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立井井筒堅硬巖石爆破設計

2010-02-23 12

 

傅菊根

(淮南工業學院,淮南232001)

摘自《工程爆破文集》第七輯

    立井井筒在堅硬巖石中鉆眼設備的選擇和爆破參數的優化設計,在工程實踐中應用取得了良好的效果。

關鍵詞  立井井筒,堅硬巖石,爆破設計

 

1  概述

曲江礦是江南大型煤礦,設計年產量為90萬噸,采用立井開拓,共布置三個井筒:主井、副井和風井。井筒主要穿過泥巖、砂巖和灰巖,采用鉆爆法施工,YT23型鑿巖機鉆眼,水膠炸藥和乳化炸藥、毫秒延期電雷管起爆。在泥巖中施工時,由于巖層較軟,打眼速度快、爆破效率高,在眼深1.6m的條件下,循環鉆眼時間一般不超過3小時,炮眼利用率均在95%以上,三個井筒的月成井均在60m以上,最高達到119.2m。但施工到182m厚的灰巖時,因灰巖堅硬(ƒ=12),不僅鉆眼時間長(循環鉆眼時間78小時),爆破效果也明顯下降,炮眼利用率不到70%。經分析我們認為,其主要原因有兩個方面:一是鑿巖設備選擇不合理、功率過小、鉆眼速度慢;二是爆破參數不合理。因此我們根據曲江礦施工單位的具體情況,對鑿巖設備進行了重新選擇,并對爆破參數進行了優化設計,工程實踐表明爆破效果良好。

 

2  鑿巖設備的選擇

2.1  鑿巖機

按普氏分級表,對于ƒ =12的巖石,屬于堅硬巖石,可鉆性很低。首選鑿巖設備為傘型鉆架配備YGZ70YGZ90重型鑿巖機。這種鑿巖設備不僅鉆眼速度快,而且工人勞動強度低,但由于施工單位不具備此條件,故我們選用YTP26型高頻鑿巖機,與YT23型鑿巖機相比,其特點是沖擊功率大、頻率高、扭矩大,較適用于中硬以上的巖層。

 

2.2  鑿巖鉆具

一般情況下,煤系地層巖層較軟,煤礦井巷掘進中常用高碳鋼釬桿,然而在較堅硬巖層中,這種釬桿卻難以勝任。據了解,施工進入灰巖段以來,每循環至少折斷35根釬桿。因此我們選用2K35SMnMoV型合金鋼釬桿,它具有強度高、抗疲勞性能好等優點。仍采用一定型合金釬頭,這種釬頭較適用于硬巖中鉆眼,具有較快的鉆眼速度。

 

3  爆破器材

為了降低爆破成本,而又不影響爆破效果,選用淮北礦務局化工廠生產的巖石水膠炸藥和江西英崗嶺化工廠生產的乳化炸藥。水膠炸藥與乳化炸藥相比,其爆炸威力大,因此用于掏槽眼裝藥和崩落眼的底部裝藥,乳化炸藥用于崩落眼的上部裝藥和周邊眼的光爆裝藥。雷管選用英崗嶺化工廠生產的毫秒延期電雷管。

 

4  爆破參數設計

本文以主井井筒為例介紹井筒灰巖段掘進爆破參數設計。主井井筒凈徑5.0m,灰巖段掘進荒徑為5.8m,

 

4.1  掏槽方式及爆破參數

在井筒掘進中,掏槽眼的爆破效果在很大程度上決定著其它炮眼的爆破效果,直接影響掘進速度和掘進成本。根據我們在實驗室對立井掘進直眼單階筒形掏槽、雙階筒形掏槽、孔內微差分段掏槽和錐形掏槽爆破模擬試驗結果,孔內微差分段掏槽和錐形掏槽方式。在硬巖掘進爆破中能獲得較高的炮眼利用率。但錐形掏槽的炮眼角度難以掌握,所以我們選用孔內微差分段掏槽方式。

掏槽爆破是在僅有一個自由面的條件下進行的,爆破破巖難度較大。我們可將其破巖作用視為各槽眼爆破作用的疊加,同時起爆的槽孔裝藥使炮孔周圍形成徑向和環向裂隙,

并在槽腔中交匯成一空間裂隙網,將巖石割裂成碎塊,在爆轟氣體的膨脹作用下拋出。因次,要保證巖石充分破碎就必須使槽眼的布置圈徑滿足

Φ2R             (1)

式中:Φ為槽眼的布置圈徑;R為單孔裝藥爆破后形成的裂隙圈半徑。

根據應力波破巖理論,裂隙圈半徑可用如下公式計算

                (2)

