CN1560557A - 深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法。具体地操作方法是：在全断面冻实的井筒圆心处设置一圈以上的掏槽眼，掏槽眼均布；在开挖荒径上设置一圈周边眼，周边眼均布，在周边眼与掏槽眼之间设置一圈以上的辅助眼；掏槽眼采用上、下部分开装药眼内微差爆破；周边眼采用药卷木条空气柱不偶合装药方式。采用本发明的工艺方法施工，在保证冻结管的安全条件下，减轻了工人劳动强度，掘进速度提高4－6倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种深厚表土冻结法凿井技术，确切地说是深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法。
背景技术
1883年德国工程师F.H.Poetsch在德国阿尔巴里得煤矿，用冻结法开凿了深度为103m的井筒，获得了冻结法凿井的专利，之后该项技术传播到世界上许多国家。1955年，我国用冻结法开凿了开滦林西风井，井筒净直径5m，冻结深度105m，此后我国科技人员开始了冻结法凿井技术的研究。近50年，取得了丰硕的研究成果，总共建了430余项冻结工程，包括80年代最大冻结深度415m的淮南潘三东风井和90年代最大冻结深度435m的河南永夏矿区陈四楼副井，目前冻结法凿井所通过的最厚表土层为山东济西矿副井为458.5m，冻结深度488m，我国冻结法凿井技术已跨入世界先进行列。国外在煤矿中冻结深度最深的是波兰的卢布林1号井副井，成井6.0m，冻结深度725m；冻结不稳定的第三系和第四系地层，具有代表性的是德国的Sophia Jacba 8号井，冻结深度558m；冻结基岩与砂层、粘土互层，具有代表性的是前苏联的雅科夫铁矿2号井，冻结深度620m，英国的博尔比钾盐矿，地层冻结深度达930m。随着冻结法施工技术的推广应用和冻结深度的不断加大，冻结壁作为保护井筒安全施工的保证，必须具有足够的强度和厚度，冻结壁的高强度和小变形也是防止冻结管断裂，维护冻结壁自身的稳定性的必要条件。因此，在目前深表土冻结井筒中大都采用加强冻结，提高冻结壁强度的办法解决冻结法施工的安全性问题，并在实践中取得了良好的工程效益。但是降低冻结温度，以增加冻结壁强度势必造成进入井筒掘进断面内的冻土增多，有时井筒已基本冻实，这样就给掘进带来了极大的困难。由于目前国内冻土的挖掘基本上是人工方式挖掘，冻实的土层大大加重了工人的劳动强度，而且掘进速度大幅度降低，施工单位的经济效益受到严重影响。例如某煤矿为立井开拓，主井净直径4.5m，井筒穿过第四纪表土层厚度289m，表土段采用冻结法施工，冻结深度为320m。上部掘进荒径6.1m，当井筒掘进至井深110m时，井筒全断面冻实。由于在井深100～150m之间主要为白灰色的钙质粘土层，该层土经冻结后强度很高，当时井帮温度平均为-9℃，井帮变形极小。工作面人工挖掘十分困难，一个班进尺为200mm，工人劳动强度很大，效率极低。由此可见，井筒冻结段冻实，减少了冻结壁的变形，提高了冻土的强度和冻结壁的稳定性，保证了冻结管的安全，是好的方面，但存在的问题是给掘进带来了困难。人工挖掘冻土劳动强度大，效率低。爆破方法是提高掘进速度的有效措施，但存在着震坏冻结管的危险。从国家一级科技查新咨询单位的国内外查新报告知，当前国内外还没有人系统研究人工冻土控制爆破的问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种在深厚不稳定表土冻结法凿井施工中既能保证冻结壁稳定，又能保证冻结管安全的人工冻土控制爆破的工艺方法。
实现本发明目的的技术解决方案如下：
1、深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：
