降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法

摘要

本发明涉及一种降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法。为克服现有技术缺陷，本发明崩落眼均分为前后两段，分别称为崩落眼前段和崩落眼后段，崩落眼前段和崩落眼后段分别填装一组炸药卷，所有周边眼和底眼分别填装一组炸药卷，各组炸药卷上分别插设有雷管，上述雷管分别连有脚线，各个脚线另一端分别连接在配用起爆器的相应接线端上，所述雷管均为毫秒延期雷管，崩落眼前段炸药卷内的雷管的延迟时间＜崩落眼后段炸药卷内的雷管的延迟时间＜周边眼炸药卷内的雷管的延迟时间＝底眼炸药卷内的雷管的延迟时间。本发明既可充分发挥炸药的爆破力，减少炸药、雷管用量，又能最大程度地保持巷道、顶板强度，适用于各种矿井的炮采掘进过程中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法，尤其涉及一种以孔内分段微差爆破为基础的新型中深孔光面爆破方法，以适于多种岩石和断面条件下的钻爆掘进，该方法促使了煤矿许用安全爆破器材爆力与岩石抵抗力的合理匹配。

背景技术

巷道掘进工程量在矿山建设和生产中占有较大比重(45％或25％)，钻爆作业是矿山巷道掘进的一种重要方法并占有一定的比例：我国煤矿建设与生产每年需消耗各种炸药数十万吨，雷管约五亿发。因此，其作业效率直接关系到煤矿生产、建设效率和安全状况。中国矿山，尤其是煤矿巷道钻爆掘进存在多种制约条件，限制了破岩作用的完全发挥。首先是受到围岩特性制约，煤矿井巷绝大多数分布在沉积岩层中，并以灰、泥、砂、页、煤等5种沉积岩类为主，具有各向异性和非均质的脆性特征，节理、裂隙丰富，增加了爆破控制难度；其次是瓦斯等易燃易爆有毒气体存在，限制了高性能设备和器材的使用；再就是仅有一个自由面，相似于在无限价值中进行漏斗爆破，夹制作用大，破岩效率受到极大影响。另外，井下巷道空间狭窄，限制了大功率、高效凿岩、装岩以及支护装备的运用，也制约了煤矿岩石巷道的掘进速度。

发明内容

本发明提供一种井下巷道钻爆掘进方法，特别是提供一种降低并固定了巷道断面岩石抵抗力的中深孔光面爆破方法，尤其涉及一种以孔内分段微差爆破为基础的新型中深孔光面爆破方法，以适于多种岩石和断面条件下的钻爆掘进，以及促使煤矿许用安全爆破器材爆力与岩石抵抗力的合理匹配。

本发明降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法包括下述步骤：

①.在待掘进的岩壁上规划出掘进全断面，在掘进全断面上钻多个炮眼，最底层的炮眼为底眼，两侧及顶部最外层的炮眼为周边眼，底眼和周边眼之间的炮眼为崩落眼，

②.所有崩落眼均分为前后两段，分别称为崩落眼前段和崩落眼后段，崩落眼前段和崩落眼后段分别填装一组炸药卷，所有周边眼和底眼分别填装一组炸药卷，各组炸药卷上分别插设有雷管，上述雷管分别连有脚线，各个脚线另一端分别连接在配用起爆器的相应接线端上，

所述雷管均为毫秒延期雷管，崩落眼前段炸药卷内的雷管的延迟时间＜崩落眼后段炸药卷内的雷管的延迟时间＜周边眼炸药卷内的雷管的延迟时间＝底眼炸药卷内的雷管的延迟时间，

③.按常规规程，将设备和人员撤至安全警戒区外，并为电缆和照明设备增加必要的防护，启动起爆器，进行爆破，各个雷管收到触发信号后，先后引爆。(爆破顺序为崩落眼前段→崩落眼后段→周边眼和底眼，待30分钟后才可沿线路检查，若出现拒爆、残爆情况，按《煤矿安全规程》等有关规定采取专门措施进行处理，其余安全事项，仍遵循煤矿爆破现行安全规程)。

④.清除爆破产生的碎石、碎煤及巷道侧壁、顶板、底板的浮煤、浮矸。

⑤.对新形成的巷道进行支护，包括顶板支护和护帮支护；

⑥.回到第①步，反复循环作业，直到完成全部掘进作业。

如此设计，起爆时，起爆器同时发出起爆信号，由于雷管的延时时间不同，总是崩落眼前段的炸药卷先起爆，然后是崩落眼后段的炸药卷起爆，最后才是周边眼和底眼中的炸药卷起爆。

