關(guān)于召開 2024 山西省煤炭學會煤礦智能化委員會年會暨千人智庫科創(chuàng)服務站工作會的通知

     2005年12月初，晉華宮礦機掘二區(qū)擔任河南12-2301盤區(qū)2116（5116）兩巷的掘進任務, 在機掘過程中，由于破頂巖石堅硬，強度高，單機日開機率平均在18小時左右，單機日進約2.5米，而且，工作面掘進時，粉塵很大，切割頭噴霧裝置正常噴霧灑水也難以滅塵，模糊視線能見度小于3米，且切割頭處火花不斷。

      于是就萌發(fā)了破頂巖實施光面爆破，以解當前進度小，耗費大，作業(yè)環(huán)境差的矛盾。但由于層間距較小，上部為采空區(qū)，防止水有害氣體進入下層工作面，放炮時保護頂板的完整性是爆破工程的主要技術(shù)課題。

      經(jīng)2006年元月開始試驗，效果較好，,巷道成型較理想，頂板無明顯破壞裂紋。

成功地解決了近距下層煤機掘挑頂，上部采空區(qū)、大斷面、硬巖石高效掘進。06年1~11月全區(qū)創(chuàng)經(jīng)濟效益2200萬元。

關(guān)鍵詞:   光面爆破     8116工作面   工藝參數(shù)

一、立項的背景

      2005年12月初，晉華宮礦機掘二區(qū)擔任河南12-2301盤區(qū)2116（5116）兩巷的掘進任務，巷道設計毛斷面高度2.5~2.7米，煤層厚度為1.6米，12-1~12-2層現(xiàn)層間距為3.3~5.2米，西部直接頂為灰色細砂巖、灰白色細砂巖，巖石堅硬（F=16）強度高，中東部為灰白色細砂巖、砂質(zhì)頁巖互層。上部（12-1層）已采空，上、下層工作面對應布置，巷道頂板壓力較大，當時我們采用的支護形式是錨栓、錨索、三腿工字鋼棚聯(lián)合支護。

該盤區(qū)為高瓦斯盤區(qū)，頂板局部有滲水。

      在巷道開口不久，我們經(jīng)過生產(chǎn)實踐得出DOSCO LH1400掘進機只能割頂巖不能割底巖，因此挑頂掘進勢在必行，而且破頂高度0.8~1.2米范圍內(nèi)正是頂板巖石最堅硬段。

      在機掘過程中，由于破頂巖石堅硬，強度高，單機日開機率平均在18小時左右，單機日進約2.5米，完不成礦下達的生產(chǎn)任務，單機日耗截齒100個左右，價值2.5萬元（截齒單價248元），全區(qū)兩臺機組日耗截齒200個，價值5萬元。而且，工作面掘進時，粉塵很大，切割頭噴霧裝置正常噴霧灑水也難以滅塵，模糊視線能見度小于3米，且切割頭處火花不斷。大自然給我們技術(shù)工作者出了一道不大不小的難題，我們必須給出確實可行的施工方案和技術(shù)措施。

      于是就萌發(fā)了破頂巖實施光面爆破，以解當前進度小，耗費大，作業(yè)環(huán)境差的矛盾。但由于層間距較小，上部為采空區(qū)，防止水有害氣體進入下層工作面，放炮時保護頂板的完整性是爆破工程的主要技術(shù)課題。$Page_Split$

二、研究的內(nèi)容及創(chuàng)新點

1、爆破方案的確定

      從截割進度的提高，巖石破碎度大，機組材料耗費少負荷輕的角度來考慮，應采用光面壓頂爆破，但保護頂板的完整性及放炮時保護工作面棚子、機組及其附屬設施是必然條件，而近距離煤層開拓機掘掘進，它可以先掏煤后破頂分步進行，掏完煤后對頂巖爆破又增加了一個自由面，根據(jù)我們的爆破經(jīng)驗和理論推算，在這樣的條件下，采取光面爆破，爆破作用指數(shù)0.75＜N＜1的爆破方案對預留頂板無大的震動，不會造成破壞，因此決定采用分段起爆控制性光面爆破，以保護頂板的完整。

