CN104596375A - 一种岩巷综掘施工方法 - Google Patents

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宗琦
徐颖
傅菊根
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Abstract

本发明公开了岩巷综掘施工方法,首先采用松动致裂爆破技术,在巷道掘进掌子面布置平行于巷道走向的炮孔,炮孔内装入炸药,然后起爆。通过爆破增加待开挖岩体内的裂隙、造成炮孔周围岩体损伤。最后采用综掘机切割岩石。采用综掘机施工和深孔松动致裂爆破相结合,增加了岩体内的裂隙和损伤范围,降低了岩体的整体性,提高了综掘机切割岩石的效率、节约了施工成本、改善了现场作业环境。适用于综掘机施工的各种坚硬岩石巷道,尤其适用于断面面积为18m2以上的大断面斜井和平巷。

Description

一种岩巷综掘施工方法
技术领域
本发明涉及一种岩巷综掘施工方法,尤其涉及一种综掘机施工技术与深孔松动致裂爆破技术相结合的施工方法。
背景技术
矿山岩巷掘进施工采用的方法有钻孔爆破法(简称钻爆法)和综合机械化掘进机施工法(简称综掘法)。
在目前的岩巷掘进中,钻爆法占90%以上。钻爆法通过凿岩机钻孔、利用炸药的动静作用破岩,施工过程中,费时、工人劳动强度大,易产生粉尘、噪声、炮烟等污染;且炮孔利用率低,一般在70%~90%,光面爆破效果难以保证,爆破对围岩影响较大。
在煤矿设备机械化的趋势下,大断面岩石巷道采用综掘法施工越来越多。综掘法施工利用切割头破岩,巷道成型好、几乎没有超欠挖、对围岩损伤小,工人劳动作业强度低,是岩巷掘进施工的主要发展方向。煤系地层中的泥岩、砂质泥岩和页岩等裂隙发育、岩石的坚固性和整体性较差,在此类地层中综掘机有着较高切割效率。
由于地质构造变化,施工过程中也会遇到较为坚硬的砂岩(一般坚固性系数f>7),岩体中含有石英、闪长石等成份,岩石坚固、整体性好;在此类地层中综掘机切割岩石变得困难,主要体现在切割速度慢、截齿(切割头上的刀具)消耗大幅度增加,具体为:一个截齿的价格在500元以上、进口的截齿价格达1000元,在坚硬岩石中,一个掘进小班(8个小时)的开挖进尺一般为0.8m~0.9m、而截齿的消耗量为8~10个,造成巷道施工成本大大增加。
而且,切割时岩石呈粉末状落下,与水混合形成稀泥,影响出矸和迎头作业,而且粉末扩散在空气中,影响工人身体健康。同时,高负荷的施工会造成综掘机主轴疲劳损伤,降低其使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全、高效的深孔爆破方法,增加岩体中的裂隙与损伤范围。
本发明的目的通过以下技术方案实现的:
A、采用松动致裂爆破技术,首先在岩体坚硬、整体性好的巷道掘进掌子面布置炮孔,炮孔内装入炸药,然后起爆,增加待开挖岩体内的裂隙、造成炮孔周围岩体损伤;
B、采用综掘机施工巷道,岩体坚硬、整体性好。
所述步骤A中,所述的炮孔直径为75mm~200mm、炮孔深度为20000mm~100000mm、炮孔间距为1000mm~2000mm,炮孔中心距巷道轮廓线为1200mm~1800mm;所述的炸药药柱直径为63mm~150mm,单个药柱长1000mm、重3.0kg~3.5kg;炮孔装药后堵塞长度为6000mm~10000mm。
所述的松动致裂爆破装药方式为:松动致裂爆破连续装药结构;或者,松动致裂爆破水耦合装药结构;或者,松动致裂爆破间隔装药结构。
所述的松动致裂爆破炮孔布置方式为:炮孔沿平行于巷道走向方向钻凿,所述的炮孔在水平方向和铅垂方向不发生偏斜,即两个方向的角度均为零。
所述的炮孔起爆时顺序起爆,每个炮孔采用不同延期时间的雷管。
所述步骤A中,所述的岩体坚硬、整体性好为:巷道全断面岩体都坚硬、整体性好;或者,巷道断面一部分岩体坚硬、整体性好,其它部分岩体裂隙发育、岩体坚固性低。
所述的巷道断面一部分岩体为:巷道断面的上部;或者,巷道断面的下部;或者,巷道断面的左上部;或者,巷道断面的左下部;或者,巷道断面的右上部;或者,巷道断面的右下部;或者,巷道断面的左上部以外区域;或者,巷道断面的左下部以外区域;或者,巷道断面的右上部以外区域;或者,巷道断面的右下部以外区域。