崩落眼前段爆炸产生的冲击和裂缝向四周及纵深发展，崩落眼后段爆炸产生的冲击和裂缝进一步向四周及纵深发展，可充分发挥炸药的爆破力，从而降低了岩石抵抗力，节约了炸药卷及雷管的使用。

最后周边眼和底眼中的炸药卷爆炸时，由于此时，原崩落眼周边的岩壁或煤壁已经被炸碎，故此，其炸药卷爆炸产生的冲击波及裂缝主要向原崩落眼周边的破碎岩壁或煤壁发展和释放，周边眼和底眼外侧岩壁或煤壁得以保全，不伤及将要形成的巷道侧壁和顶板，使固定并保持岩石抵抗力，提高了形成巷道侧壁和顶板强度和抵抗力。

作为优化，第①步所有炮眼钻孔深度为2～2.2米。实践证明，如此设计，掘进效率，速度快。

作为优化，第②步时装填雷管、炸药卷要求如下：

a.周边眼选用一个安装有5段毫秒雷管的炸药卷，堵水炮泥，炮泥封堵长度不小于500mm；

b.崩落眼：崩落眼后段装1个炸药卷，紧接着装一个安装有4段毫秒雷管的炸药卷，堵水泡泥、炮泥400mm长(注意各崩落炮孔堵塞长度一致)，

然后在崩落眼前段炮孔内继续装一个带2段毫秒雷管炸药卷，装药完成后，填装水炮泥，再使用炮泥封堵至眼口；

c.底眼：底眼孔底层装1个炸药卷，紧接着装一个安装5段毫秒雷管炸药卷，装药完成后，填装水炮泥，再使用炮泥封堵至眼口；

以上周边眼、崩落眼前段、崩落眼后段、底眼中所述炸药卷均为直径32mm，长300mm，重量300g的炸药卷。

如此设计，炮孔内部实施分段微差爆破，全断面除周边炮孔以外所有炮孔均匀分布，分段长度相等，在孔间实施群柱状药包同段起爆，在孔内利用微差爆破原理按一定的微差间隔分段顺序起爆。

作为优化，所述炮泥与炸药卷之间填充有彩纸屑或彩带。起爆后，若相应炮眼周边出现相应彩纸屑或彩带，说明相应炸药卷已起爆，否则说明，相应炸药卷未爆炸。如此设计，方便验炮。

作为优化，堵塞炮泥时，拉直崩落眼后段雷管的脚线，并将其挤在炮眼上壁与炮泥之间。如此设计，可防止堵塞炮泥时损坏崩落眼后段雷管的脚线。

本发明煤矿降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法既可在爆破掘进中充分发挥炸药的爆破力，提高炮掘效率，减少炸药、雷管用量，又能最大程度地保持巷道、顶板强度，适用于煤矿及其他矿井的炮采掘进过程中。

附图说明

图1是本发明煤矿降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法的炮眼布置示意图；

图2是本发明煤矿降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法的周边眼、底眼和掏槽眼的装药示意图(沿过炮眼轴心线的竖直平面剖切)；

图3是本发明煤矿降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法的崩落眼装药示意图(沿过炮眼轴心线的竖直平面剖切)。

图中：1底眼、2为周边眼、3为崩落眼、31为崩落眼前段、32为崩落眼后段、4为掏槽、5为掏槽眼、6为底板、7为炸药卷、8为雷管、9为脚线、10为水泡泥、11为炮泥、12为彩带。

具体实施方式

实施例1：如图1-3所示，本降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法包括下述步骤：

①.在待掘进的岩壁上规划出掘进全断面，在掘进全断面上钻多个炮眼，最底层的炮眼为底眼1，两侧及顶部最外层的炮眼为周边眼2，底眼1和周边眼2之间的炮眼为崩落眼3。

(注：需要掏槽的掘进全断面上，还需要先在底板上挖出掏槽4，然后钻出掏槽眼5，略)。

②.所有崩落眼3均分为前后两段，分别称为崩落眼前段31和崩落眼后段32，崩落眼前段31和崩落眼后段32分别填装一组炸药卷7，所有周边眼2和底眼1分别填装一组炸药卷7，各组炸药卷7上分别插设有雷管8，上述雷管8分别连有脚线9，各个脚线9另一端分别连接在配用起爆器(图中未示出)的相应接线端上，

所述雷管8均为毫秒延期雷管，崩落眼前段31炸药卷7内的雷管的延迟时间＜崩落眼后段32炸药卷7内的雷管8的延迟时间＜周边眼2炸药卷7内的雷管8的延迟时间＝底眼1炸药卷7内的雷管8的延迟时间，

