准直眼掏槽爆破新技术应用|爆破掏槽眼

第30卷 第2期

岩石力学与工程学报 V ol.30 No.2

2011年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb . ，2011

岩巷掘进准直眼掏槽爆破新技术应用实例分析

单仁亮，黄宝龙，高文蛟，朱 永，郝先勇

(中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083)

摘要：为了提高岩巷掘进速度，克服直眼掏槽和斜眼掏槽的不足，根据岩石爆破理论，提出一种新的掏槽方法——准直眼掏槽方式。该掏槽方式突破传统掏槽设计，主掏槽眼稍微倾斜(准直眼) ，槽底炮孔间距较大，次掏槽眼垂直于自由面。与现有掏槽方式相比，该掏槽方式具有以下特点：准直眼孔底间距大，可杜绝穿孔现象；采用合理间隔时间进行分层分次爆破；中心辅助直眼与两侧对称的准直眼互相配合，结合直眼掏槽和斜眼掏槽各自的优点；形式简单，易操作；槽腔大，效率高，成本低。基于爆生气体的准静态理论和岩石力学的极限平衡理论，分析准直眼掏槽槽腔形成过程。为了优化准直眼掏槽参数，进行大量的现场掏槽试验，从而确定不同爆破条件下的准直眼掏槽炮孔的布置方式、深度、倾斜角度、间距、装药量和微差起爆间隔时间等技术参数。施工中采取以长度定角度的方法可满足该掏槽方式对准直眼角度的严格要求。实践表明，在煤矿岩巷掘进中使用准直眼掏槽方式，能够取得良好的爆破效果和显著的技术经济效益。

关键词：采矿工程；岩巷掘进；准直眼掏槽；爆破工程；实例分析

中图分类号：TD 236 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)02–0224–09

CASE STUDIES OF NEW TECHNOLOGY APPLICATION OF QUASI-PARALLEL CUT BLASTING IN ROCK ROADWAY DRIVAGE

SHAN Renliang，HUANG Baolong，GAO Wenjiao，ZHU Yong，HAO Xianyong

(School of Mechanics and civil engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China )

Abstract ：A new cutting method named quasi-parallel cutting method is proposed according to the rock blasting theory ；and it helps to achieve the goal of rapid drivage for rock roadway by drilling and blasting and to overcome the deficiencies in parallel cutting and inclined-hole cutting. Quasi-parallel cutting method is a peak through to the traditional cut blasting design. Main cutting holes(quasi-parallel holes) are slightly inclined；their distances at the bottom are long ；and sub-cutting holes are perpendicular to the free face. Compared with current cutting methods ，it has the following advantages ：(1) It avoids the phenomenon of drilling holes crossing each other because of long distance at the bottom of quasi-parallel holes. (2) Slicing and stage blasting method is used at a reasonable interval time. (3) Straight sub-holes in the center and the symmetrical quasi-parallel holes cooperate with each other；it is a successful combination of parallel cutting method and inclined-hole cutting method. (4) The cutting form is very simple and easy to operate. (5) It can get large cavity with high efficiency and low-cost. Based on the quasi-static theory of blasting gas and the limit equilipium theory of rock mechanics ，the generation process of cavity has been analyzed. For the purpose of optimizing the quasi-parallel cutting parameters，a series of field tests are carried out；technical parameters of cutting holes including layout，depth ，angle of inclination，spacing ，charge and the interval time of short-delay blasting are obtained under different blasting conditions. Angle of quasi-parallel hole is determined by measuring length during construction ，which can meet its accurate requirements. The test results show that the better blasting effect and obvious technical and economic benefits in coal rock drivage can be acquired by means of the quasi-parallel cutting method. Key words：mining engineering；rock roadway drivage；quasi-parallel cutting；blasting engineering；case studies

收稿日期：2010–08–09；修回日期：2010–11–04

作者简介：单仁亮(1964–) ，男，博士，1987年毕业于中国矿业学院矿山建设工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail ：srl@cumtb.edu.cn

1 引 言

我国的煤炭需求日益增大，提高岩石巷道掘进速度已成为一个迫在眉睫的问题，岩巷中深孔爆破是解决此问题的有效方法之一。岩巷掘进爆破时，由于只有一个自由面，四周岩石夹制力很大，爆破条件困难[1]。掏槽的作用是形成槽腔，既为后续炮孔爆破创造自由面又为岩石破碎提供补偿空间。影响掏槽爆破的因素较多，且各因素之间相互影响、相互制约[2]，掏槽爆破技术是岩巷中深孔爆破的关键，是决定炮孔利用率的主要因素。因此，必须研究出合理的掏槽方式和掏槽参数，使岩石完全破碎并抛出，从而获得较高的炮孔利用率。

