深孔聚能爆破掏槽技术在张小楼井掘进实践中的应用

摘要：针对庞庄煤矿张小楼井传统的钻爆法施工中存在的机械作业效率低、单循环进尺小且爆破作业的安全性难题，基于聚能定向爆破效应，创造性地设计出多缝线射流聚能药卷，可在煤层获得较大范围爆生裂隙网，增大炮孔间距，大大减少钻孔工作量，提高岩石破碎度；同时采用双楔形掏槽爆破，所需掏槽眼数目较少，单位耗药量小，具有极大的优势。因此此高效掏槽技术可在硬岩巷道爆破掘进中进行试验，对解决张小楼井大断面硬岩巷道的安全快速掘进难题有极大的参考价值。

关键词：深孔聚能定向爆破 掏槽技术 硬岩巷道 快速掘进

0 引言

我国煤炭开采以井工为主，巷道掘进量非常大。为了加快建井速度，目前高产高效矿井提倡开拓巷道多做煤巷少做岩巷，但当巷道服务年限较长，或者矿山压力较显现时，为减少支护难度，一般选择岩巷来进行开拓和准备[1]。虽然岩巷掘进推广使用液压钻车、钻装机械，使掘进装载机械化程度达到了80%，但钻眼爆破法容易出现超挖或者欠挖，如果装药不当，有可能对巷道围岩造成损伤，增加支护的难度[2]。如果仍采用传统的钻爆法施工，则不足以满足矿井安全高效的要求。

庞庄煤矿张小楼井埋深大、围岩坚硬，普氏系数在8以上，有的甚至达到了12，致使岩巷掘进困难，岩巷掘进爆破施工技术主要为“浅眼多循环”爆破施工技术，这就降低了机械作业效率，不仅降低了单循环进尺，且爆破作业的安全性得不到保证。因此需要优化现有工艺，为此提出采用深孔聚能定向爆破新技术，实现高效掏槽，以解决张小楼井大断面硬岩巷道的安全快速掘进难题。

1 工程概况

庞庄煤矿张小楼井隶属于徐州矿务集团有限公司，矿井位于徐州市西北铜山县柳新镇和刘集镇境内，距徐州市区13km。东邻江苏天能集团柳新煤矿，西邻徐州矿务集团夹河煤矿，南邻庞庄井。张小楼井采用立井、多水平开拓，主要开采煤层为下石盒子组2煤及山西组七煤和9煤。新主井和新副井落底水平为-1025m水平，回风水平为-400m水平，现生产水平为-1025m水平，采用上、下山开采。

张小楼井岩巷集中了深部开采、地应力复杂、岩石坚硬、断面大的特点，由于围岩应力特性十分明显，给巷道凿岩带来了较大的困难。如钻孔效率低、爆破效果差、循环进尺小等特点，因此如何解决巷道快速掏槽，尤其是受夹制力作用较大的坚硬围岩条件下巷道快速掏槽问题就成为亟待解决的问题。其技术难点在于：随着矿井逐渐向深部发展，巷道围岩呈现地压大的特点，常规的凿岩钻孔和爆破技术及其对应机械设备和装置已不能满足安全生产和快速掘进的需要；巷道的开拓，为了最大程度的控制变形，巷道的布置必须选在稳定和比较稳定的岩层中，依靠围岩自身的强度减少围岩的变形。相应的关键技术在于：采用多向聚能掏槽装置，正确设计掏槽参数；依靠高效的凿岩设备，提高掏槽效率，提高循环进尺；采用深孔爆破，合理选择掏槽方式。

2 聚能定向爆破效应

爆轰产物运动方向具有与表面垂直或大体垂直的基本规律。利用这一基本规律将药包制成特殊形状（如半球形空穴，抛物形空穴、双曲线形空穴、锥形空穴等），爆炸时靠空穴闭合产生高压、高密度、高速度的运动气体流，使爆轰产物集聚，能量密度提高。沿轴线向外射出的高能量、高密度聚能流的现象称之为聚能效应，又称诺尔曼效应[3]。

聚能药卷维持了炸药爆轰的稳定传播，高压爆生气体的“气楔效应”是聚能方向的压缩径向裂纹得到扩展的主要驱动力，同时也抑制了非切缝方向压缩径向裂纹的发展，在定向裂纹扩展中占有主要的地位[4]。