③.按常规规程，将设备和人员撤至安全警戒区外，并为电缆和照明设备增加必要的防护，启动起爆器，进行爆破，各个雷管8收到触发信号后，先后引爆。

(爆破顺序为崩落眼前段31→崩落眼后段32→周边眼2和底眼1，待30min后才可沿线路检查，若出现拒爆、残爆情况，按《煤矿安全规程》等有关规定采取专门措施进行处理，其余安全事项，仍遵循煤矿爆破现行安全规程)

④.清除爆破产生的碎石、碎煤及巷道侧壁、顶板、底板的浮煤、浮矸，

⑤.对新形成的巷道进行支护，包括顶板支护和护帮支护；

⑥.回到第①步，反复循环作业，直到完成全部掘进作业。

第①步所有炮眼钻孔深度为2～2.2米。第②步时装填雷管8、炸药卷7要求如下：

a.周边眼2选用一个安装有5段毫秒雷管8的炸药卷7，堵水炮泥10，炮泥11封堵长度不小于500mm；

b.崩落眼3：崩落眼后段32装1个炸药卷7，紧接着装一个安装有4段毫秒雷管8的炸药卷7，堵水泡泥10、炮泥11——400mm长(注意保持各崩落眼3堵塞长度一致)，

然后在崩落眼前段31炮孔内继续装一个带2段毫秒雷管8的炸药卷7，装药完成后，填装水炮泥10，再使用炮泥11封堵至眼口；

c.底眼1：底眼1孔底层装1个炸药卷7，紧接着装一个安装5段毫秒雷管8的炸药卷7，装药完成后，填装水炮泥10，再使用炮泥11封堵至眼口；

以上周边眼2、崩落眼前段31、崩落眼后段32、底眼1中所述炸药卷7均为直径32mm，长300mm，重量300g的炸药卷。

所述炮泥11与炸药卷7之间填充有彩带12(或彩纸屑)。

堵塞炮泥11时，拉直崩落眼后段雷管8的脚线9，并将其挤在炮眼上壁与炮泥11之间。

本发明目的是通过如下技术方案予以实现：

1.将钻爆掘进断面的岩石抵抗力降低并予以固定。方法是在炮孔内部实施分段微差爆破，全断面除周边孔、掏槽孔以外所有炮孔均匀布孔，分段长度相等，在孔间实施群柱状药包同段起爆，在孔内利用微差爆破原理按一定的微差间隔分段顺序起爆。从而对整个爆破岩体进行分段破岩、抛掷。其裂缝不超过岩石的抵抗线，以此降低夹制力和增加有效破坏力，解决炮孔加长后抵抗线增大难以爆破问题。

2.通过增大爆炸气体压力提升爆破器材对岩体的最有效破坏力。通过增加每个炮孔的堵塞体数量n来增加摩擦力，使得爆炸气体压力扩大n倍，从而增加了岩体的最有效破坏力。

3.通过合理孔深使得孔底最大抗爆力与器材破岩能力得到合理匹配，从而改变炮孔底部的岩石的抗爆力。因其前段装药爆破可给后段装药爆破创造新自由面，导致岩石抗爆力重新分布，孔底最大抗爆力减少，并通过合理孔深求取使孔底最大抗爆力f

4.改变和降低工作断面的夹制系数，从而降低工作面夹制作用，提高爆破效果。将整个断面岩体分为前后两段，先爆药包对岩体的破坏和抛掷，使岩石在空间上产生位移，为后段爆破创造新自由面和更多的或大或小的裂隙辅助自由面。虽然自由面个数没增加，但是单次爆破自由面扩大到整个工作面，使岩石夹制作用大大减小(由K＝L/B，L一定时，B增大，K减小)，有利于爆破破岩。

5.将掏槽爆破技术与孔内分段微差爆破方法结合，弥补了小直径炸药卷的局限性，取得了国内矿山，尤其是煤矿巷道现场爆破的良好适应性。

1.煤矿巷道概况

在某煤矿103采区总回风道巷道进行降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法设计与实施。其巷道情况为：巷道设计为直墙半圆拱型，净断面面积为5000mm×4000mm，设计长度1710.4m，设计坡度8°下山、18°下山，0‰、3‰下坡；巷道井底车场相连，巷道四邻没有其它巷道施工；巷道处于结构简单的10煤层底板，厚度2.0m～3.85m,平均厚度2.9m；巷道岩性以粉砂岩和细砂岩为主，泥岩次之，泥岩深灰至灰黑色，层倾角变化在5°～21°之间，平均12°，直接顶为粉砂岩，岩性特征为深灰色，块状，致密，局部少含砂质，参差状断口，直接底也为粉砂岩，岩性特征为浅灰黄色，灰色，局部深灰色，块状，致密，见植物化石碎片；掘进正常涌水量约为12m

