2005年12月初，晉華宮礦機(jī)掘二區(qū)擔(dān)任河南12-2301盤(pán)區(qū)2116（5116）兩巷的掘進(jìn)任務(wù), 在機(jī)掘過(guò)程中，由于破頂巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，單機(jī)日開(kāi)機(jī)率平均在18小時(shí)左右，單機(jī)日進(jìn)約2.5米，而且，工作面掘進(jìn)時(shí)，粉塵很大，切割頭噴霧裝置正常噴霧灑水也難以滅塵，模糊視線能見(jiàn)度小于3米，且切割頭處火花不斷。
于是就萌發(fā)了破頂巖實(shí)施光面爆破，以解當(dāng)前進(jìn)度小，耗費(fèi)大，作業(yè)環(huán)境差的矛盾。但由于層間距較小，上部為采空區(qū)，防止水有害氣體進(jìn)入下層工作面，放炮時(shí)保護(hù)頂板的完整性是爆破工程的主要技術(shù)課題。
經(jīng)2006年元月開(kāi)始試驗(yàn)，效果較好，,巷道成型較理想，頂板無(wú)明顯破壞裂紋。
成功地解決了近距下層煤機(jī)掘挑頂，上部采空區(qū)、大斷面、硬巖石高效掘進(jìn)。06年1~11月全區(qū)創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益2200萬(wàn)元。
關(guān)鍵詞: 光面爆破 8116工作面 工藝參數(shù)
一、立項(xiàng)的背景
2005年12月初，晉華宮礦機(jī)掘二區(qū)擔(dān)任河南12-2301盤(pán)區(qū)2116（5116）兩巷的掘進(jìn)任務(wù)，巷道設(shè)計(jì)毛斷面高度2.5~2.7米，煤層厚度為1.6米，12-1~12-2層現(xiàn)層間距為3.3~5.2米，西部直接頂為灰色細(xì)砂巖、灰白色細(xì)砂巖，巖石堅(jiān)硬（F=16）強(qiáng)度高，中東部為灰白色細(xì)砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖互層。上部（12-1層）已采空，上、下層工作面對(duì)應(yīng)布置，巷道頂板壓力較大，當(dāng)時(shí)我們采用的支護(hù)形式是錨栓、錨索、三腿工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)。
該盤(pán)區(qū)為高瓦斯盤(pán)區(qū)，頂板局部有滲水。
在巷道開(kāi)口不久，我們經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐得出DOSCO LH1400掘進(jìn)機(jī)只能割頂巖不能割底巖，因此挑頂掘進(jìn)勢(shì)在必行，而且破頂高度0.8~1.2米范圍內(nèi)正是頂板巖石最堅(jiān)硬段。
在機(jī)掘過(guò)程中，由于破頂巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，單機(jī)日開(kāi)機(jī)率平均在18小時(shí)左右，單機(jī)日進(jìn)約2.5米，完不成礦下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)，單機(jī)日耗截齒100個(gè)左右，價(jià)值2.5萬(wàn)元（截齒單價(jià)248元），全區(qū)兩臺(tái)機(jī)組日耗截齒200個(gè)，價(jià)值5萬(wàn)元。而且，工作面掘進(jìn)時(shí)，粉塵很大，切割頭噴霧裝置正常噴霧灑水也難以滅塵，模糊視線能見(jiàn)度小于3米，且切割頭處火花不斷。大自然給我們技術(shù)工作者出了一道不大不小的難題，我們必須給出確實(shí)可行的施工方案和技術(shù)措施。
于是就萌發(fā)了破頂巖實(shí)施光面爆破，以解當(dāng)前進(jìn)度小，耗費(fèi)大，作業(yè)環(huán)境差的矛盾。但由于層間距較小，上部為采空區(qū)，防止水有害氣體進(jìn)入下層工作面，放炮時(shí)保護(hù)頂板的完整性是爆破工程的主要技術(shù)課題。$Page_Split$
二、研究的內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
1、爆破方案的確定
