偏斗爆破;当 m= 1 时,爆破时裂缝形成较好。
当 m = 0. 5 时,光面层 不易爆破下来。
实践表明,m = 0. 8 ~ 1. 0 时,爆破效果 较好[6] 。
当 m1 时,会出现欠挖, 如图 5、图 6 所示。
图 5 超挖图(m<1) 图 6 欠挖图(m>1. 5) 有关地下工程光面爆破参数如表 1 所示。
表 1 光面爆破参数 岩石种类 饱和单轴抗压极限强度 Rb / MPa 装药不耦合系数 B 周边眼间距 a / mm 周边眼最小抵抗线 W/ mm 相对距 a / W 周边眼装药集中度 q / kg·m -1 硬岩 >60 1. 25 ~ 1. 50 550 ~ 700 700 ~ 850 0. 8 ~ 1. 0 0. 30 ~ 0. 35 中硬岩 30 ~ 60 1. 50 ~ 2. 00 450 ~ 600 600 ~ 750 0. 8 ~ 1. 0 0. 20 ~ 0. 30 软岩 ≤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,原周边眼布置方案的 m 值为 0. 7 ~ 0. 84,将周边眼间距 a 调整为 400 ~ 500mm 后,得到 m 值为 0. 8 ~ 1. 0,或在原周边眼间距不变的 情况下,将最小抵抗线 W 调整为 420mm,得到 m 值为 0. 83 ~ 1. 0,爆破效果得以优化。
6 贵州典型岩巷掘进周边眼参数的确定
以贵州毕节地区典型的岩巷掘进为例,煤炭资源 的主要含煤地层为上二叠纪龙潭组,煤矿井下岩石巷 道围岩一般为灰岩、泥岩、砂岩等。 基本为中硬岩,普 氏系数为 4 ~ 6。 通过上述力学原理,调整周边眼间距、最小抵抗 线、炮眼密集系数、装药结构及炮眼数目等参数,得出 贵州地区典型岩巷掘进周边眼爆破参数,如表 2 所示。
表 2 贵州地区典型岩巷掘进周边控制爆破参数 岩性 周边眼间距 / mm 最小抵抗线 / mm 炮眼密集 系数 装药结构 中硬岩 400 ~ 600 500 ~ 750 0. 8 ~ 1. 0 不耦合装药结构
7 结束语
综上分析,在矿山岩巷掘进过程中,周边控制爆破 影响因素及参数优化应用空间较大,能较好地提升井 下岩巷掘进质量和效率。 结合光面爆破技术的具体应 用情况,采用光面爆破掘进法时设计的爆破参数将直 接影响井巷的爆破效果和爆破效率,决定岩巷掘进中 的掘进效率和掘进成本。 上述内容表明,通过数据分 析对采区轨道下山下段平车场周边控制爆破参数的诸 多影响因素进行优化后,掘进的炮眼利用率得到提升, 消耗炸药量减少。
参考文献:
[1]王步康. 煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分 析[J]. 煤炭科学技术,2020,48(11):1-11.
[2]郭进平,王靖,李角群. 中深孔爆破炮孔布置优化设 计研究[J]. 爆破,2017,34(03):79-84+89.
[3]王怀勇,裴斌,王顺,等. 光面爆破在节理裂隙发育巷 道掘进中的试验研究[J]. 中国矿业,2019,28(S2):373-376.
[4]李盟,朱哲明,肖定军,等. 煤矿岩巷爆破掘进过程 中周边眼对裂纹扩展止裂机理 [ J]. 煤炭学报, 2017, 42 (07):1691-1699.
[5]徐帮树,张万志,石伟航,等. 节理裂隙层状岩体隧 道掘进爆破参数试验研究[ J]. 中国矿业大学学报,2019,48 (06):1248-1255.
[6]杨仁树,王越,林志博. 煤矿岩巷爆破掘进炮孔密度 优化研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(01):183-191. 基金项目: 毕节地区煤矿防治水工程研究中心(毕科联合〔2023〕 11 号)。
作者简介: 杨芸森 (1999 -), 男, 苗族, 贵州思南县人, 本科, 从事煤矿开采技术工作。
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“矿山岩巷掘进周边控制爆破影响因素及参数优化研究” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：贵州工程应用技术学院矿业工程学院
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2025年03月25日 ~ 27日 