2.降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法设计

2.1分段长度比和分段药量比

KL表示上下分段长度比，KQ表示上下分段装药量比，L1、L2为上下分段炮孔长度，Q1、Q2为上下分段装药量。即KL＝L1/L2，K＝Q1/Q2。

根据利氏爆破漏斗理论，装药在介质中爆破时，药量不变、减小埋深与埋深不变、增加药量在最佳埋深范围内，爆破效果类似。因此分段长度比和分段药量比相互制约。KL和KQ间的关系为：

式中：K

2.2孔深L

自由面反射为拉伸波能量的延伸深度(L)与单次起爆爆区宽度(B)(即除周边孔外的爆区面积)成正比,即：L＝KB，K为夹制系数。K越大，岩石夹制作用越大，爆破效果越差；反之，K越小,岩石夹制作用越小,爆破效果越好。选取何为最佳值，亦为关键。资料表明K值在0.5～1.2之间是比较合理的，本项目试验巷道因断面较大，所以夹制系数基本在0.4～0.5之间。根据5×4m的断面情况，理论计算L＝2.5m～6m，考虑安全炸药爆力较小，且为小直径炸药，确定炮眼深度在2.5m以下。

2.3延迟时间及装药结构

延迟时间用τ表示。据分段装药微差爆破原理，为保证下分段能充分利用上分段创造的新自由面，应有：τ≥t

2.4装药结构

不同的爆破类型需要采取不同的装药结构，才能达到相应的爆破效果和目的。孔内分段爆破确定后，为使炸药能量分布较均匀以提高爆破质量，应进行等量装药、不等量装药的试验，以确定最优装药结构。有资料表明，孔内下段药量取大值，爆破效果更好。

2.5孔距a、排距b

孔距、排距取值范围为￠14～￠20(￠为钻孔直径)较为合理，确定为500mm～600mm。

3.降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法施工要点

3.1打眼要点

(1)周边眼按原工艺；

(2)崩落眼：距巷道底部向上460mm处打第一排崩落眼，每排纵向相距520mm，均匀交错打眼，眼距600mm。中间一排调整眼距如爆破图3所示，眼距周边550mm，崩落眼距500mm。

(3)底眼：眼距470mm。

3.2断面下部装药要点

(1)周边眼，1块药，堵水炮泥，炮泥；

(2)崩落眼，3块药：

①孔底层连续2块药，作炮头，尔后堵水泡泥、炮泥400mm长(注意各崩落炮孔堵塞长度一致)，堵炮泥时，并装入彩带，以方便验炮，再使用软硬适合的黄泥进行第一层封堵，堵塞炮泥时，拉直雷管脚线至炮眼上壁，防止堵塞炮泥时损坏雷管脚线；

②上层孔段装药1块，装药完成后，填装水炮泥，再使用黄泥封堵至眼口；

③孔底层炮头为4段毫秒雷管，孔上层炮头为3段毫秒雷管；

④周边眼及底眼为5段毫秒雷管。

(3)底眼装药：2块药，按老工艺装药。

3.3爆破网络。串并联。

3.4一次打眼、一次装药、一次爆破。

3.5提高周边眼炸药能量定向强度，采用便捷式能量定向光爆技术。

4安全技术措施

(1)放炮点及放炮警戒位置距爆破地点120m-200m。

(2)抛掷作用较强，实施时，注意观察爆破振动情况，观察爆破前后涌水量变化情况。

(3)放炮30min后，等炮烟吹净后，由放炮员、瓦斯检查员和带班班长进入现场检查。确认正常安全后，其他人员方可进入。检查结果符合规定，才可恢复爆区供电，进行下一步生产。

(4)钻孔、装药和放炮人员必须经南京所技术人员现场讲解、培训，方可上岗工作。

(5)对雷管进行导通测试，剔除可能不合格的雷管。

(6)施工前应做到的准备工作：

①工作面后50m范围内的巷道支护应加固检查。

②爆破前把机械设备移到安全警戒区外，电缆和照明设备等使用竹笆、木板等进行严密的防护。

(7)装药前、装药过程中和放炮前后，专职的瓦斯检查员必须对放炮地点及回风流中瓦斯浓度进行检查，超过0.1％时，不得作业。

(8)防止爆破网络个别中断造成拒爆措施。由于降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法一般适于全断面一次爆破，为使起爆可靠，爆破网络连接需要可靠，爆破前应对网络测阻，保证网络可靠，防止丢炮等现象发生。

