傅菊根
(淮南工业学院，淮南232001)
摘自《工程爆破文集》第七辑
摘 要 立井井筒在坚硬岩石中钻眼设备的选择和爆破参数的优化设计，在工程实践中应用取得了良好的效果。
关键词 立井井筒，坚硬岩石，爆破设计
1 概述
曲江矿是江南大型煤矿，设计年产量为90万吨，采用立井开拓，共布置三个井筒：主井、副井和风井。井筒主要穿过泥岩、砂岩和灰岩，采用钻爆法施工，YT—23型凿岩机钻眼，水胶炸药和乳化炸药、毫秒延期电雷管起爆。在泥岩中施工时，由于岩层较软，打眼速度快、爆破效率高，在眼深1.6m的条件下，循环钻眼时间一般不超过3小时，炮眼利用率均在95％以上，三个井筒的月成井均在60m以上，最高达到119.2m。但施工到182m厚的灰岩时，因灰岩坚硬(ƒ=12)，不仅钻眼时间长(循环钻眼时间7～8小时)，爆破效果也明显下降，炮眼利用率不到70％。经分析我们认为，其主要原因有两个方面：一是凿岩设备选择不合理、功率过小、钻眼速度慢；二是爆破参数不合理。因此我们根据曲江矿施工单位的具体情况，对凿岩设备进行了重新选择，并对爆破参数进行了优化设计，工程实践表明爆破效果良好。
2 凿岩设备的选择
2.1 凿岩机
按普氏分级表，对于ƒ =12的岩石，属于坚硬岩石，可钻性很低。首选凿岩设备为伞型钻架配备YGZ一70或YGZ一90重型凿岩机。这种凿岩设备不仅钻眼速度快，而且工人劳动强度低，但由于施工单位不具备此条件，故我们选用YTP一26型高频凿岩机，与YT一23型凿岩机相比，其特点是冲击功率大、频率高、扭矩大，较适用于中硬以上的岩层。
2.2 凿岩钻具
一般情况下，煤系地层岩层较软，煤矿井巷掘进中常用高碳钢钎杆，然而在较坚硬岩层中，这种钎杆却难以胜任。据了解，施工进入灰岩段以来，每循环至少折断35根钎杆。因此我们选用2K35SMnMoV型合金钢钎杆，它具有强度高、抗疲劳性能好等优点。仍采用一定型合金钎头，这种钎头较适用于硬岩中钻眼，具有较快的钻眼速度。
3 爆破器材
为了降低爆破成本，而又不影响爆破效果，选用淮北矿务局化工厂生产的岩石水胶炸药和江西英岗岭化工厂生产的乳化炸药。水胶炸药与乳化炸药相比，其爆炸威力大，因此用于掏槽眼装药和崩落眼的底部装药，乳化炸药用于崩落眼的上部装药和周边眼的光爆装药。雷管选用英岗岭化工厂生产的毫秒延期电雷管。
4 爆破参数设计
本文以主井井筒为例介绍井筒灰岩段掘进爆破参数设计。主井井筒净径5.0m，灰岩段掘进荒径为5.8m，
4.1 掏槽方式及爆破参数
在井筒掘进中，掏槽眼的爆破效果在很大程度上决定着其它炮眼的爆破效果，直接影响掘进速度和掘进成本。根据我们在实验室对立井掘进直眼单阶筒形掏槽、双阶筒形掏槽、孔内微差分段掏槽和锥形掏槽爆破模拟试验结果，孔内微差分段掏槽和锥形掏槽方式。在硬岩掘进爆破中能获得较高的炮眼利用率。但锥形掏槽的炮眼角度难以掌握，所以我们选用孔内微差分段掏槽方式。
掏槽爆破是在仅有一个自由面的条件下进行的，爆破破岩难度较大。我们可将其破岩作用视为各槽眼爆破作用的叠加，同时起爆的槽孔装药使炮孔周围形成径向和环向裂隙，并在槽腔中交汇成一空间裂隙网，将岩石割裂成碎块，在爆轰气体的膨胀作用下抛出。因次，要保证岩石充分破碎就必须使槽眼的布置圈径满足
Φ≤2R (1)
式中：Φ为槽眼的布置圈径；R为单孔装药爆破后形成的裂隙圈半径。
根据应力波破岩理论，裂隙圈半径可用如下公式计算
 (2) 式中：λ为压侧力系数，λ=μ／(1—μ)；μ为岩石的泊松比；P2为炮孔孔壁上初始爆炸压力；σT为岩石的单轴抗拉强度；α为应力波衰减指数，α=2-λ；rb为炮孔半径。因此有
 (3) 根据明捷利公式确定掏槽爆破的单位耗药量
 (4) 式中：ƒ为岩石的普氏系数；S为槽腔断面面积；K1为考虑到单个自由面作用下，岩石受夹制作用较大而对公式修正系数，K1=1.2～1.4；c为考虑装药直径系数，药卷直径为35mm时，C=0.94；K为炮孔深度修正系数，当炮眼深度为1.6m时，K=1.0；Ψ为密度校正系数，Ψ=0.78～0.8；e为爆力修正系数，e=360/P，P为爆力。因此槽腔破碎所消耗的炸药为：