U. Langefors 和B. Kihlstrom [3]较早研究了掏槽爆破，提出了一些掏槽形式，对我国的掏槽爆破设计曾起过重要参考作用。V . Y. Shapiro [4]对楔形掏槽、直眼掏槽、大直径补偿孔直眼掏槽及分阶掏槽等不同掏槽布置方式进行了比较分析，认为在软岩中，小于2.5 m孔深时，楔形掏槽的爆破效率最高。S. Zare和A. Bruland[5]比较评价了NTNU 方法和瑞典爆破设计方法。东兆星和王树仁[6]应用模糊综合评价理论对各种掏槽方式进行了优化评价。宗 琦和张国勇[7]认为双空孔菱形掏槽和单空孔四角柱挤压抛渣掏槽既简单又可获得较高的爆破效率，还认为分段直眼掏槽和直眼迈步式掏槽比较先进。傅菊根等[8]进行了4种形式的直眼四角菱形掏槽爆破试验。雷永健等[9]对双楔形、单螺旋和9孔掏槽进行了比较。陈士海等[10]在坚硬岩石巷道进行了不同掏槽形式的中深孔爆破试验。张 奇等[11]分析了平巷分阶分段直眼掏槽的特点，提出了三角复式分阶分段掏槽、六棱柱分段掏槽和四角柱复式分阶分段掏槽方式。单仁亮等[12]研究并成功应用了分层分段直眼掏槽技术，并对比分析了正方形复式分层分段掏槽和三角形复式分层分段掏槽。

在岩巷中深孔爆破掘进中，掏槽方式研究虽已取得一定进展，但现有掏槽方式的适应性较差，当施工条件、岩石性质、炮孔直径、炮孔深度和炸药性能等变化时，掏槽参数的选取往往具有盲目性，需要较长的工艺摸索时间。

因此，本文首先分析了现有掏槽方式的优缺点，提出一种新的掏槽技术——准直眼掏槽方式，并取得了国家发明专利(专利号：ZL[1**********]1.1) ；然

后，运用静力学理论分析了准直眼掏槽爆破的基本工作原理；最后，介绍了准直眼掏槽爆破的典型应用实例，基于岩石爆破理论对这些实例进行分析，最终确定了准直眼掏槽爆破参数，从而为岩巷中深孔爆破提供了有力的技术支持。单仁亮等[13～16]

的研

究就是以此技术为基础进行的。

准直眼掏槽方式目前主要应用在煤矿的井下岩石巷道掘进，已取得了显著的经济效益和社会效益。该技术亦可用于非煤矿山、水利、铁道和公路等部门，具有重要的推广应用价值。

2 斜眼掏槽和直眼掏槽的对比分析

现有掏槽方式可分为直眼和斜眼两大类，它们各有不同的适用范围和优缺点[1]。 2.1 斜眼掏槽的优缺点

斜眼掏槽的特点是炮孔轴线与掘进工作面斜交。目前，斜眼掏槽仍是国内煤矿岩巷掘进普遍采用的掏槽方式。

斜眼掏槽具有以下优点：(1) 所需的炮孔数较少；(2) 易将掏槽范围内的岩石向外抛出，形成有效的自由面；(3) 掏槽眼的位置和倾角大小的精确度对掏槽效果的影响较小，便于施工。

斜眼掏槽的主要缺点：(1) 由于掏槽眼与工作面的夹角一般为55°～75°，炮孔深度受巷道断面宽度的限制，不利于实施岩巷中深孔爆破和机械化作业；(2) 破碎岩石的抛掷距离较大，容易破坏工作面的设备和临时支护，而且爆堆分散，装岩和清碴困难；(3) 该掏槽为后爆炮孔提供的抵抗线大小不同，使得爆破后的工作面起伏较大，不利于后续钻眼爆破工作。

2.2 直眼掏槽的优缺点

直眼掏槽的特点是掏槽孔垂直于工作面且相互平行，有一定数量不装药的空孔，炮孔间距小，炮孔装药长度系数一般为0.7～0.8。

直眼掏槽的主要优点：(1) 由于炮孔轴线垂直工作面布置，当炮孔深度改变时，掏槽布置可不变，易于工人掌握和实现多台钻机作业及钻眼机械化；(2) 炮孔深度不受巷道断面宽度限制；(3) 岩石抛掷距离小，爆堆集中，不易崩坏巷道内的设备和支护。因此，中深孔爆破常采用直眼掏槽方式。

直眼掏槽的不足主要有：(1) 工艺和技术都比较复杂，要求钻孔质量高，炮孔参数控制严格；(2)