3 深孔聚能定向爆破高效掏槽技术

3.1 聚能药包 对传统药包在结构上进行了改造，聚能药包由PVC套管、矿用乳化炸药等组成，设计出多缝线射流聚能药卷，其原理是在PVC套管上管壁环向映射布置加工成多条狭长缝形成多缝线射流聚能药卷，示意图见图1所示，可在炮孔径向形成多股聚能射流，实现爆炸主裂纹多方向扩展，在聚能槽周围孔壁集中受力，最易形成裂纹，尔后在爆生气体作用下快速扩展，切割岩石形成碎块[5]。

3.2 爆破方式 目前张小楼井岩巷掘进爆破施工技术主要为“浅眼多循环”爆破施工技术。这就降低了机械作业效率，增加辅助作业量，延长了辅助作业时间，不仅降低了单循环进尺，也降低了月进尺，且爆破作业的安全性得不到保证。

国内外岩巷施工的大量经验表明，加大每个循环的爆破深度可以减少设备的移动和间歇时间，减少工序的交换和辅助工作时间，利于多台钻机机械化作业，加快井巷掘进速度。但是炮孔深度增加并不一定意味着循环效率提高，也并不能改善炸药能量的合理分配。提高循环效率的关键在于以合理的爆破设计为基础，最大限度地提高炸药能量利用率，以提高炮眼利用率，同时减少炮孔数量，缩短循环时间。另一方面，由于炮孔深度增加，使施工人员常存在着惧怕爆不下来的心理，往往装药量较多，造成超挖严重，围岩成型效果不高，围岩松动破坏。不仅增加了出矸量和锚护材料消耗，也降低了巷道的稳定性。因此，爆破方案的选择应根据现场工程条件、技术条件、施工机具、人员配置和施工安全性综合考虑。经研究和实验，确定采用深孔全断面一次起爆爆破方式，可增加炮眼深度，以便增加单循环进尺，增加一次爆破岩石量，减少打眼装药等辅助作业。

3.3 掏槽方式 要改善巷道整体爆破效果，必须通过掏槽方式人为地创造新的自由面，掏槽眼将自由面上某部位的岩石顺巷道前进方向掏出一个凹槽作为第二个自由面，以利其他炮眼爆破时提高炮眼利用率，它是决定爆破效果的关键。

由于巷道断面较大，岩石硬度大，深孔爆破时双楔形掏槽方式具有较好的掏槽效果。其掏槽机理是，一阶掏槽爆破后，在应力和爆轰波气体的综合作用下，槽腔内岩石被破碎并向工作面方向推移，形成漏斗形槽腔，为二阶掏槽创造了一个新的自由面，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；同时还造成岩石中的残余应力和大量的爆生裂隙以增强岩石的破碎[6]。研究结果表明，双楔形掏槽可以增大槽腔体积，提高掏槽深度，抛掷作用下，爆堆集中，利于装岩。采用双楔形掏槽爆破，一阶掏槽和二阶掏槽间隔时间25ms。

在起爆的先后顺序上，确定第一阶掏槽眼为一段，第二阶掏槽眼为二段。

4 结论

①基于聚能爆破定向致裂效应，创造性地设计出多缝线射流聚能药卷，可在煤层获得较大范围爆生裂隙网，增大炮孔间距，大大减少钻孔工作量，提高岩石破碎度。②针对张小楼井岩巷断面大、岩石硬度大、受夹制作用强的特点，采用双楔形掏槽爆破，所需掏槽眼数目较少，单位耗药量小。③此高效掏槽技术可在硬岩巷道爆破掘进中进行试验，对解决张小楼井大断面硬岩巷道的安全快速掘进难题有极大的参考价值。

参考文献：

[1]闫日武，王高.大断面岩巷快速掘进技术[J].建井技术，2002，

23（1）：6-8+39.

[2]崔增祁，李树青.岩巷施工技术的回顾与展望[J].建井技术，1996，38（Z2）：3-5.

[3]郭德勇，裴海波，宋建成等.煤层深孔聚能爆破致裂增透机理研究[J].煤炭学报，2008，33（12）：1381-1385.

[4]李清，梁媛，任可可.聚能药卷的爆炸裂纹定向扩展过程试验研究[J]，岩石力学与工程学报，2010，29（8）：1684-1689.

[5]郭德勇，宋文健，李中州.煤层深孔聚能爆破致裂增透工艺研究[J].煤炭学报，2009，34（8）：1086-1089.

[6]张炜，张东升，邵鹏，王旭锋.深部高应力岩巷快速钻爆施工技术[J].煤炭学报，2011，36（1）：43-48.

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