炮眼布置圖及爆破說明書見附圖（1）后附

炮眼全部為直眼，毫秒1、3、5段全串聯(lián)連續(xù)柱狀裝藥正向起爆。其理論根據(jù)見下文分述。

爆破說明書

2、光爆理論根據(jù)討論

      在我們的爆破示意圖中可見附圖1和附圖2，下排眼裝藥，為單排成組藥包的共同爆破。在此爆破中，相鄰兩炮眼同時起爆時，當兩爆炸應力波峰相遇時，，沿應力波的切線方向（垂直于兩炮眼連線）存在著拉應力 ，而在垂直于切線方向上則存在著壓應力 ，兩波相遇產(chǎn)生疊加，結(jié)果在切線方向上產(chǎn)生合成拉力 ，根據(jù)應力波峰干擾理論，在二孔連心線兩波峰相遇處產(chǎn)生疊加，產(chǎn)生二倍單孔的拉應力，首先在二孔中間拉開，并向二孔方向延伸，如果兩孔距離較近，爆生氣體很快沿裂紋逸散。這時其它方向上的徑向裂隙得不到發(fā)展。當兩孔間距很小時，爆生氣體靜壓力作用理論認為，兩孔連線向自由面方向巖石整體移動。當兩孔間距過大，爆生氣體壓力小于炮孔連心面巖石的抗拉強度，則只形成兩孔各自的應力場，而不能貫通。

      光面爆破參數(shù)的確定原則是，盡量不損壞圍巖，保持圍巖的強度和穩(wěn)定性，在保證能形成炮孔間貫穿裂縫并克服孔底巖石粘結(jié)力將巖石從巖體上分割下來的前提下，盡量減小藥量，將周邊孔范圍內(nèi)的巖石爆下來，形成規(guī)整的輪廓面。從光爆機理分析知，要將光爆層爆下來，主要與裝藥集中度（Q）和最小抵抗線有關(guān)；成型是否規(guī)整主要與最小抵抗線（W）炮眼密集系數(shù)（m= )和孔間距（E）有關(guān)。減小圍巖松動，保留半孔痕與不偶合系數(shù)（K）有關(guān)。

3、光爆參數(shù)的擬定

      A、巖體光爆單位耗藥量 和最小抵杭線（W）估算：上述裝藥量集中度（Q）是對空氣間隔裝藥和專用光爆而言，由于我們生產(chǎn)作業(yè)功效、時效和經(jīng)濟效益所限，我們采用 ?40鉆孔，?35三級煤礦許用粉狀乳化炸藥，連續(xù)柱狀裝藥來實現(xiàn)工作面順槽巷挑頂光面爆破。因此計算Q值無實際意義。

      綜合各種因素，我們采用爆破作用指數(shù)0.75＜n＜1 這時爆破藥包的裝藥量：

Q=  q·c·gd·f(n)W3

其中：  q ——爆破單位巖體所需裝藥量，取 q =2.5Kg/m3

   C  ——爆力系數(shù)C= =  =1.2727

   d ——巖石系數(shù)，裝藥量已考慮，取d=1

   g ——堵塞系數(shù)，取g=1.05

   f(n)——爆破作用指數(shù)的函數(shù)，f(n)=0.4+0.6n3

       f(n=1)=1, f(n=0.9)=0.4+0.6 n3=0.8374

   W ——最小抵抗線,取W=0.6 m,

則：標準漏斗爆破的藥包裝藥量，

  Qb＝2.5×1.2727×1×1.05×1×0.63=0.7201(㎏)

  弱裝藥, n=0.9時的裝藥量Q n

   =  =0.8374

Q n= Qb×0.8374=0.6030

實際單位裝藥量  (斷面寬5.9,巖層厚1.2,炮眼深1.2)

 q=   =1.0946㎏/ m3

計算值單位裝q = =1.2947㎏/ m3

B:爆破阻抗區(qū)配的單位裝藥量

根據(jù)  q =

其中： po——  巖石密度：取2.5×103㎏/ m3

    cp——巖石縱波波速取3.3×103㎏/ m3

    Qv——炸藥的爆熱取3497kJ/㎏

  計算得： q ＝0.6906(㎏/ m3)

C:考慮地震波對圍巖引起破壞的裝藥量和單位裝藥量.

 根據(jù)公式Vmax= （ )^a (cm/s)

式中：Q=爆破的總裝藥量 ㎏

    r——距爆心的距離  m，取r =3 m

   n——雷管延期段數(shù)，對分段爆破N=1

    a——衰減指數(shù)a=2

    K——地振作用系數(shù)K=400

    Vmax——質(zhì)點最大振速，取 Vmax=100cm/s時不會引起巖層較大破壞

      其中r的取值我們是這樣考慮的，根據(jù)我們以往的爆破經(jīng)驗（大藥量、分段深孔全斷面一次爆破）爆破地震波對巖層引起的破壞反映在自由面上，爆破成型頂板自由面破壞很小，一般在0.3米以下，而上自由面（距爆源幾米或數(shù)十米）破壞較嚴重，最大破壞嘗試可達2米。為此，我們考慮在爆源上部3米處的質(zhì)點（距上層面約0.5米處）振速來計算比較切合實際.

      另外,根據(jù)巖體中應力場理論自由面對應力場的影響可知,隨著自由面的增加根據(jù)主應力 б =(1+ )(三個自由面時),知;引起巖石破壞的 相對減小,或能量的充分作用.