所需的炮孔数量较多，槽腔较小和炸药消耗量大。上述不足严重制约了直眼掏槽方式的发展和应用。

本文摒弃上述2种掏槽方式的缺陷，充分发挥它们各自的优点，提出了准直眼掏槽方式。

3 准直眼掏槽方式

准直眼掏槽方式充分结合了直眼掏槽和斜眼掏槽各自的优点，所有炮孔采用同等深度，主掏槽孔稍微倾斜(准直眼) ，次掏槽孔垂直于自由面，主次配合，并采用合理的时间间隔进行分层分次掏槽。准直眼掏槽的示意图见图1。

(a) 准直眼掏槽炮孔布置图

(b) 准直眼掏槽剖面 (c) 1#～6#孔爆后 (d) 7#，8#孔爆后

图1 准直眼掏槽示意图

Fig.1 Sketches of quasi-parallel cutting technique

图1(a)中，1#～6#孔为准直眼掏槽炮孔，炮孔稍微倾斜，炮孔与工作面夹角为75°～85°，它们作为主掏槽孔，集中了掏槽的大部分炸药量，使用一段雷管，先起爆；中心7#

，8#

孔为直眼掏槽炮孔，它们作为辅助掏槽孔，位于6个相邻准直眼炮孔的对角线交点位置，炮孔深度与准直眼炮孔相同，上部为空孔，下部装有少量炸药，使用二段雷管，后起爆。1#～6#孔先于7#，8#孔起爆，1#～6#孔起爆时，7#，8#孔的上部相当于2个空孔，为1#～6#孔爆破提供了一定的自由面和补偿空间。起爆后，1#～6#孔的装药将对其所包围的岩体进行破碎，将靠近自由面的岩石抛出，只剩下下部一部分岩石抛不出去，但这部分岩石在爆炸作用下将受到损伤，其中的节理和裂隙会得到扩展，为7#，8#孔下部装药爆破提供了自由面和有利条件，1#～6#孔爆破后情况如图1(c)所示。7#，8#孔爆破为双孔爆破漏斗作用，它不仅将1#～6#孔爆后未破碎的岩体破碎，而且还将1#～6#孔爆后已破碎但未抛出的碎渣抛出，形成所希望

达到的深度与体积的槽腔，7#，8#孔爆后情况如图1(d)所示。

准直眼掏槽的优点在于：(1) 充分利用炮孔：在1#～6#孔爆破时，充分利用7#，8#孔上部未装药部分的空孔效应，增强了先期爆破效果，更有利于提高炮孔利用率；(2) 准直眼与自由面有少许倾斜，充分利用了掌子面提供的自由面，增强了爆破效果；(3) 与直眼掏槽相比，大大减少了掏槽孔数量，扩大了槽腔体积，为后续炮孔爆破提供了更大的自由面和补偿空间，不会出现后续炮孔装药被压死的现象；(4) 与斜眼掏槽相比，准直眼与自由面的夹角较大，爆破时的岩石抛掷距离小，爆堆集中，不易崩坏巷道里的设备和支护；(5) 主掏槽孔之间的间距b ，a ，特别是孔底间距B 远远大于直眼掏槽和斜眼掏槽相应的尺寸。

该技术既不同于斜眼掏槽技术也不同于直眼掏

槽技术，其本质上是综合了斜眼和直眼掏槽技术特点的一种新技术。

准直眼掏槽对主掏槽孔的角度要求较高，角度控制不好就难以取得理想的爆破效果。为此，提出了以长度定角度的方法，如图2所示。

图2 长度定角度方法

Fig.2 Method for determining angle according to length

图2中，L 为钎杆有效长度；b 为掏槽口间距；θ为炮孔倾斜角度；S 为开孔时两钎杆尾部之间的

距离，且S =b +2L cos θ。实际钻孔时，图1中的

1#与6#孔，2#与5#孔，3#与4#孔，两两同时成对钻入。根据设计，钎杆有效长度L 、掏槽口间距b 以及炮孔角度θ都为已知参量，通过控制每对钎杆钎尾之间的距离S ，就可准确控制炮孔角度θ。

多次现场试验表明，这种掏槽方式的炮孔利用率能达到90%以上，且适应性很强，只要对岩性了解，适当调整掏槽参数，均能取得良好爆破效果。由于广大矿山在浅孔爆破中均采用楔形掏槽方式，工人对楔形掏槽比较熟悉，本掏槽方式的布孔与楔

形掏槽类似，合乎操作习惯，很容易被掌握。

4 准直眼掏槽槽腔形成分析

炸药在爆破中有动作用和静作用，相对其他行业而言，煤矿岩石较为松软，并且必须使用煤矿许用炸药，静作用更为重要，故本文主要以爆生气体的静作用来分析准直眼掏槽槽腔形成过程。

