光爆技术在冻结法凿井中的应用

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摘要：本文对光面爆破技术在冻结法凿井施工中的应用进行了介绍，分别阐述了光面爆破技术的优点、设计方案及施工注意事项，并提出了质量保证措施，爆破效果表明光面爆破技术能够有效减少爆破对围岩的扰动，并加快掘进速度。

关键词：光爆技术、冻结法凿井、应用

中图分类号：C35文献标识码： A

一、工程概况

红阳三井主、副井井深分别为927.3m和909.3m。井筒穿过第四系地层的深度分别为132.52m和129.62m，其中含水层主要为细砂、中砂、粗砂和砾石层，累计厚度主井为97.10m，副井为89.91m。含水层顶部为粘土地层，底部与侏罗系风化带接触。

主、副井井筒及主要冻结参数见附表。由于开挖前冻结时间较长，冻结段上部冻土已大部分进入净径范围，冻结段下部几乎全断面冻实，这给开挖带来很大困难，故决定采用钻眼爆破方法掘进，即进行全断面一次光面爆破的试验施工。

附表

二、光面爆破的优点

1、巷道成形规整、光滑，接近于设计轮廓线的要求。应力分布均匀，围岩稳定。

2、对井巷围岩的炮震扰动范围小，相应的炮震裂缝少，可有效地减少应力集中引起的塌方，减少落石和危险断面，减少放炮后的排险时间，避免事故发生和人员伤亡，提高施工速度，对岩性不良地段，效果更为显著。

3、由于光爆成形规整，对于不少井巷(隧道、巷道)，一般只作5～15ear的喷射混凝土支护。与普通爆破后的混凝土碹(衬砌)相比，可相应的增大使用面积，更合理、更有效利用空间。

4、节约材料，降低工程造价。光面爆破与普通爆破相比，可节省炸药15％左右，眼孔利用率较普通爆破高10％左右。

三、光面爆破的质量标准

1、眼痕率：在50％以上，眼痕率越高，光面爆破效果越好；2、巷道周边成型应符合设计轮廓要求，超挖不大于150mm，欠挖应满足规范要求；3、围岩面上不应有明显的炮震裂缝。

三、光面爆破的基本原理

1、应力波叠加干扰理论

实验证明，当周边炮眼同时起爆时，以炮眼为中心的圆柱形应力波很快从每个炮眼向外扩展，波峰在两炮眼之间相遇。在相遇前，这一区域的岩体承受来自两炮眼的径向压力。波峰切线方向产生拉应力。两波相遇时，则因波的叠加而增强。在垂直于两炮眼之间连心线上的拉应力也增大，当此合成拉应力超过岩石的极限抗拉强度时，在两炮眼中间首先产生裂隙，然后沿连心线向两个炮眼方向发展，最后形成拉断裂面。

2、爆生气体准静压力作用理论

这一理论认为爆生气体的准静压力作用是产生贯穿裂缝的主要原因。光爆炮眼装药是在不耦合条件下爆炸，由于空气间隙的缓冲作用，作用于炮眼壁的冲击波压力急剧下降，减小了破碎区，只剩下几条径向裂缝，在较长时间内炮眼壁处在一定准静压力作用下。相邻炮眼起爆后，由于准静压力作用，在炮眼连心线上各点产生很大的切向拉应力，而在连心线与炮眼壁相交处产生应力集中度很高的拉应力。炮眼间距适合时，在炮眼壁上应力集中处将首先出现拉应力。然后在爆生气体的作用下裂隙沿连心线延伸，最后形成具有一定宽度的贯通裂缝。在裂缝形成的过程中可以看出，应力波造成的初始裂缝只起导向作用，爆生气体产生的高压静作用，是形成裂缝贯通的主要动力。

3、应力波和爆生气体综合作用理论

该理论认为，炮眼装药爆炸后，应力波的主要作用是在炮眼周围造成一稠密的径向裂隙。爆生气体准静压力作用于随机微裂隙的炮眼壁上，炮眼问成准静应力场，使径向裂隙进一步发展而贯通。相邻炮眼起爆时差不同，应力波与爆生气体压力作用情况也不同，裂隙形成也有不同。

四、措施与准备

井筒开挖前制订了试验施工的钻眼爆破图表以及定机、定人、定范围的打眼和装药操作程序，以确保试验旖工的顺利进行．同时，针对特殊凿井的条件和有关规程韵规定，制订了严格的施工安全保障措施，其中主要有：

放炮前要停止盐水循环，放炮后冻结站派专人检查供、回液管，发现问题要及时处理；掘进队技术人员要准确掌握冻结管的偏斜方位及不同深度的偏斜量，使炮眼位置与冻结管之间保持足够的安全距离，并减少这些炮眼的装药量；放炮后要专人认真查看冻结壁有无黄色水迹，如发现应立即通知冻结站查出损坏管，危及施工安全时，应下套管处理。鉴于以往的经验，采取7655型风钻在冻土上打眼速度很慢．故在钻凿本井冻结段时，在钎杆上焊3mm厚、8mm高螺旋状钢板（图1）。实践表明，利用此钎杆和由井上送下的80～100℃热水钻眼，1．6m深的炮眼，用3min即可打完(包括扫眼)，炮眼直径在80～l00mm之间，解决了长期以来在冻土中钻眼速度慢的问题。