我們的光爆,不少于三個自由面(包括頂板上部采空區(qū))因此,我們推斷,利用上述地震波對圍巖引起的破壞計算所得的最大總裝藥量數(shù)字比較實際

則有:100= ( )

  整理得:Q= r3

最大裝藥總量Q（r=3）=3.375(㎏)

最大單位裝藥量: q = =0.9973(㎏)

D、爆破段裝藥量炮眼布置、炮眼間距、單位裝藥量和最小抵抗線的確定

      由上述計算可知，我們按最小抵抗線計算的單位裝藥量 q  值上偏，按阻抗匹配原則來說，多余的藥量只能反映在爆破拋擲  破碎度上，或加重對頂板圍巖引起破壞。與此同時在考慮爆破對頂板引起破壞的前提下，將按最小抵抗線估算的單位裝藥量下調(diào)確定。

在破巖厚度1.2米斷面寬5.9米,炮眼深度定為1.2m時每眼裝藥量0.5㎏,下層兩邊眼0.4㎏

這時:單位裝藥量:  q  = =1.0946(㎏/ m3)

爆破分段布置:最小抵抗線W取0.6米

毫秒1段總藥量Q1=6×0.5+0.4=3.4㎏

毫秒3段總藥量Q3=5×0.5+0.4=2.9㎏

毫秒5段總藥量Q5=6×0.5=3㎏

炮眼布置:上下兩排炮眼各分眼分別布置在互相之間的應力降低區(qū),以求保護后爆孔的完整和較好的破碎效果。

根據(jù)m=   ，有爆破理論推導，在一般情況下m=0.8~1

巖石節(jié)理發(fā)育, m大致接近0.5

巖石較完整開挖跨度大, m≤0.8

巖石堅硬,跨度小,可增致1.0左右,

近年來有爆破理論認為m=0.8~1.2而我們挑頂巖層為灰白色細砂巖,巖石堅硬因此我們暫確定炮眼間距E=0.7 m,這時m=   = 0.7/0.6  =1.167

E、不偶合系數(shù)驗算

 根據(jù):K=   ≥

 K——裝藥不偶合系數(shù)

 dH——炮孔直徑（㎜）dH=40

 dc——藥卷直徑（㎜）dc =35

 n——爆轟產(chǎn)物與炮孔壁碰撞時反射壓力為入射壓力的n倍（n=8~11）取n=10

po——裝藥密度g/cm3,取po=0.7656

 D——爆速、m/s取D=4000

 kb——為體積應力狀態(tài)下巖石抗壓強度增大系數(shù)，取10

σc——巖石單軸抗壓強度pa, σc=1.6×106

計算得：不偶合系數(shù)K =  ≥0.957，成立，即不會出現(xiàn)間隙效應.

 而爆破理論認為1.122＜K＜3.71時會出現(xiàn)間隙效應,我們的K=  =1.1429,在下限邊緣.

近年來,光爆切縫鉆孔時1.32＜K＜1.78.

      在實際施工中,由于鉆眼巖粉泥存于炮眼下邊緣,因此裝藥間隙還會減小,推斷不會出現(xiàn)間隙效應.

   4、創(chuàng)新點

（1）、在上部為采空區(qū)且預留頂板為3~4米，掘進破頂巖石堅硬的情況下，大膽細心以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度解決生產(chǎn)中的難題，開創(chuàng)機掘普掘綜合利用的快速安全掘進。$Page_Split$