A、在全断面冻实的井筒圆心处设置一圈以上的掏槽眼，掏槽眼均布，掏槽眼之间间距为600-630mm，眼深为1.4-1.8m；开挖荒径上设置一圈周边眼，周边眼均布，周边眼之间间距为450-500mm，眼深为1.2-1.6m；在周边眼与掏槽眼之间设置一圈以上的辅助眼，辅助眼之间间距为650-750mm，眼深为1.2-1.6m；
B、掏槽眼采用上、下部分开装药眼内微差爆破，装药量为0.3Kg/m；周边眼采用药卷木条空气柱不偶合装药方式，具体操作是在药卷与封口炮泥之间设置一直径为10-15mm的木条，装药量为0.15Kg/m；辅助眼的装药量为0.25Kg/m；
C、保证冻结管安全，采用掏槽眼眼内毫秒微差、其它炮眼为眼间半秒延期、同一圈炮眼为同一段雷管的全断面一次起爆。
2、根据权利要求1所述的冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：当开挖的井筒掘进直径为6m以上时，在全断面冻实的井筒圆心处设置两圈掏槽眼、两圈以上辅助眼和一圈周边眼。
3、根据权利要求1或2所述的冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：所述掏槽眼眼深为1.6m时，其装药方式为：炮眼上部装药量为0.2Kg/m，下部装药量为0.28Kg/m，眼内微差起爆时间为20ms。
4、根据权利要求1所述的冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：对偏斜冻结管，当周边眼距冻结管的径向距离小于0.6m时，采用密集钻眼法，相邻周边眼之间的距离为200-300mm，且周边眼中不装药。
5、根据权利要求1所述的冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：当周边眼距冻结管的径向距离为0.6-1.0m，眼深为1.2m时，相邻周边眼之间的距离为400-450mm，周边眼内的装药量为0.10Kg/m。
掏槽型式合理与否直接影响爆破效果。掏槽眼装药量相对较大，为了减少一次齐爆药量，采用上、下分开装药眼内微差爆破减少对冻结管的影响。全炮眼分为两段，下部装药量大于上部，在上部炸药起爆后，形成新的自由面瞬间，起爆下部炸药，以充分利用自由面和冻土内的残余应力，改变炮眼内装药能量分配，增大掏槽体积，降低抛掷高度，减少对冻结管的影响，为了保证掏槽眼准确起爆，炮头制作采用双炮头方式，微差起爆时间根据冻土特性确定。
周边眼的眼位、眼距和装药量选择合理是决定冻土爆破质量的关键，又是保证冻结管安全的关键。根据试验研究，最优炮眼密集系数为0.9，光爆层厚度过大，光爆层不能较好地破碎下来，甚至产生大块，过小，反射波将对需保留的冻土造成破坏，影响光爆质量和冻土稳定性。炮眼间距过小，增加打眼工作量，过大也不利于井筒的成型。周边眼装药结构采用药卷木条空气柱不偶合装药，空气柱采用木条在封口炮泥与药卷上炮泥之间形成。空气介质的缓冲作用大大降低了孔壁周边冻土的压缩破坏程度。由于周边眼距冻结管最近，控制周边眼的装药量。
上述4、5所述的方法是采用密集钻眼法保护偏斜冻结管的具体措施。在冻结表土段采用钻眼爆破法的主要技术难题是保证冻结管的安全。若冻结管断裂，会给井筒施工带来极大的困难甚至使整个工程失败。当冻结管偏斜时，冻结壁有效厚度减薄，强度削弱，在偏斜冻结管处应谨慎爆破。放炮前，应正确计算各偏斜冻结管的偏斜距离和方位，在井帮上按计算结果醒目地标出偏斜冻结管的位置，提醒工人在装药时加以注意，在该位置上周边眼采用密集钻眼法。
本发明的有益技术效果具体体现在四个方面：
1.采用本发明的工艺方法施工，在保证冻结管的安全条件下，减轻了工人劳动强度，掘进速度提高4-6倍。
2.掏槽眼采用上下分开装药眼内微差爆破可增大爆破破碎深度，降低炸药单耗，有利于冻结管的安全。