式中:λ為壓側力系數,λ=μ(1μ);μ為巖石的泊松比;P2為炮孔孔壁上初始爆炸壓力;σT為巖石的單軸抗拉強度;α為應力波衰減指數,α=2-λ;rb為炮孔半徑。因此有

           (3)

根據明捷利公式確定掏槽爆破的單位耗藥量

                    (4)

式中:ƒ為巖石的普氏系數;S為槽腔斷面面積;K1為考慮到單個自由面作用下,巖石受夾制作用較大而對公式修正系數,K1=1.21.4;c為考慮裝藥直徑系數,藥卷直徑為35mm時,C=0.94;K為炮孔深度修正系數,當炮眼深度為1.6m時,K=1.0;Ψ為密度校正系數,Ψ=0.780.8;e為爆力修正系數,e=360/P,P為爆力。因此槽腔破碎所消耗的炸藥為:

               (5)

式中:η為炮眼利用率;Lb為炮眼深度。因此單個槽孔的裝藥量為

                 (6)

  式中:N為掏槽眼數目。

 

4.2  周邊眼光爆參數

為了保證周邊眼的光爆效果,周邊眼用ф32mm ×200mm,150g規格的乳化炸藥。采用不耦合空氣柱裝藥結構,如圖1所示。在上述條件下,炮孔壁上的沖擊壓力為

                 (7)

式中:ρ0為炸藥密度;D為炸藥爆速;de為藥卷直徑;db為炮孔直徑;Le為炮孔裝藥長度;La為空氣柱長度;n為爆轟產物撞擊孔壁的壓力增大系數,n=810。

P2=Kbσcc為巖石單軸抗壓強度;Kb為在體積應力狀態下巖石抗壓強度增大系數,一般Kb=10)。忽略炮泥長度,即Le+LaLb,炮孔的裝藥長度為

                          (8)

         周邊眼單孔裝藥量為   

                                      (9)

周邊眼的眼間距是根據下述公式確定的

 

                                (10)

4.3  崩落眼爆破參數

由于崩落眼一般對井巷掘進爆破的塊度影響較大,而對掘進進尺和周邊成型影響小,因此崩落眼的爆破參數一般按工程類比或經驗確定。根據我們在粗砂巖和片麻巖中進爆破經驗,崩落眼的爆破參數為:圈距400~700mm,眼間距為750mm,單孔裝藥量為5卷炸藥,其中底部裝1ф35mm×400mm×500g的水膠炸藥,上部裝4ф32mm×200mm,150g的乳化炸藥。

根據理論計算和工程類比,所得主井井筒爆破參數見表1,裝藥結構見圖1,炮眼布置如圖2。

 

5  爆破效果

通過改用鉆眼設備和優化爆爆破參數后,鉆眼時間由原來的78小時縮到短45小時,平均炮眼利用率提高到85%以上,消除了欠挖,超挖現象也大為減少,平均周邊眼半眼痕率達到70%以上,破碎塊度較為均勻,利于抓巖出矸,掘進速度提高,成本下降。此后,將此成功的爆破經驗推廣應用到副井和風井,也同樣獲得了良好的爆破效果,經濟效益和社會效益顯著。

1   立井井筒爆破參數

Tabl.1  Blasting parameters in vertical well tube

炮眼名稱

眼數/

眼深/m

圈經/m

眼距/mm

單孔裝藥/

單孔藥量/kg

裝藥量/kg

起爆順序

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

周邊眼

30

1.6

5.8

600

3*

0.45

13.5

VI

合計

78

 

 

 

 

 

68.7

 

注:*為乳化炸藥卷數

1  裝藥結構圖

    1-炸藥 2-木條 3-空氣柱

  Fig.1  Diagram of explosive installation

l-explosive  2-wood piece  3-air columm

 

2  炮眼布置圖

Fig.2  Diagram of layout of blasting holes

 

 

參考文獻

 

1  傅菊根等.立井深孔掏槽方式的模擬試驗.礦山建設理論與實踐[M].徐州:中國礦業大學出版社.1994

2  王文龍.鉆眼爆破[M].北京:煤炭工業出版社.1984

3  宗琦.炮孔裝藥分段爆破的模型試驗研究[J].淮南礦業學院學報.19932

4  傅菊根.立井深孔爆破參數設計[J].淮南礦業學院學報.19951

5  陶永生等.關于花家湖礦井筒過片麻巖石的對策[J].礦業科學技術.19943

 

 


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