 (5) 式中：η为炮眼利用率；Lb为炮眼深度。因此单个槽孔的装药量为
 (6) 式中：N为掏槽眼数目。
4.2 周边眼光爆参数
为了保证周边眼的光爆效果，周边眼用ф32mm ×200mm，150g规格的乳化炸药。采用不耦合空气柱装药结构，如图1所示。在上述条件下，炮孔壁上的冲击压力为
 (7) 式中：ρ0为炸药密度；D为炸药爆速；de为药卷直径；db为炮孔直径；Le为炮孔装药长度；La为空气柱长度；n为爆轰产物撞击孔壁的压力增大系数，n=8～10。
令P2=Kbσc(σc为岩石单轴抗压强度；Kb为在体积应力状态下岩石抗压强度增大系数，一般Kb=10)。忽略炮泥长度，即Le+La≈Lb，炮孔的装药长度为
 (8) 周边眼单孔装药量为
 (9) 周边眼的眼间距是根据下述公式确定的
 (10)4.3 崩落眼爆破参数
由于崩落眼一般对井巷掘进爆破的块度影响较大，而对掘进进尺和周边成型影响小，因此崩落眼的爆破参数一般按工程类比或经验确定。根据我们在粗砂岩和片麻岩中进爆破经验，崩落眼的爆破参数为：圈距400~700mm，眼间距为750mm，单孔装药量为5卷炸药，其中底部装1卷ф35mm×400mm×500g的水胶炸药，上部装4卷ф32mm×200mm，150g的乳化炸药。
根据理论计算和工程类比，所得主井井筒爆破参数见表1，装药结构见图1，炮眼布置如图2。
5 爆破效果
通过改用钻眼设备和优化爆爆破参数后，钻眼时间由原来的7～8小时缩到短4～5小时，平均炮眼利用率提高到85％以上，消除了欠挖，超挖现象也大为减少，平均周边眼半眼痕率达到70％以上，破碎块度较为均匀，利于抓岩出矸，掘进速度提高，成本下降。此后，将此成功的爆破经验推广应用到副井和风井，也同样获得了良好的爆破效果，经济效益和社会效益显著。
表 1 立井井筒爆破参数
Tabl.1 Blasting parameters in vertical well tube
|
炮眼名称 |
眼数/个 |
眼深/m |
圈经/m |
眼距/mm |
单孔装药/卷 |
单孔药量/kg |
装药量/kg |
起爆顺序 |
|
掏槽眼 |
6 |
1.8 |
1.2 |
630 |
3 |
1.5 |
9.0 |
I、II |
|
崩落眼 |
8 |
1.6 |
2.0 |
750 |
1+4* |
1.14 |
8.8 |
III |
|
崩落眼 |
14 |
1.6 |
3.4 |
750 |
1+4* |
1.1 |
15.4 |
IV |
|
崩落眼 |
20 |
1.6 |
4.7 |
750 |
1+4* |
1.1 |
22.0 |
V |
|
周边眼 |
30 |
1.6 |
5.8 |
600 |
3* |
0.45 |
13.5 |
VI |
|
合计 |
78 |
|
|
|
|
|
68.7 |
|
注：*为乳化炸药卷数
图1 装药结构图
1-炸药 2-木条 3-空气柱
Fig.1 Diagram of explosive installation
l-explosive 2-wood piece 3-air columm
图2 炮眼布置图
Fig.2 Diagram of layout of blasting holes
参考文献
1 傅菊根等．立井深孔掏槽方式的模拟试验．矿山建设理论与实践[M]．徐州：中国矿业大学出版社．1994
2 王文龙．钻眼爆破[M]．北京：煤炭工业出版社．1984
3 宗琦．炮孔装药分段爆破的模型试验研究[J]．淮南矿业学院学报．1993．2
4 傅菊根．立井深孔爆破参数设计[J]．淮南矿业学院学报．1995．1
5 陶永生等．关于花家湖矿井筒过片麻岩石的对策[J]．矿业科学技术．1994．3
(来源：中国爆破网)
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