3.冻土光面爆破，炮眼密集系数为0.9左右光面爆破效果较好；采用药卷木条空气柱不偶合装药结构，能够改善光面爆破效果。
4.确定了人工冻土爆破保证冻结管安全的装药量。确定在一定埋深下的最佳药量及一定药量下的最佳埋深。
附图说明
图1为本发明全断面炮眼布置图及冻结管位置图，
图2为掏槽眼装药结构示意图，
图3为周边眼装药结构示意图。
具体实施方式
下面通过工程实施例，结合附图对本发明作详细说明。
工程概况
某煤矿为立井开拓，主井净直径4.5m，井筒穿过第四纪表土层厚度289m，表土段采用冻结法施工，冻结深度为320m。上部掘进荒直径6.1m，当井筒掘进至井深110m时，井筒全断面冻实。由于在井深100～150m之间主要为白灰色的钙质粘土层，该层土经冻结后强度很高，当时井帮温度平均为-9℃，井帮变形极少。工作面人工挖掘十分困难，一个班进尺为200mm，工人劳动强度很大，效率极低。为了减轻工人劳动强度，加快掘进速度，决定采用控制爆破方法。该井当时掘进不足冻结段一半的深度，不允许冻结管出现断裂、破裂现象，否则无法挽救。在爆破掘进实施以前结合我们的试验研究进行了全面论证和深入的分析讨论，拟订了详细、可靠的施工方案和安全措施。在保证冻结管安全情况下，顺利地完成了该井冻结段的掘进施工。
爆破准备工作
为保证爆破掘进的安全、顺利进行，确保冻结管安全，首先要详细分析爆破作业区内冻结管的偏斜情况，计算每根冻结管距井帮的最短距离，确定危险冻结管和重点保护的冻结管。根据掘进工作面处冻结管偏斜图得知，冻结管距掘进荒径均在1.9m以上，有两个测温孔距井帮较近为1.0mm，这两个测温孔必须保护好，以确保下部冻结壁的监测分析工作顺利进行。在这样的距离内进行爆破是比较危险的。根据研究成果，采取适当的方法，保证测温孔安全。
由于原来冻土段掘进采用人工挖掘方式，改用爆破方式必须准备爆破器材和钻眼机具，决定采用风动凿岩机与煤电钻联合钻眼。炸药选用2号岩石硝铵炸药，密度为950～1100Kg/m3，爆速为3600～3800m/s。
爆破方法
根据井筒断面及冻结粘土层的特性，设计爆破参数和炮眼布置图。采用掏槽眼眼内微差其它眼为眼间半秒延期、同一圈炮眼采用同一段雷管的全断面一次爆破法。
掏槽眼装药量相对较大，为了减少一次齐爆药量，采用上下分开装药眼内微差爆破减少对冻结管的影响。全炮眼分为上下两部分，下部分装药量大于上部，在上部炸药起爆后，形成新的自由面瞬间，起爆下部分炸药，以充分利用自由面和冻土内的残余应力，改变炮眼内装药能量分配，增大掏槽体积，降低抛掷高度，减少对冻结管的影响。掏槽眼眼深为1.4m，眼间距为630mm，每眼装药量为0.42Kg，上部为0.20Kg，下部为0.22Kg。辅助眼深度为1.2m，眼间距为700mm，每眼装药量为0.3Kg，即两卷药。
周边眼的眼位、眼距和装药量选择合理是保证冻结管安全的关键。根据试验研究结合现场经验，光爆层厚度一般稍大于炮眼间距，炮眼密集系数为0.9，炮眼间距为500mm，眼深为1.2m，装药量为0.18Kg，周边眼与辅助眼间距为550mm。
周边眼装药结构采用药卷木条空气柱不偶合装药。由于周边眼距冻结管最近，应减小周边眼的装药量。为了省去人工开帮，周边眼的眼位布置在荒径上，但在打眼时尽可能打直眼，拉制眼底的位置，进行爆破后效果的分析，及时调整爆破参数。参见图1、图2和图3。
采用全断面一次起爆，雷管为半秒延期雷管，并使每段起爆药量大致相等。对于雷管应逐发导通，并检测电阻值，按其阻值大小进行编组，分批使用，这样能有效地避免瞎炮现象。
爆破效果为：炮眼利用率95％，每循环进尺1150mm。
保护冻结管的措施