图3为准直眼掏槽三维模型，其中，AF ，KE ，IJ ，MN ，DH 和CG 为准直眼炮孔，面AKCD 为自由面。槽口宽为b ，槽底宽为B ，准直眼孔距为a ，炮孔深为L ，准直眼与自由面夹角为θ。

图3 准直眼掏槽三维模型

Fig.3 Three-dimensional model of quasi-parallel cutting

假设在爆破作用下，爆生气体的静作用主要用于槽腔与其周围岩石之间产生破裂，也就是面AFHD ，KEGC ，AFEK 和DHGC 受剪破坏，按Mohr-Coulomb 强度准则验算；面FEGH 受拉破坏，按最大拉应力准则验算。

与图3相对应的准直眼掏槽槽腔受力平面简图见图4。

图4 准直眼掏槽槽腔受力分析

Fig.4 Force analysis of quasi-parallel cutting cavity

4.1 槽腔形成的破坏机制

面AFEK 和DHGC 上的剪切阻力为

Q (b +B ) L sin θ

AFEK =Q DHGC =(c +σ1tan ϕ)

2 (1) 式中：c ，ϕ分别为岩石的黏聚力和内摩擦角；σ1为该面的法向应力，且σ1=γz ，γ为岩石容重，z 为该面距地表距离。

面AFHD 和KEGC 上的剪切阻力为

Q AFHD =Q KEGC =(c +σ2tan ϕ)2aL (2)

式中：σ2为该面上的正应力，且σ2=ν

1-ν

σ1，ν为

岩体的泊松比。

在最小抵抗线方向上的剪切总阻力Q 为 Q =(Q AFHD +Q KEGC )sin θ+Q AFEK +Q DHGC (3)

在炮孔严密封堵的条件下，按等熵膨胀计算炮孔内的爆炸气体充满炮孔空间的压力，即作用在炮孔壁上的静压力P p [1]为

P P ⎛ d c ⎫

2n

p =⎪ (4)

⎝d b ⎭

式中：P 为炸药爆压；d c 为药卷直径；d b 为炮孔直

径；n 为等熵指数，且n = 3。

每个准直眼作用在槽腔炮孔壁上总的静压力P L 为

P L =P p L c d b (5)

式中：L c 为准直眼装药长度。

6个准直眼爆生气体的静压力沿最小抵抗线方向在槽腔中心的合力F 1为

F 1=6P L cos θ (6)

面EFHG 的抗拉阻力T 为

T =2aB σt (7)

式中：σt 为岩体的单轴极限抗拉强度。

由于岩体的抗拉强度小于抗剪强度，面EFHG 的剪应力在未达到极限抗剪强度之前，拉应力已达到岩体的抗拉强度，从而导致沿最小抵抗线方向拉伸破坏。虽然炮孔同深，但中心直眼垂直进深比准直眼多20 cm左右，刚好为一支药卷长度，一般每

个中心直眼装2支药卷，故认为中心直眼产生的推力正好作用在槽腔底部。

图4中，2个中心直眼的爆生气体合力F 2为

F π2

2=2

P p d b

(8)

槽腔岩石在爆生气体的静作用下需达到极限平衡，必须满足：

F 1+F 2≥Q +T (9)

4.2 准直眼与自由面夹角取值范围分析

槽腔周界面上的剪切总阻力受准直眼与自由面夹角θ的影响较小。由式(3)可知，当夹角θ在65°～85°变化时，槽腔周界面上的剪切总阻力差别在9%以内。

准直眼中爆生气体在槽腔中心的合力受准直眼与自由面夹角θ的影响较大。由式(6)可知，当θ＜75°时，合力F 1太大，就会出现与斜眼掏槽相同的问题：槽腔破碎岩石抛掷作用太强，炮孔深度受到限制；当θ＞85°时，则不容易满足F 1＞Q 的条件，掏槽形式类似直眼掏槽，掏槽容易失败。

综合考虑上述分析，准直眼与自由面夹角θ取值范围为75°～85°，既科学又合理地满足槽腔形成的破坏条件。 4.3 算 例

以掘进一埋深350 m的巷道为例进行验算，巷道岩石为中砂岩，岩石参数为：密度ρ= 2.5 g/cm3，黏聚力c =1.0 MPa ，内摩擦角ϕ=35°，泊松比ν= 0.3，抗拉强度σt =1.0 MPa。

准直眼掏槽布置形式同图3，具体参数为：炮孔深L =2 m ，准直眼装药长度L c =1.4 m ，中心直眼装药长度L d =0.4 m，炮孔直径为40 mm，药卷直径为35 mm，准直眼与自由面夹角θ=84°，准直眼炮孔间距a =0.5 m，槽口间距b =1.2 m，槽底炮孔间距B =0.8 m。采用煤矿许用二级乳化炸药，炸药密度ρ=1 g/cm3，爆速v =4 000 m/s，爆压P =4 000 MPa 。

