深孔聚能定向爆破高效掏槽技术在硬岩巷道掘进中的应用
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【摘 要】基于聚能爆破定向致裂效应，创造性地设计出多缝线射流聚能药卷，在煤层获得较大范围爆生裂隙网，增大了炮孔间距，大大减少钻孔工作量，提高了岩石破碎度。在硬岩巷道掘进中具有很强的推广价值。
【关键词】聚能定向爆破；硬岩巷道；掏槽
巷道成型控制的目的在于提高围岩自稳能力，降低支护成本，减少工序反复，特别是深井巷道施工，围岩稳定性问题至关重要。目前，岩巷施工多采用光面爆破法，传统光面爆破按爆破方法分为三大类型：轮廓线钻眼法、预裂爆破法和光面爆破法。
岩石定向断裂控制爆破是在传统光面爆破的基础上发展起来的，通过导压槽的聚能作用，增强炮孔装药爆炸作用力的方向性，从而使裂纹在该方向上优先起裂、扩展、贯通，达到提高光爆效果的目的定向断裂分为钻孔切槽、聚能药卷和聚能被筒三种类型。钻孔切槽需要专用机具在钻孔内壁两侧切槽，工艺复杂；聚能药卷是沿药卷轴向压制聚能槽，改变药卷结构，工业生产需要申请安标；聚能被筒是在普通药卷被敷两侧开缝的套管，操作简便易行。
1 聚能爆破聚能效应
聚能效应称为空心效应或诺尔曼效应，利用装药一端特殊的孔穴提高特定方向的破坏作用。普通的球状或柱状装药爆炸后，爆炸产物沿着装药表面向四周扩散，如在装药一端切一聚能穴，爆炸产物将向穴的轴线方向积聚。高压的爆炸产物在沿轴线汇聚时，形成更高的压力区，并迫使爆炸产物向周围的低压区膨胀，能量又随之释放。在聚能过程中动能是能够积聚的，而位能则不能集聚，反而起到分散作用。为更好利用爆轰产物的聚能作用，在聚能穴内装上聚能罩，将能量尽可能转换成动能，提高能量的集中程度。
聚能药包在炮孔内起爆后，聚能罩受到强烈的冲击，向其对称面运动，在对称面上形成挤压作用，积聚爆轰产物能量，沿着炮孔径向侵彻煤体，形成煤层的初始导向宏观裂缝，如图1（a）的A，B和C部分。爆轰产物碰撞所积聚的能量一部分转化成了高速侵彻煤体聚能罩的动能，另一部分作用煤壁形成初始裂缝。
1.聚能装药； 2.聚能罩； 3.杵体； 4.聚能罩侵彻煤体；
5.PVC 管； 6.聚能爆轰产物
图1 聚能装药爆轰过程
2 工程背景
某煤矿采用立井、多水平开拓，主要开采煤层为下石盒子组2煤及山西组七煤和9煤。新主井和新副井落底水平为-1025m水平，回风水平为-400m水平，现生产水平为-1025m水平，采用上、下山开采。该矿岩巷集中了深部开采、地应力复杂、岩石坚硬、断面大的特点，由于围岩应力特性十分明显，给巷道凿岩带来了较大的困难。如钻孔效率低、爆破效果差、循环进尺小等特点，因此如何解决巷道快速掏槽，尤其是受夹制力作用较大的坚硬围岩条件下巷道快速掏槽问题就成为亟待解决的问题。其技术难点在于：随着矿井逐渐向深部发展，巷道围岩呈现地压大的特点，常规的凿岩钻孔和爆破技术及其对应机械设备和装置已不能满足安全生产和快速掘进的需要；巷道的开拓，为了最大程度的控制变形，巷道的布置必须选在稳定和比较稳定的岩层中，依靠围岩自身的强度减少围岩的变形。相应的关键技术在于：采用多向聚能掏槽装置，正确设计掏槽参数；依靠高效的凿岩设备，提高掏槽效率，提高循环进尺；采用深孔爆破，合理选择掏槽方式。
3 深孔聚能定向爆破高效掏槽技术的应用
3.1 聚能药包
对传统药包在结构上进行了改造，聚能药包由PVC 套管、矿用乳化炸药等组成，设计出多缝线射流聚能药卷，其原理是在PVC 套管上管壁环向映射布置加工成多条狭长缝形成多缝线射流聚能药卷，示意图见图2 所示，可在炮孔径向形成多股聚能射流，实现爆炸主裂纹多方向扩展，在聚能槽周围孔壁集中受力，最易形成裂纹，尔后在爆生气体作用下快速扩展，切割岩石形成碎块。
图2 多缝线射流聚能药卷示意图
3.2 爆破方式
目前张小楼井岩巷掘进爆破施工技术主要为“浅眼多循环”爆破施工技术。这就降低了机械作业效率，增加辅助作业量，延长了辅助作业时间，不仅降低了单循环进尺，也降低了月进尺，且爆破作业的安全性得不到保证。
国内外岩巷施工的大量经验表明，加大每个循环的爆破深度可以减少设备的移动和间歇时间，减少工序的交换和辅助工作时间，利于多台钻机机械化作业，加快井巷掘进速度。但是炮孔深度增加并不一定意味着循环效率提高，也并不能改善炸药能量的合理分配。提高循环效率的关键在于以合理的爆破设计为基础，最大限度地提高炸药能量利用率，以提高炮眼利用率，同时减少炮孔数量，缩短循环时间。另一方面，由于炮孔深度增加，使施工人员常存在着惧怕爆不下来的心理，往往装药量较多，造成超挖严重，围岩成型效果不高，围岩松动破坏。不仅增加了出矸量和锚护材料消耗，也降低了巷道的稳定性。因此，爆破方案的选择应根据现场工程条件、技术条件、施工机具、人员配置和施工安全性综合考虑。经研究和实验，确定采用深孔全断面一次起爆爆破方式，可增加炮眼深度，以便增加单循环进尺，增加一次爆破岩石量，减少打眼装药等辅助作业。
3.3 掏槽方式
要改善巷道整体爆破效果，必须通过掏槽方式人为地创造新的自由面，掏槽眼将自由面上某部位的岩石顺巷道前进方向掏出一个凹槽作为第二个自由面，以利其他炮眼爆破时提高炮眼利用率，它是决定爆破效果的关键。 由于巷道断面较大，岩石硬度大，深孔爆破时双楔形掏槽方式具有较好的掏槽效果（见图3）。其掏槽机理是，一阶掏槽爆破后，在应力和爆轰波气体的综合作用下，槽腔内岩石被破碎并向工作面方向推移，形成漏斗形槽腔，为二阶掏槽创造了一个新的自由面，并由此改变了深部岩石所受的夹制作用，使其强度降低，有利于岩石的爆破破碎和运动；同时还造成岩石中的残余应力和大量的爆生裂隙以增强岩石的破碎。
研究结果表明，双楔形掏槽可以增大槽腔体积，提高掏槽深度，抛掷作用下，爆堆集中，利于装岩。采用双楔形掏槽爆破，一阶掏槽和二阶掏槽间隔时间25ms。在起爆的先后顺序上，确定第一阶掏槽眼为一段，第二阶掏槽眼为二段。
参考文献：
[1]李清，梁媛，任可可.聚能药卷的爆炸裂纹定向扩展过程试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010（8）.
[2]张炜，张东升，邵鹏，王旭锋.深部高应力岩巷快速钻爆施工技术[J].煤炭学报，2011（1）.
作者简介：
王宏伟，男，1986年3月出生，现任湖南核工业建设有限公司抚州分公司安全技术部副主任。