在冻结表土段采用钻眼爆破法的主要技术难题是保证冻结管的安全。若冻结管断裂，会给井筒施工带来极大的困难甚至使施工失败。在偏斜冻结管处应谨慎爆破。当周边眼距冻结管的径向距离小于0.6m时，采用密集钻眼法，相邻周边眼之间的距离为200mm，且周边眼中不装药。当周边眼距冻结管的径向距离为0.6-1.0m，眼深为1.2m时，相邻周边眼之间的距离为400mm，周边眼内的装药量为0.10Kg/m。另外，加强施工单位和冻结单位的合作，放炮前通知冻结单位关掉所有供液管阀门，放炮完后检查盐水箱水位以及井帮有无盐水泄漏现象，当确定无损时，再打开供液管阀门。在出矸过程中，要认真查看井帮情况，如有出水或出现黄色水迹应立即关闭冻结管阀门，查明原因。
结论
(1)采用本发明方法，在冻结粘土层中的爆破掘进不仅保证了冻结管和测温管的安全，而且大大减轻了工人的劳动强度，提高了掘进速度5-6倍。
(2)采用上下分开装药眼内微差掏槽方式和合理全断面半秒延期的起爆顺序，明显了提高了爆破效果，由于冻土这种特殊介质，炮眼利用率可达95％以上。采用合理的光面爆破参数和药卷木条空气柱不偶合装药结构，增加了周边眼的眼痕率，减少了刷帮量。冻土段采用这种特殊爆破方法，保证了冻结管的安全，提高了施工速度。
(3)冻土爆破掘进的关健是要保证冻结管的安全，而合理控制周边眼的爆破又是保护冻结管的关键。首先要正确掌握冻结管的偏斜情况，确定重点保持对象，做到有的放矢。对重点保护冻结管的孔位醒目地标在井帮上，随时提醒工人在装药时加以注意。根据这次爆破掘进施工实践，将周边眼的眼位布置到荒径是可以的，周边眼距冻结管在0.9m时，冻结管仍是安全的。
(4)冻结表土层的爆破掘进打破了人工挖掘的劳动组织结构，精心组织施工，既能保证施工安全，又能提高掘进效率。
Claims (5)
1、深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：
A、在全断面冻实的井筒圆心处设置一圈以上的掏槽眼，掏槽眼均布，掏槽眼之间间距为600-630mm，眼深为1.4-1.8m；开挖荒径上设置一圈周边眼，周边眼均布，周边眼之间间距为450-500mm，眼深为1.2-1.6m；在周边眼与掏槽眼之间设置一圈以上的辅助眼，辅助眼之间间距为650-750mm，眼深为1.2-1.6m；
B、掏槽眼采用上、下部分开装药眼内微差爆破，装药量为0.3Kg/m；周边眼采用药卷木条空气柱不偶合装药方式，具体操作是在药卷与封口炮泥之间设置一直径为10-15mm的木条，装药量为0.15Kg/m；辅助眼的装药量为0.25Kg/m；
C、保证冻结管安全，采用掏槽眼眼内毫秒微差、其它炮眼为眼间半秒延期、每圈炮眼为同一段雷管的全断面一次起爆。
2、根据权利要求1所述的深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：当开挖的井筒掘进直径为6m以上时，在全断面冻实的井筒圆心处设置两圈掏槽眼、两圈以上辅助眼和一圈周边眼。
3、根据权利要求1或2所述的深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：所述掏槽眼眼深为1.6m时，其装药方式为：炮眼上部装药量为0.2Kg/m，下部装药量为0.28Kg/m，眼内微差起爆时间为20ms。
4、根据权利要求1所述的冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：对偏斜冻结管，当周边眼距冻结管的径向距离小于0.6m时，采用密集钻眼法，相邻周边眼之间的距离为200-300mm，且周边眼中不装药。
5、根据权利要求1所述的深厚表土冻结法施工人工冻土控制爆破的工艺方法，其特征在于：当周边眼距冻结管的径向距离为0.6-1.0m，眼深为1.2m时，相邻周边眼之间的距离为400-450mm，周边眼内的装药量为0.10Kg/m。
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