将上述相关参数值代入式(1)～(6)，得到槽腔周界面在最小抵抗线方向上的总剪切阻力Q =41.3 MN ，6个准直眼爆生气体的静压力沿最小抵抗线方向在槽腔中心的合力F 1=60.5 MN，F 1明显大于Q 。将相关参数值代入式(7)，(8)，得到面EFHG 的抗拉阻力T =0.8 MN ，2个中心直眼爆生气体合力F 2= 3.7 MN，F 2远大于T 。所以，F 1+F 2>> Q + T 。

实际爆破不仅需要将槽腔内的岩石与其周围岩石分离，还需要对槽内岩石进行破碎和抛掷，但爆破岩体的强度参数值要比相应的岩石参数值低很多，并且本算例未考虑炸药的动作用。所以，对于煤矿中硬以下岩石，当夹角θ=84°时，准直眼掏槽

仍能充分形成槽腔。

5 典型应用实例分析

准直眼掏槽爆破技术经历了萌芽、成长和成熟的不同阶段，该技术现已广泛应用于煤矿井下各类岩石巷道。本文总结了准直眼掏槽现场试验研究的情况，根据对准直眼掏槽参数的多次优化，得到了适合煤矿岩石巷道爆破掘进的掏槽参数，并且依据该掏槽参数在多个煤矿岩石巷道应用，均获得了成功。在不同煤矿岩巷的应用结果充分证明了该掏槽方式具有良好的适应性。

5.1 杜儿坪煤矿运输巷准直眼掏槽试验

试验巷道是杜儿坪矿北七盘区运输和通风的主要巷道，为一倾角17°的上山，巷道断面为直墙半圆拱形，全高3.5 m，宽度3.8 m，断面面积11.75 m2。

试验前，杜儿坪矿采用过一次爆破和分次爆破。一次爆破效果很不理想，经常出现拉炮现象；而分次爆破又很费时，由于采用“四六制”作业方式，分次放炮很难在一个圆班完成一个循环。炮孔数多达80～90个，然而爆破效率却较低：孔深2.0 m时，平均进尺最高只有1.6 m，月进尺只有70多米；成型不好，大块率较高；岩碴抛掷较远，经常砸坏后面的机具；下部炮孔瞎炮多。

为解决杜儿坪矿岩巷掘进中出现的诸多问题，杜儿坪矿与中国矿业大学(北京) 岩巷快速掘进研究组合作，开展了岩巷中深孔爆破试验研究[16]，实现了岩巷快速掘进，提高了施工质量，同时降低了施工成本。

(1) 巷道地质条件

试验段巷道断面上、下部分别为砂页岩和砂岩，岩石完整性较好，硬度较大。巷道穿过的岩层构造简单，为单斜构造，瓦斯涌出量为1 m3/min。

(2) 掏槽爆破方案设计与结果

针对杜儿坪煤矿的实际情况，设计了准直眼掏槽和直眼掏槽2种掏槽形式，视现场具体情况采用不同的方案。准直眼掏槽炮孔布置形式同图1，其中a =500 mm，b =1 000 mm，B =350 mm，准直眼倾斜角度θ=81°，炮孔深L =2 000 mm。其他参数为：炮孔直径37 mm ，装药长度1.2 m ，堵塞长度0.5 m ；采用煤矿许用二级乳化炸药，药卷直径27 mm ，药卷质量150 g/支，药卷长度17 cm/支，采用反向装药；采用煤矿许用毫秒延期雷管，1#～

6#孔装一段雷管，7#，8#孔装二段雷管。

2种试验方案都取得了很好的效果，试验结果如表1所示，其中，2004年12月10和11日的数据为试验前所得。

表1 杜儿坪矿掏槽试验数据

Table 1 Data of cutting tests in Duerping mine

炮孔 槽腔实掏槽 掏槽 日期/年月日

炮孔深 循环进 度/m 尺/m 利用率 岩体积单耗

药量

掏槽 /% /m3 /(kg·m －

3) /kg 方式 20041210 2 1.60 80.0 1.152 5.20 6.0 楔形 掏槽 20041211 2 1.50 75.0 1.100 5.45 6.0 楔形 掏槽 20041213 2 1.80 90.0 1.233 4.38 5.4 准直眼 掏槽 20041214 2 1.85 92.5 1.250 4.32 5.4 准直眼 掏槽 20041215 2 1.80 90.0 1.233 4.38 5.4 直眼 掏槽 20041216