所述步骤B中,所述的综掘机为悬臂式岩石巷道综合机械化掘进机,包括升降臂,升降臂前端安装有切割头,切割头用以切割岩石,所述的升降臂可以上下、左右自由运动,并带动切割头以任意轨迹运动。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,本发明所述的岩巷综掘施工方法,利用深孔松动致裂爆破技术,增加了岩体中的裂隙、造成炮孔周围岩体严重损伤,减小了综掘机切割的难度,使得切割下的矸石呈块状,而不是先前的粉末状,提高了切割效率,降低了施工成本,降低了粉尘量、改善了现场的作业环境,并且通过炮孔与巷道轮廓线保持一定距离和加强炮孔堵塞,减小了爆破对围岩和工作面施工机械设备的不利影响,是一种安全、高效的综掘巷道辅助爆破技术。
适用于全断面或部分断面坚硬岩石的综掘机施工巷道使用。
本发明的设计原理:
本发明的设计原理基于爆破损伤理论。炸药爆炸后,爆炸应力波会对炮孔周围的岩体产生损伤,炮孔周围的应力波更接近柱面波。对于柱状装药,爆破近区质点峰值振动速度一般按下式计算
υ=kυ0(b/R)β    (1)
式中:υ-岩体中质点峰值振动速度,m/s;υ0-炮孔壁上的质点峰值振动速度,υ0=p0/ρCp,m/s;k-与一次起爆的炮孔个数有关的系数;b-炮孔半径,m;R-岩体中质点距爆破中心的距离,m;β-衰减指数;p0-炮孔内爆生气体的初始压力,MPa;ρ-岩石密度,kg/m3;Cp-岩石纵波速度,m/s。
式(1)的衰减指数β可以通过爆破地震波速度监测回归得到,其它的岩石和炸药的参数均为已知量。因此,可以由式(1)计算出距离炮孔中心不同距离处岩体的质点振动峰值速度,结合岩石的损伤判据,确定深孔爆破对周围岩体造成严重损伤和轻微损伤的范围分别为1000mm~1700mm、2000~3500mm。
根据严重损伤和轻微损伤的范围,确定炮孔距离巷道轮廓线的距离应不小于严重损伤范围,以避免爆破对围岩造成严重损伤。
附图说明
图1是本发明的全断面坚硬岩石深孔松动致裂爆破炮孔布置示意图;
图2是本发明的全断面坚硬岩石时爆破具体实施例一的炮孔布置示意图;
图3是本发明的全断面坚硬岩石时爆破具体实施例二的炮孔布置示意图;
图4是本发明的部分断面为坚硬岩石时深孔松动致裂爆破具体实施例三的炮孔布置示意图;
图5是本发明的装药结构示意图;
图1至4中1、2、3、4、5为炮孔编号。
具体实施方式
本发明岩巷综掘施工方法较佳的具体实施方式为:
如图1所示,首先采用深孔松动致裂爆破技术,在巷道掌子面钻凿炮孔,钻凿达设计深度后起钻,用压风将炮孔内岩粉吹干净;然后向炮孔里装填炸药、水炮泥,再封堵炮孔,进行松动致裂爆破。
最后采用综掘机对掌子面岩体进行切割。
松动致裂爆破属于控制爆破。松动致裂爆破时可以采用不耦合装药结构,不耦合装药结构指药卷直径小于钻孔直径,装药后药卷与孔壁之间存在其它的介质,如空气、水。煤矿井下由于瓦斯的存在,宜采用水耦合装药结构,具体实施为:如图5所示,炮孔内装入PVC外壳的水柱作为水炮泥,在爆炸作用下,水柱外壳破裂,水迅速充满炮孔,起到降低爆炸应力波峰值和延长其作用时间的效果,从而减小粉碎区范围、增大裂隙区范围。
如图5所示,也可以采用连续装药结构,即炮孔钻凿完成后,向炮孔内连续装入炸药至设计位置后,然后用炮泥封堵密实,不装填水炮泥。采用连续装药结构时,可以采用较大的不耦合系数(钻孔直径与药卷直径的比值),药卷与孔壁之间的空气同样有着降低爆炸应力波峰值和延长其作用时间的功能。
运用松动致裂爆破技术增加岩体中的裂隙和损伤。松动致裂爆破过程中,所述炮孔之间的间距最好为:1000mm~2000mm,可以为1000、1200、1400、1500、1600、1800、2000mm等优选尺寸;也可以根据现场巷道断面尺寸和硬岩石分布情况,确定为其它尺寸。
松动致裂爆破是在严格的爆破方案和参数设计情况下进行的,应避免掌子面岩石抛掷;在爆破前,综掘机应距掌子面8m~10m、并对管线部位进行防护,一是方便钻孔、装药作业,二是避免可能产生的抛掷造成机械设备损坏。
以上松动致裂爆破炮孔直径一般为75mm~113mm、深度一般为20 000mm~100 000mm。钻孔设备可以采用ZLJ-850型、ZYW-3000型、ZLJ-4000型等钻机,钻孔时必须保证炮孔的平、直;当炮孔位置超过钻机高度时,可以采用垫枕木、搭设台架等方式提高钻机钻凿高度。