三、在現(xiàn)場中的應用與存在的問題

1、鉆具、爆破器材材料及起爆說明

起爆器： MFB—100電容式發(fā)爆器；

  電爆網(wǎng)絡：全串聯(lián)電爆網(wǎng)絡；

  雷  管：毫秒（1、3、5段）電雷管、同煤集團化工廠生產(chǎn)；

  炸  藥：三級煤礦許用粉狀乳化炸藥，同煤集團化工廠生產(chǎn)；

       殉爆不小于50mm，猛度：不小于10mm，作功：不小于220ml；

       規(guī)格：  35×100

  鉆眼工具：7655式風動鑿巖機；

  鉆孔直徑：  40

起爆說明：三段（毫秒1、3、5段）一次正向起爆，反向起爆雖然爆破效果好，但無明確提出，爆破安全得不到保障，而對于我們的爆破工程，正向起爆較符合實際。

2、實踐總結(jié)：根據(jù)日常實踐觀察、統(tǒng)計、作出爆破參數(shù)表僅供參考

①、當巖石堅硬、層理不發(fā)育時：M  =  在1.2左右。

    當巖石堅硬層理發(fā)育時,m值在1.8左右。

②、當巖石堅硬,E值、W值都大時，光爆不成功。

③、當巖石中硬 ，層理較發(fā)育m值范圍：1.5~2。

④、爆破拋擲距離隨大塊的增加而增加。

⑤、E值和W值較小時光爆效果好。雖然我們的光爆工程質(zhì)量不高，但適用于工作面順槽巷。

3、光爆應用

  經(jīng)2006年元月開始試驗，效果較好，無大的拋擲爆破現(xiàn)象，巷道成型較理想，只要周邊眼打好，頂邦半孔痕（炮眼）清晰可見。頂板無明顯破壞裂紋。

  在我們所處條件下想提高生產(chǎn)效率，提高茬進不可取，可采取小茬進、多循的方法比較合理，06年1月~9月，月生產(chǎn)進尺最高達233米。成功地解決了近距下層煤機掘挑頂，上部采空區(qū)、大斷面、硬巖石高效掘進。06年1~11月全區(qū)創(chuàng)經(jīng)濟效益2200萬元。

考慮到炸藥效能的充分利用和對頂板的震動作用我們一般情況下采取小茬進，多循環(huán)的方法來提高班進度。預留頂板厚度超過3.0米，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時采用。施工隊組必須隨時掌握工作面巖性變化和頂板壓力情況，以便及時調(diào)整爆破參數(shù)。

  關(guān)于炮眼密集系數(shù)，單從光爆效果來說，K值應取下限即K=1.0~1.3時光爆效果最好，這時炮眼密度變小浪費工時，或者最小抵抗線W值加大，爆破對頂板的震動破壞性加強。K值大于1.3時，光爆效果稍差，但仍能滿足工程質(zhì)量要求，但少占眼節(jié)約工時生產(chǎn)效率較高。

  在我們討論的光面爆破中，并沒有高深的理論，也許存在錯誤或缺點，衷心希望各位專家、同仁指點迷徑，但在我們實施的爆破工程中，我們深刻體會到、精細出成績，細節(jié)定成敗。

4、存在問題

①、目前的礦用乳化炸藥不適用于硬巖（f=16以上）爆破致使我們的單位耗藥量增加，出現(xiàn)殘孔。

②目前礦用三級煤礦許用乳化炸藥（ 35×200），在通用7655風鉆打眼（ =38~42）裝藥時，7卷藥出現(xiàn)間隙 效應。

③、施工中遇K值上限時，由于個別炮眼裝藥、封泥等問題，導致局部光爆不成功。

經(jīng)濟效益與社會效益全區(qū)兩個生產(chǎn)隊的2116巷與5116巷現(xiàn)在光爆+機掘已成為我們的正式作業(yè)方法。從進入巷口開始到打完邊切巷，生產(chǎn)效率逐月上升；經(jīng)濟效益累計可觀；安全生產(chǎn)日趨完善；而且在很大程度上優(yōu)化了作業(yè)環(huán)境，可體現(xiàn)在以下幾點優(yōu)勢：

①、單機日進從機組全割煤巖的日進2.5米提高到光面爆破加機組綜合作業(yè)的日進7.7米,2006年3月份到2006年11月(8116面開拓結(jié)束),每月超額完成礦下達的生產(chǎn)任務。

②、DOSCOLH1400機組從長期重負荷作業(yè)變?yōu)橄锏佬捱?、割煤，裝巖裝煤輕負載作業(yè)，也在很大程度上節(jié)約了零配件消耗和各種油的消耗，大大地延長了機組的使用壽命。

③、僅截齒消耗量從5個/m3降為0.397個/m3 ，全區(qū)每天節(jié)約截齒費約7萬元，全區(qū)06年1月——11月，8116面開拓結(jié)束，可節(jié)約截齒費用2200萬元，（考慮風動件消耗）詳見截齒、風動件+截齒對比經(jīng)濟效益計算表。

④、作業(yè)環(huán)境從粉塵彌漫，呼吸困難睜不開眼變?yōu)殚L時間空氣新鮮，濕潤、少粉塵，大大地消除了塵肺病隱患，很受廣大干部員工的贊賞。

⑤、保證了我區(qū)在困難環(huán)境下全年超額完成生產(chǎn)任務；解決了我礦采掘銜接緊張的問題；在很大程度上優(yōu)化了機掘工作面作業(yè)環(huán)境，開創(chuàng)了機掘普掘綜合利用安全高效掘進法。

五、推廣應用前景

隨著社會生產(chǎn)力的高速發(fā)展，全國煤炭行業(yè)、同煤集團以及晉華宮礦逐漸以機掘取代普掘，就晉華宮礦而言，過河7#層、8#層、南山9#層、大井河南15#層的開拓不同程度的均為半煤巖掘進；單一的普掘生產(chǎn)效率低，適應性差,鋼絲繩產(chǎn)生火花的安全隱患等問題極待解決，因此研究綜掘加精準的控制爆破的綜合利用，形成快速、安全、高效、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境就顯的尤為重要。