2

1.82

91.0

1.240

4.35

5.4

直眼 掏槽

(3) 试验结果分析

该巷道采用准直眼掏槽方式，取得了较好的爆破效果。试验前循环进尺1.5～1.6 m ，炮孔利用率不足80%。采用准直眼掏槽方式后，爆破进尺大大提高，循环进尺都在1.8 m 以上，炮孔利用率提高到了90%以上，而且全断面一次起爆基本没有出现拉炮现象，安全系数大大增加，同时节省了大量时间和材料成本。

通过采用准直眼掏槽方式，全断面炮孔数由试验前的80个减少为试验时的60个；每个循环全断面实岩体积比试验前平均高出3 m3，工人的工效大大提高；试验前全断面平均炸药单耗为3.0 kg/m3，最小值为2.87 kg/m3，而试验期间全断面平均炸药单耗为1.77 kg/m3，最大值为1.84 kg/m3。可见，采用准直眼掏槽方式后，炸药消耗量大幅下降。爆破后，巷道成型很好，基本保留了眼痕，且基本未见超欠挖现象。

试验中发现，在2 m孔深的情况下，准直眼掏槽比直眼掏槽更具有实用性。因为打眼过程中，炮孔会产生偏斜误差，在煤矿井下较差的作业环境条件下，此误差可能多达200 mm，而直眼掏槽孔底间距只有200 mm，所以，槽眼穿孔的现象经常出现，严重影响掏槽效果和爆破安全。

准直眼掏槽方式简单实用又高效安全，符合杜

儿坪矿的生产实际，解决了影响岩巷掘进的主要因素——爆破技术问题。科学合理的掏槽技术的应用，使巷道掘进的单进和工效提高到一个新的水平，对缓解该矿接续紧张的局面起到了重要作用。 5.2 西铭煤矿瓦斯巷准直眼掏槽试验

中国矿业大学(北京) 岩巷快速掘进研究组在西铭煤矿瓦斯管道巷进行了全断面一次爆破试验[16]。

该巷道为上山巷道，是为下组煤层瓦斯抽放管道敷设的专用巷道，巷道倾角为14.5°，使用风钻打眼，为了满足进度需要，试验过程中使用2.7 m 钎杆打眼，炮孔深度为2.3～2.5 m。

(1) 巷道地质条件

试验巷道以砂岩和页岩为主，岩石完整性较好。巷道顶板砂岩为弱含水层，施工中有少量淋水出现，对施工影响不大。瓦斯涌出量为0.51 m3/min。巷道为半圆拱断面，全高3.6 m，宽4.2 m，断面面积为13.22 m2。

(2) 掏槽方案设计与结果

根据现场条件，设计出准直眼掏槽方案，炮孔布置形式同图1，其中a =500 mm，b =1 200 mm，B =700 mm，准直眼倾斜角度θ=84°

，炮孔深L = 2 500 mm。其他参数为：炮孔直径43 mm，装药长度1.7 m，堵塞长度0.7 m；采用反向装药结构；采用煤矿许用毫秒延期雷管，1#～6#掏槽孔装一段雷管，7#，8#掏槽孔装二段雷管；采用煤矿许用二级乳化炸药，药卷直径35 mm，药卷质量200 g/支，药卷长度18 cm/支。掏槽试验结果见表2，其中，2005年9月6日的数据为试验前所得。

表2 西铭煤矿瓦斯巷道掏槽试验数据

Table 2 Data of cutting tests in gas discharge roadway in

Ximing coal mine

炮孔

循环 炮孔 槽腔实 日期/年月日 深度

进尺 利用率 岩体积

掏槽单耗 掏槽 －3

/m

/m /% /m3 /(kg·m ) 方式 20050906 2.0 1.50 75.0 1.575 4.57 楔形掏槽 20050909 2.3 2.20 95.7 2.156 4.38 准直眼掏槽 20050901 2.5 2.30 92.0 2.231 4.24 准直眼掏槽 20050911 2.5 2.40 96.0 2.304 4.10 准直眼掏槽 20050914 2.5 2.20 88.0 2.156 4.38 准直眼掏槽 20050915 2.5 2.30 92.0 2.231 4.24 准直眼掏槽 20050916

2.5

2.35

94.0

2.268

4.02

准直眼掏槽

(3) 试验结果分析

本次试验的突破点：准直眼掏槽方式在2.5 m

孔深试验成功，这是真正意义上的中深孔爆破，与以往试验相比有本质不同，这也是在以往试验成功的基础上取得的。

在中硬以下的页岩和砂岩条件下，采用煤矿许用二级乳化炸药(药卷直径为35 mm ，炸药质量为200 g/支) ，单孔破碎半径大于300 mm。在多对掏槽孔同时起爆情况下，由于应力波的相互叠加和爆生气体的综合作用，槽底的孔间距可定为700～800 mm 。