图1钎杆附件图

l--螺旋状钢板2--钎扦

五、光面爆破方案设计

1、光面爆破参数

根据红阳三井的具体地质条件，以工程类比爆破2007年9月法和经验公式为基础，经过多次试验和优化，得出该矿全岩光爆参数(见表2）。

表2全岩光面爆破参数

为了获得较好的爆破效果，采取了增加周边眼数、减少周边眼线装药密度和减小光爆层厚度的方式。试验和实践表明，选取的上述参数基本满足周边眼之间的贯通，减小了爆破对围岩的作用及光爆层岩石合理破碎块度的要求。

2、装药结构及装药集中度

光面爆破对周边眼装药量要求较高，既要能够克服岩石的抵抗阻力，又不造成围岩的破坏。本试验区周边眼使用猛度低、爆速低、密度低、传爆性能良好的2级乳化炸药；掏槽眼和辅助眼使用2硝铵炸药。掏槽眼、辅助眼和底眼装药量达到爆破深度要求即可。

采用小直径药卷不耦合装药结构，不耦合系数为1.6。每个周边眼眼底装填半个32mm×200mm的药卷，并以半个25mm×200mm的药卷为单位，使炸药在约2/3孔深的长度上均匀分布。眼口堵塞约300mm长的炮泥，以增加爆生气体准静膨胀压力对岩石的胀裂作用及其作用时间。

3、光面爆破起爆方式

采用毫秒延期雷管起爆系统起爆。采取反向起爆方式，将电雷管插入底部药卷中，沿炮眼全长敷设脚线。周边眼采用同段雷管。首先起爆掏槽眼，再依次起爆辅助眼、周边眼和底眼。辅助眼相对于掏槽眼、周边眼相对于辅助眼采取5c―l00ms的间隔。

六、光面爆破施工工艺

1、放样布眼

钻眼前，测量人员用激光指向仪、经纬仪和水准仪，准确定出巷道中心线和拱顶面高程；用红油漆画出开挖轮廓线，并标出炮眼位置，其误差不得超过5cm；在每次测量放线的同时，要对上次爆破断面进行检查，及时调整爆破参数，以达到最佳的爆破效果。

2、钻眼要求

掏槽眼的深度、角度按设计施工，眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5cm。辅助眼的深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均不大于l0cm。周边眼的开眼位置在设计断面轮廓线上，允许沿轮廓线调整误差不得大于5cm；炮眼方向可以3％―5％的斜率外插，眼底不得超出开挖断面轮廓线10cm。

3、炮眼布置

先布置掏槽眼，掏槽眼应比其他眼加深20cm；周边眼严格按设计开挖轮廓线布置，周边眼的眼口在断面设计轮廓线上，眼底超出轮廓线小于10cm；辅助眼根据上稀下密，中部均匀分布的原则布置。

4、装药填塞

掏槽眼装填直径32mm的药卷，堵塞长度500mm；周边眼装直径25mm的药卷，堵塞长度300mm；辅助眼和底眼装填直径32mm的药卷，堵塞长度400mm。

5、连接起爆网路

起爆网路采用复式网路，以保证起爆的可靠性和准确性。导爆管采用四通管连接，不能打结和拉伸，各类炮眼雷管连接段数相同。引爆雷管应用绝缘胶布包扎在离一根导爆管自由端15cm处，聚能穴背向传爆方向，网路连好后要有专人负责检查，确保无误后再起爆。

七、技术经济效果

红阳三井主、副井筒在冻实心段中采用光爆技术平均月进为41.25m，创造了东煤系统在相同条件下的最好水平。采用光爆作业的井帮成型好，冻土受扰动较小，冻结壁的稳定性也好，超、欠挖量小，有利于井筒的永久支护。用冻结法施工的330m井巷全部达到《井巷工程验收规范》的要求，优良品率为100。

现场统计资料表明，在冻实心的井筒中采用光爆法和普通钻爆法施工相比，前者施工速度比后者提高近一倍，成本降低40。由于冻结段施工速度快，缩短了建井连锁工程时间。两井筒冻结段工程的提前完成，为矿井移交投产创造了有利条件。

八、结束语

该矿井围岩坚硬，光面爆破有一定的难度，但若遵循爆破理论并结合现场试验还是能找到适合而合理的爆破方案的。通过实践，总结如下几点启示：

1、根据现场实际合理设计光面爆破参数，正确组织施工，是保证爆破效果的前提。

2、保证钻孔精度，严格控制装药量与装药结构，是优化后爆破方案取得成功的关键。

3、对于现场条件较复杂的隧道，在方案优化过程中应以爆破理论为基础、现场试验为准则，才能找到合理的爆破方案。

参考文献：

[1] 徐峰：《硬岩巷道掘进的中深孔爆破和光面爆破试验研究》，《中小企业管理与科技(下旬 刊)》，2011年04期

[2] 赵宏江：《定向控制光面爆破技术在井下巷道施工中的应用》，《新疆有色金属》，2010 年S1期

[3] 王文才 乔旺 王瑞智：《浅谈光面爆破在拱形巷道掘进中的应用》，《水力采煤与管道运 输》，2010年04期

[4] 石凡生 张泓：《抓好光爆锚网索喷支护是搞好巷道成型的关键》，《煤矿现代化》，2008 年04期