以上松动致裂爆破应采用顺序起爆,一般每个炮孔一种延期时间雷管、相邻炮孔不采用同一种延期时间雷管,避免爆炸能量集中造成岩石抛掷。
在松动致裂爆破完成后,就可以采用综掘机对掌子面岩石进行切割,本发明所述的岩巷综掘施工方法对综掘机及配套系统无特殊要求。所述的综掘机为普通的悬臂式岩石巷道综合机械化掘进机,包括升降臂、行走装置等,升降臂前端安装有切割头,切割头上安装有截齿(或称为刀具)用以切割岩石,所述的升降臂可以上下、左右自由运动,并带动切割头以任意轨迹运动,切割头自身可以旋转,在升降臂的带动下,最好呈“Z”形运行方式进行切割。
本发明充分发挥综掘法和钻爆法的优点,采用深孔松动致裂爆破技术一次性将掌子面前方的硬岩爆破,使其裂隙增加、损伤范围扩大,再用综掘机切割,充分发挥综掘机施工效率高、巷道成型好、几乎没有超欠挖、围岩损伤、劳动作业强度低的优点。同时,深孔松动致裂爆破,造成炮孔周围1 000mm~1 700mm范围的岩体严重损伤、增加了炮孔周围的裂隙,使综掘机切割下的岩石呈块状、而不是粉末状,减少了截齿的消耗,截齿消耗可减少50%以上。比钻爆法和不采用深孔松动致裂爆破技术的综掘法掘进速度提高40%以上,且巷道周边成型好,节约了支护材料、减小通风阻力。
另外,采用深孔松动致裂爆破技术保留了足够的安全距离,最大限度降低了爆破对围岩的不利影响,降低了巷道围岩支护成本。且切割下的岩石呈块状、而不是粉末状,减少了粉尘的生成量,改善了现场的作业环境、保障了工人的身体健康。
采用深孔松动致裂爆破技术为综掘机施工坚硬岩石提供了技术保证,解决了综掘机施工坚硬岩石效率低、成本高和工序转换的问题。
尤其适用于断面面积为18m2以上的斜井和平巷,适用于各种支护形式。
深孔松动致裂爆破的一个具体实施例,如图2所示,巷道宽4 860mm、高4130mm,半圆拱形断面。炮孔深度相同、均沿平行于巷道走向方向钻凿,炮孔采用梅花形(或称为三角形)布置,包括内容:
(1)炮孔深度:深孔松动致裂爆破的炮孔深度20 000~100 000mm。
(2)炮孔间距:间距1 400mm、行距1 000mm。
(3)装药量:保留6 000mm~10 000mm的堵塞长度,具体药量视炮孔深度确定。
(4)装药结构:采用连续装药结构或水耦合装药结构,如图5所示。其中,水耦合装药结构为:装入一定量炸药后,装2~3m的水炮泥,然后再装炸药,最后封堵。
(5)爆破器材:炸药选择与掌子面瓦斯等级相符合的煤矿许用炸药;雷管为8号煤矿许用电雷管,三个炮孔可以使用1、3、5段电雷管。制作起爆药柱时,每个药柱,两发同段电雷管,雷管脚线留200mm,分别接上胶质导线,接头处用防水胶布缠绕结实,孔外采用串联电起爆网路。
(6)起爆方式:采用正向起爆,若为水耦合装药结构,则为多点起爆,即水炮泥隔开的每段炸药由各自起爆药柱引爆。
(7)炮孔堵塞:装药后堵塞长度为6 000mm~10 000mm,采用黄泥和专用封孔器封孔。
(8)综掘机施工:选用合适的综掘机及相配套的矸石装运系统,充分发挥机械化作用线的效率。
另一个具体实施例,如图3所示,巷道宽5 400mm、高4 100mm,半圆拱形断面。炮孔深度相同、均沿平行于巷道走向方向钻凿,包括内容:
(1)炮孔深度:深孔松动致裂爆破的炮孔深度20 000~100 000mm。
(2)炮孔间距:巷道断面大,布置5个炮孔,见图3。
(3)装药量:保留6 000mm~10 000mm的堵塞长度,具体药量视炮孔深度确定。
(4)装药结构:采用连续装药结构或水耦合装药结构,如图5所示。其中,水耦合装药结构为:装入一定量炸药后,装2~3m的水炮泥,然后再装炸药,最后封堵。
(5)爆破器材:炸药选择与掌子面瓦斯等级相符合的煤矿许用炸药;雷管为1~5段8号煤矿许用电雷管。制作起爆药柱时,每个药柱,两发同段电雷管,雷管脚线留200mm,分别接上胶质导线,接头处用防水胶布缠绕结实,孔外采用串联电起爆网路。
(6)起爆方式:采用正向起爆,若为水耦合装药结构,则为多点起爆,即水炮泥隔开的每段炸药由各自起爆药柱引爆。
(7)炮孔堵塞:装药后堵塞长度为6 000mm~10 000mm,采用黄泥和专用封孔器封孔。
另一个具体实施例,如图4所示,巷道左上部为软岩、右下为坚硬岩石。炮孔深度相同、均沿平行于巷道走向方向钻凿,包括内容:
(1)炮孔深度:深孔松动致裂爆破的炮孔深度20 000~100 000mm。