炮孔越深，掏槽难度越大，但这次试验采用700～800 mm的孔底间距，仍取得了较好的效果，炮孔利用率普遍在90%以上。

在该矿现有条件下，准直眼掏槽方式的应用，使全断面中深孔一次爆破最大程度地降低了炸药消耗，炮孔数大幅减少，大块率得到很好控制，爆堆集中，利于出矸。

5.3 阳泉一矿和五矿轨道大巷准直眼掏槽试验 5.3.1 阳泉一矿轨道大巷试验设计与结果

阳泉一矿的丈八北翼轨道巷是服务丈八北翼条带式采区的主要运输大巷。巷道断面为半圆拱，净高3.8 m，净宽4.6 m，断面面积为15.7 m2。由于在钻爆工艺优化方面不尽人意，一次爆破时炮孔利用率较低，炮孔深1.8 m时，平均进尺1.3 m左右，爆破效率平均为72.2%，单头月进尺70～80 m，超欠挖严重，巷道成型差。为了提高爆破效率，中国矿业大学(北京) 岩巷快速掘进研究组在该巷道进行了中深孔爆破试验研究[16]。

(1) 巷道地质和作业条件

巷道全断面为细粒白砂岩，水文地质条件简单，该矿为高瓦斯矿井，掘进时需时刻检测工作面的瓦斯及有害气体浓度。

采用YT –26型气腿式凿岩机与侧卸式装岩机的作业线方案，配用长度为2.2 m 的B22中空六角钢杆。

(2) 掏槽方案设计与结果

针对该巷道岩石完整性较好和强度较高的情况，设计了准直眼掏槽爆破方案，炮孔布置形式同图1，其中a =500 mm ，b =1 400 mm ，B =1 000 mm ，准直眼倾斜角度θ=84°，炮孔深L = 2 000 mm 。其他掏槽参数为：炮孔直径43 mm ，装药长度1.0 m，堵塞长度0.5 m；使用煤矿许用二级乳化炸药，药卷直径35mm ，药卷质量200 g/支，药卷

长度18 cm/支；采用反向装药结构；使用煤矿许用毫秒延期雷管，1#～6#孔用一段雷管，7#，8#孔用二段雷管。掏槽试验结果见表3。其中，2006年5月25日的数据为试验前所得。

表3 阳泉一矿掏槽试验数据

Table 3 Data of cutting tests in first mine of Yangquan

日期/年月

炮孔 循环 炮孔利槽腔 掏槽 日 深度 进尺 用率 体积 掏槽单耗 －3

/m /m /% /m3 /(kg·m ) 方式 20060525 2.00 1.50 75.0 1.875 4.48 楔形掏槽 20060528 2.00 1.90 96.5 2.300 3.65 准直眼掏槽 20060529 1.95 1.80 92.3 2.196 3.83 准直眼掏槽 20060601 2.00 1.80 90.0 2.196 3.83 准直眼掏槽 20060602 1.95 1.85 93.3 2.248 3.74 准直眼掏槽 20060604 2.00 1.80 90.0 2.196 3.83 准直眼掏槽 20060607 1.80 1.60 88.9 1.875 3.84 准直眼掏槽 20060608 1.80 1.65 91.7 2.038 3.53 准直眼掏槽 20060609

1.80

1.60

88.9

1.875

3.84

准直眼掏槽

5.3.2 阳泉五矿轨道大巷试验设计与结果

阳泉五矿的南翼东运输轨道大巷主要供南翼采区工作面运输及进风使用。由于爆破效率不稳定，致使后续工序的劳动组织和劳动量很难确定，掘进速度受到严重制约，单头月进尺60～70 m。从现场可看出，该工作面的施工作业能力没有得到充分发挥。为了改变此局面，中国矿业大学(北京) 岩巷快速掘进研究组在该巷道进行了岩巷中深孔爆破技术研究[16]。

(1) 巷道地质和作业条件

试验巷道断面为半圆拱形，全高3.95 m ，宽4.70 m ，断面面积为16.20 m 2。巷道全断面为石灰岩，水文地质条件简单，掘进期间正常涌水量为1.5 m 3/h。该矿为高瓦斯矿井，掘进时需时刻检测工作面的瓦斯及有害气体浓度。

采用YT –26型气腿式凿岩机与耙斗机配套的作业线方案，配用长度为2.2 m 的B22中空六角钢杆。

(2) 掏槽方案设计与结果

该巷道岩石完整性较好，岩石硬度和韧度都很大，针对此条件，设计了准直眼掏槽方案，炮孔布置同图1，其中a =500 mm，b =1 400 mm，B =1 000 mm ，准直眼倾斜角度θ=81°，炮孔深L = 2 000 mm 。其他参数为：炮孔直径43 mm ，装药长度

