煤矿巷道无掏槽爆破掘进技术

739 编辑：来源：北京智宏科信科技发发展有限公司

2023-11-27 16:56:08

一、概述

煤矿无掏槽爆破技术具有显著降低岩体约束力和增加炸药最有效破坏力的作用，从而达到很好的中深孔光面要求，并具有较好的工艺稳定性，但研究成果较少且在煤炭行业没有应用。我们以ANSYS有限元分析软件中的LS-DYNA显示动力分析模块为依托，进行了煤矿巷道无掏槽爆破岩石损伤数值模拟分析，建立了煤矿井下岩石爆炸破碎损伤模型，进行了无掏槽爆破时炮孔壁和炮孔内岩石连续损伤演化累积过程模拟，为煤矿巷道进行无掏槽爆破设计及参数选取提供了科学依据；进行了无掏槽爆破机理研究及无掏槽与掏槽爆破的实验室模拟对比试验，对比分析了爆破效果和爆炸在岩石内部产生应变波形差异，通过高速摄影观察了无掏槽爆破的分段爆破现象，确定了无掏槽爆破的优越性及关键技术参数。

二、关键技术

1.煤矿巷道无掏槽爆破岩石损伤数值模拟分析。为提供煤矿巷道钻爆工程中进行无掏槽爆破设计及参数选取的科学依据，通过有限元分析软件，建立井下岩石爆炸破碎损伤模型，进行无掏槽爆破时炮孔壁和炮孔内岩石连续损伤演化累积过程模拟，研究不同炮孔布置参数时岩体破碎过程和发育情况。
2.无掏槽爆破与掏槽爆破效果的对比试验研究。对比分析两种爆破工艺的爆破效果，确定无掏槽掘进爆破的关键技术参数。
3.煤矿巷道无掏槽爆破掘进技术工业试验研究。选择煤矿巷道进行放大试验，对相关技术进行验证。

三、创造性和先进性

1.在进行无掏槽爆破理论分析的基础上，进行了煤矿巷道无掏槽爆破岩石损伤数值模拟分析，并得到以下结论：初始地应力增大将会减小爆破损伤区半径，增加损伤衰减速度，削弱炮孔作用范围；无掏槽孔爆破形成的破裂区以孔口为端点呈类似椭圆体分布，在孔底形成超挖；上段爆破易影响下段爆破效果。该分析为确定炮孔间距、堵塞体质量及长度和合适炸药装填线密度提供了理论依据。

2.系统进行了无掏槽、直眼掏槽与锥形掏槽爆破的实验室模拟对比试验研究，无掏槽爆破模拟实验装置如图1所示，对比试验结果如图2所示。通过高速摄影及超动态应变测试系统进行了观测，得出了无掏槽爆破较之掏槽爆破槽腔体积更大、炸药循环消耗量节约5%～6%、应变峰值和能量衰减率相当的结果，为无掏槽爆破在煤矿巷道应用提供了实验依据。

图1 无掏槽爆破模拟实验装置图

图2 无掏槽爆破与锥形掏槽爆破模拟试验爆破效果图

3.进行了煤矿巷道无掏槽爆破掘进技术现场试验研究，取得了炮眼深度增加11%、炮眼利用率增加8%、循环进尺增加20%、雷管总段数减少的良好爆破掘进效果。

四、与国内同类技术的综合对比

1.现有工艺技术
目前，我国井巷掘进仍主要采用钻眼爆破方法破岩，而且在今后相当长的时期内炮掘仍然是主要方法。煤矿推广较多的钻爆工艺技术为“‘三小’光爆锚喷岩巷掘进技术”与“中深孔光面爆破技术”。两者具有各自的技术特点且分别存在一些不足：
（1）“‘三小’光爆锚喷岩巷掘进技术”，其技术核心是通过减小钻头直径，提高钻眼速度，实施浅眼小循环，以“小步快走”模式加快巷道掘进速度。但是，药卷直径与巷道断面大小有密切关系。巷道断面小，采用小循环进尺能更好的利用炸药的爆破能量，此时使用小直径药卷是经济合理的。由于小直径药卷在炮眼轴向上的装药集中度相对较低，同时又要尽可能地使炸药能量合理分布，因此适应巷道断面较小且循环进尺较少的情况。小直径药卷不宜进行中深孔或深孔爆破作业。
（2）“中深孔光面爆破技术”，其优越性主要表现在增加一次循环炮孔深度，提高单循环进尺，充分利用工时，减少辅助作业时间，充分利用设备潜能，减少爆破器材用量和钎具消耗。虽然理论上中深孔光面爆破具有多种掏槽方式可以改进进尺，但是如需取得实际效果，须在施工中进行精准、复杂操作，并要求根据具体条件进行工艺调整方可达到效果。而我国煤矿巷道掘进施工现状却难以达到这种理想状态，不能形成有效的常态工艺，往往是技术支持一撤走即恢复原状，即：以斜眼掏槽为特点的浅眼小循环。为此，根据我国矿区的实际情况，应解决我国煤矿中深孔光面爆破中的“技术先进”与“工艺普适”这一对矛盾。
2.本技术的优势
无掏槽爆破技术在理论上具有很好的增加破岩有效力、降低最小抵抗线、形成较大漏斗体积等作用，在隧道、铁路及水电等工程中得以很好应用。煤炭行业除了部分高校对此进行了理论探讨外，试验研究较为稀少，工业试验到目前为止尚为空白。本技术通过理论分析、数值模拟、实验室试验、现场应用和试验的方法，针对煤矿巷道无掏槽爆破岩石损伤理论研究、数值模拟分析、与掏槽爆破效果的对比试验、工业试验等进行研究。
与煤矿井下已有的爆破技术相比，无掏槽爆破掘进技术具有以下优势：
（1）无掏槽爆破技术可显著降低岩体约束力和增加炸药最有效破坏力；
（2）无掏槽爆破较之掏槽爆破槽腔体积更大，炸药循环消耗量节约5%～6%，应变峰值和能量衰减率相当；
（3）通过试验研究发现，该技术取得了炮眼深度增加11%、炮眼利用率增加8%、循环进尺增加20%、雷管总段数减少的良好效果。

五、应用效果

目前，已在某矿井下进行了煤矿巷道无掏槽爆破应用试验。从试验结果来看，由于孔内用了分段装药起爆，在不增加材料消耗的情况下，有效降低了抵抗线，增加了有效爆力，使得炮眼深度增加11%、利用率增加8%，普遍达到或接近90%；循环进尺增加20%；雷管总段数减少；爆破块度均匀。
综上所述，该技术能够改进爆破效果，提高爆破效率，对加快矿井岩巷掘进速度，缓解采掘紧张矛盾具有重要的现实意义。
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