(9)通电以后拒爆时，放炮员必须先取下起爆器钥匙，并将放炮母线从电源上摘下，扭接成短路，至少等30min后才可沿线路检查。

(10)若出现拒爆、残爆情况，按《煤矿安全规程》等有关规定采取专门措施进行处理。

(11)其余安全事项，仍遵循煤矿爆破现行安全规程。

降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法与常规爆破比较，可能存在的安全隐患及其防范措施为：

(1)爆破网络个别中断，造成拒爆。由于降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法可以减少相当量的炮孔数，所以爆破网络可以采用并联方式，使得电雷管可以同时获得电起爆能量。

(2)分段爆破孔内药柱殉爆，使得降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法失败。乳化炸药、水胶炸药等矿用炸药均存在最大殉爆距离，在设计装药结构时，通过设计合理的间隔距离、保证堵塞质量规避。必要的情况下，可以标准化的堵塞体予以防范。

(3)孔内分段装药中，低段雷管未爆，被后爆装药推进爆后矸石中，增加不安全因素。低段雷管未爆，有三种情况，一是毫秒雷管精度不够，造成跳段爆破；二是雷管本身拒爆；三是爆破网络质量。

针对第一种情况，可在孔内分段中采用跳段装药。如1、4段等；第二种情况，一般不会发生。因为我国矿用雷管合格率，目前已基本达到千分之一合格率，即便这千分之一合格率，也不全是拒爆。因而拒爆率更低。其次，可通过自身进行导通测试，剔除可能的不合格雷管。三是即便发生拒爆，由于降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法孔距较大，相邻炮孔影响较小，而孔底装药难以将其抛出，而会继续留在岩面上易被发现处理。针对第三种情况，则应保证爆破网络质量，采用合格发爆器等。

5.爆破条件及参数

5.1爆破条件

炸药、雷管、发爆器、凿岩机、钎头等器材、机具与一般煤矿钻爆掘进作业完全相同，仅爆破工艺采用降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法掘进，考虑一般煤矿用发爆器实际一次起爆雷管能力，且断面较大，为达到可靠起爆效果，仅在巷道断面下部进行降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法试验。

2.爆破器材

采用PT-473型矿用水胶炸药或三级煤矿许用乳化炸药，规格Φ27×400mm，8#毫秒延期电雷管；爆破网路采用串并联。用FD-200Z电容式发爆器起爆(发爆能力200发，最大外接负载1220Ω，峰值电压≥2800V)。

3.爆破参数

(1)炮眼数仍为46个，但不设掏槽眼，断面均匀布眼，炮眼水平间距600mm，排间距500mm，炮孔深度2m～2.2m；

(2)每个炮眼内装药两段，两发雷管起爆；各段连续正向装药，以黄泥、水炮泥作为封堵材料，封堵总长度遵从规程，中间炮泥根据情况封堵长度为300mm～400mm；

4.爆破网路

采用左右对称串联再行并联；爆破网络计算情况如下：

当使用正常低压铜芯电缆放炮时：I串＝U/(R1+R2)

式中：I串—通过串联线路总电流(A)；U—放炮电源电压U＝2800V；R1—母线电阻R1＝0.075×150/1.5＝7.5Ω；R2—串联雷管电阻R2＝R0×n；R0—单发雷管电阻(3.2-4.9Ω)，R0取4.9Ω；n—串联雷管个数，n＝54发；R2＝54×4.9＝264.6Ω；I0—串联雷管最小准爆电流，I0取1.2A I串＝2800/(7.5+264.6)＝10.29A。I串＞2I0，由此可见，上述爆破器材选择满足放炮要求。

5.装药结构设计如图1、2所示。

采用分层装药结构，各层连续正向装药，以黄泥、水炮泥作为封堵材料，封堵总长度遵从规程。中间炮泥根据情况为300mm-400mm。

6.煤矿巷道降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法现场试验效果及分析

降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法在器材增量不大情况下，取得了循环进尺、炮眼利用率、岩石破碎块度、光爆效果等良好的综合爆破指标，减少了掘进爆破雷管的使用段数。实际进尺1.8m～2.0m，炸药循环消耗量30.2kg，雷管循环消耗量63发。相对于原风井爆破方案在循环进尺方面增加了20％，炮眼利用率增加了8％，光面爆破效果也比原方案更好，爆破岩石块度小且均匀，便于装运。

降低并固定岩石抵抗力的钻爆掘进方法与一般钻爆掘进方法在煤矿巷道应用的技术参数及其对比表1

以上实施例只是对本发明的举例说明，本发明专利保护范围包括但不限于上述实施例，任何符合本专利权利要求书描述的技术方案，均属于本发明的保护范围。