1.0 m，堵塞长度0.5 m；使用煤矿许用二级乳化炸药，药卷直径35 mm，药卷质量200 g/支，药卷长度18 cm/支，反向装药；采用煤矿许用毫秒延期雷管，1#～6#孔用一段雷管，7#，8#孔用二段雷管。试验结果见表4。其中，2006年8月5和6日的数据为试验前所得。

表4 阳泉五矿掏槽试验数据

Table 4 Data of cutting tests in fifth mine of Yangquan

炮孔

循环 槽腔 掏槽 日期/年月日 深度

进尺 炮孔利 体积 单耗 掏槽方式

/m

/m 用率/% /m3

(kg·m －3

) 20060805 1.8 1.40 77.8 1.764 4.76 楔形掏槽 20060806 1.6 1.20 75.0 1.536 5.46 楔形掏槽 20060809 2.0 1.80 90.0 2.196 3.83 准直眼掏槽 20060801 2.0 1.80 90.0 2.196 3.83 准直眼掏槽 20060811 2.0 1.75 87.5 2.144 3.92 准直眼掏槽 20060812 2.0 1.85 92.0 2.248 3.74 准直眼掏槽 20060813 2.0 1.85 92.0 2.248 3.74 准直眼掏槽 20060814 2.0 1.75 88.0 2.144 3.92 准直眼掏槽 20060818 2.0 1.85 92.5 2.248 3.74 准直眼掏槽 20060819 1.8 1.65 90.0 2.038 4.12 准直眼掏槽 20060823 1.8 1.60 88.9 1.875 3.84 准直眼掏槽 20060825

1.8

1.70

94.4

2.091

3.44

准直眼掏槽

5.3.3 试验结果分析

在阳泉一矿和五矿进行的中深孔爆破试验相当具有代表性。主要原因是：这2个试验地点的岩石硬度较大，可爆性差，属于我国煤矿爆破困难的岩石类型。阳泉一矿试验段的岩石是完整性很好的细粒白砂岩，硬度相当大，炮孔钻凿困难。阳泉五矿的岩石是硬度更大、完整性好的石灰岩，而且其韧性也高，可爆性差，矿上原有方案采用的是孔深为1.5～1.6 m 的浅孔斜眼掏槽爆破，爆破效率只有65%～70%。

这2次试验进一步扩大了槽底孔距，仍然使用以往等量的单孔装药量，槽口距离达到1 400 mm，从而进一步减少全断面炮孔数，实现了在硬岩掏槽爆破中的少打眼和高效率。

阳泉一矿和五矿的准直眼掏槽试验突破了传统的掏槽爆破设计，证明了掏槽眼孔底间距不仅可以大于200 mm，而且可以大很多。

在煤矿的坚硬岩石条件下，采用槽底孔距大于800 mm的准直眼掏槽是完全可行的。因此，该掏槽方式在煤矿具有很好的适应性。

6 结 论

本文在分析现有掏槽方式的基础上，结合工程实际，提出了准直眼掏槽方式，丰富了岩巷掏槽爆破技术，为岩巷中深孔爆破提供了新的途径和方法。主要得出以下结论：

(1) 准直眼掏槽充分结合了直眼掏槽和斜眼掏槽各自的优点，槽口和槽底间距大，杜绝了槽底炮孔相互贯通的现象，为后续炮孔提供的抵抗线大小比较一致。

(2) 准直眼掏槽采用了外围主掏槽孔先爆、中心辅助掏槽底部装药后爆的掏槽延时顺序，槽腔岩石有50 ms 的裂纹扩展时间，利于槽腔岩石的破碎和抛掷。

(3) 从准静态和极限平衡的角度分析了准直眼掏槽槽腔的形成，算例表明爆生气体的准静态作用就可以使准直眼掏槽内的岩体与其周围岩石发生破坏，说明准直眼掏槽设计具有合理性和科学性。

(4) 准直眼掏槽突破了传统的掏槽爆破设计，对我国煤矿典型岩石采用准直眼掏槽，槽底的孔距可以远远大于通常的200 mm，增强了准直眼掏槽的适应性。

(5) 采用长度定角度的方法可以使对角度要求较高的准直眼施工变得更为容易，从而使得准直眼掏槽操作更为简单，实用性更强。

准直眼掏槽技术的理论基础尚不够完全清楚，有待进一步深入研究，以便更好地推广这一先进的掏槽技术，更好地为工程建设服务。

致谢 本文得到了文中提到的各单位以及若干其他单位的科技攻关项目资助，感谢相关单位的领导与技术人员在试验过程中所提供的大力支持与协助！

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