(2)炮孔间距:间距1 200mm、1 700mm。
(3)装药量:装药后堵塞长度为6 000mm~10 000mm,具体药量视炮孔深度确定。
(4)装药结构:采用连续装药结构或水耦合装药结构,如图5所示。其中,水耦合装药结构为:装入一定量炸药后,装2~3m的水炮泥,然后再装炸药,最后封堵6 000mm~10 000mm。
(5)爆破器材:炸药选择与掌子面瓦斯等级相符合的煤矿许用炸药;雷管为1、3、5段8号煤矿许用电雷管。制作起爆药柱时,每个药柱,两发同段电雷管,雷管脚线留200mm,分别接上胶质导线,接头处用防水胶布缠绕结实,孔外采用串联电起爆网路。
(6)起爆方式:采用正向起爆,若为水耦合装药结构,则为多点起爆,即水炮泥隔开的每段炸药由各自起爆药柱引爆。
(7)炮孔堵塞:保留6 000mm~10 000mm的堵塞长度,采用黄泥和专用封孔器封孔。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩巷综掘施工方法,其特征在于,包括步骤:
A、采用松动致裂爆破技术,首先在岩体坚硬、整体性好的巷道掘进掌子面布置炮孔,炮孔内装入炸药,然后起爆,增加待开挖岩体内的裂隙、造成炮孔周围岩体损伤;
B、采用综掘机施工巷道。
2.根据权利要求书1所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述步骤A中,所述的炮孔直径为75mm~200mm、深度为20000mm~100000mm、间距为1000mm~2000mm、炮孔中心距巷道轮廓线为1200mm~1800mm,炮孔装药后堵塞长度为6000mm~10000mm。
3.根据权利要求书1所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述步骤A中,所述炸药药柱直径为63mm~150mm,单个药柱长1000mm、重3.0kg~21.2kg。
4.根据权利要求书1所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述步骤A中,所述的松动致裂爆破装药方式为:松动致裂爆破连续装药结构;或者,
松动致裂爆破水耦合装药结构;或者,
松动致裂爆破间隔装药结构。
5.根据权利要求书1所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述步骤A中,所述的松动致裂爆破炮孔布置方式为:炮孔沿平行于巷道走向方向钻凿,所述的炮孔在水平方向和铅垂方向不发生偏斜,即两个方向的角度均为零。
6.根据权利要求书1至5所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述的炮孔起爆时顺序起爆,每个炮孔采用不同延期时间的雷管。
7.根据权利要求书1所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述步骤A中,所述的岩体坚硬、整体性好为:巷道全断面岩体都坚硬、整体性好;或者,
巷道断面一部分岩体坚硬、整体性好,其它部分岩体裂隙发育、岩体坚固性低。
8.根据权利要求书7所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述的岩体坚硬为:坚固性系数大于7;或者,岩石的单轴抗压强度大于70MPa。
9.根据权利要求书7所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述的巷道断面一部分岩体为:巷道断面的上部;或者,
巷道断面的下部;或者,
巷道断面的左上部;或者,
巷道断面的左下部;或者,
巷道断面的右上部;或者,
巷道断面的右下部;或者,
巷道断面的左上部以外区域;或者,
巷道断面的左下部以外区域;或者,
巷道断面的右上部以外区域;或者,
巷道断面的右下部以外区域。
10.根据权利要求书1所述的岩巷综掘施工方法,其特征在于,所述步骤B中,所述的综掘机为悬臂式岩石巷道综合机械化掘进机,包括升降臂,升降臂前端安装有切割头,切割头用以切割岩石,所述的升降臂可以上下、左右自由运动,并带动切割头以任意轨迹运动。
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