從截割進(jìn)度的提高，巖石破碎度大，機(jī)組材料耗費(fèi)少負(fù)荷輕的角度來(lái)考慮，應(yīng)采用光面壓頂爆破，但保護(hù)頂板的完整性及放炮時(shí)保護(hù)工作面棚子、機(jī)組及其附屬設(shè)施是必然條件，而近距離煤層開(kāi)拓機(jī)掘掘進(jìn)，它可以先掏煤后破頂分步進(jìn)行，掏完煤后對(duì)頂巖爆破又增加了一個(gè)自由面，根據(jù)我們的爆破經(jīng)驗(yàn)和理論推算，在這樣的條件下，采取光面爆破，爆破作用指數(shù)0.75＜N＜1的爆破方案對(duì)預(yù)留頂板無(wú)大的震動(dòng)，不會(huì)造成破壞，因此決定采用分段起爆控制性光面爆破，以保護(hù)頂板的完整。
炮眼布置圖及爆破說(shuō)明書(shū)見(jiàn)附圖（1）后附
炮眼全部為直眼，毫秒1、3、5段全串聯(lián)連續(xù)柱狀裝藥正向起爆。其理論根據(jù)見(jiàn)下文分述。
爆破說(shuō)明書(shū)
2、光爆理論根據(jù)討論
在我們的爆破示意圖中可見(jiàn)附圖1和附圖2，下排眼裝藥，為單排成組藥包的共同爆破。在此爆破中，相鄰兩炮眼同時(shí)起爆時(shí)，當(dāng)兩爆炸應(yīng)力波峰相遇時(shí)，，沿應(yīng)力波的切線方向（垂直于兩炮眼連線）存在著拉應(yīng)力 ，而在垂直于切線方向上則存在著壓應(yīng)力 ，兩波相遇產(chǎn)生疊加，結(jié)果在切線方向上產(chǎn)生合成拉力 ，根據(jù)應(yīng)力波峰干擾理論，在二孔連心線兩波峰相遇處產(chǎn)生疊加，產(chǎn)生二倍單孔的拉應(yīng)力，首先在二孔中間拉開(kāi)，并向二孔方向延伸，如果兩孔距離較近，爆生氣體很快沿裂紋逸散。這時(shí)其它方向上的徑向裂隙得不到發(fā)展。當(dāng)兩孔間距很小時(shí)，爆生氣體靜壓力作用理論認(rèn)為，兩孔連線向自由面方向巖石整體移動(dòng)。當(dāng)兩孔間距過(guò)大，爆生氣體壓力小于炮孔連心面巖石的抗拉強(qiáng)度，則只形成兩孔各自的應(yīng)力場(chǎng)，而不能貫通。
光面爆破參數(shù)的確定原則是，盡量不損壞圍巖，保持圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在保證能形成炮孔間貫穿裂縫并克服孔底巖石粘結(jié)力將巖石從巖體上分割下來(lái)的前提下，盡量減小藥量，將周邊孔范圍內(nèi)的巖石爆下來(lái)，形成規(guī)整的輪廓面。從光爆機(jī)理分析知，要將光爆層爆下來(lái)，主要與裝藥集中度（Q）和最小抵抗線有關(guān)；成型是否規(guī)整主要與最小抵抗線（W）炮眼密集系數(shù)（m= )和孔間距（E）有關(guān)。減小圍巖松動(dòng)，保留半孔痕與不偶合系數(shù)（K）有關(guān)。
3、光爆參數(shù)的擬定
A、巖體光爆單位耗藥量 和最小抵杭線（W）估算：上述裝藥量集中度（Q）是對(duì)空氣間隔裝藥和專(zhuān)用光爆而言，由于我們生產(chǎn)作業(yè)功效、時(shí)效和經(jīng)濟(jì)效益所限，我們采用 ?40鉆孔，?35三級(jí)煤礦許用粉狀乳化炸藥，連續(xù)柱狀裝藥來(lái)實(shí)現(xiàn)工作面順槽巷挑頂光面爆破。因此計(jì)算Q值無(wú)實(shí)際意義。
綜合各種因素，我們采用爆破作用指數(shù)0.75＜n＜1 這時(shí)爆破藥包的裝藥量：
Q= q·c·gd·f(n)W3
其中： q ——爆破單位巖體所需裝藥量，取 q =2.5Kg/m3
C ——爆力系數(shù)C= = =1.2727
d ——巖石系數(shù)，裝藥量已考慮，取d=1
g ——堵塞系數(shù)，取g=1.05
f(n)——爆破作用指數(shù)的函數(shù)，f(n)=0.4+0.6n3
f(n=1)=1, f(n=0.9)=0.4+0.6 n3=0.8374
W ——最小抵抗線,取W=0.6 m,
則：標(biāo)準(zhǔn)漏斗爆破的藥包裝藥量，
Qb＝2.5×1.2727×1×1.05×1×0.63=0.7201(㎏)
弱裝藥, n=0.9時(shí)的裝藥量Q n
= =0.8374
Q n= Qb×0.8374=0.6030
實(shí)際單位裝藥量 (斷面寬5.9,巖層厚1.2,炮眼深1.2)
q= =1.0946㎏/ m3
計(jì)算值單位裝q = =1.2947㎏/ m3
B:爆破阻抗區(qū)配的單位裝藥量
根據(jù) q =
其中： po—— 巖石密度：取2.5×103㎏/ m3
cp——巖石縱波波速取3.3×103㎏/ m3
Qv——炸藥的爆熱取3497kJ/㎏
計(jì)算得： q ＝0.6906(㎏/ m3)
C:考慮地震波對(duì)圍巖引起破壞的裝藥量和單位裝藥量.
根據(jù)公式Vmax= （ )a (cm/s)
式中：Q=爆破的總裝藥量 ㎏
r——距爆心的距離 m，取r =3 m
n——雷管延期段數(shù)，對(duì)分段爆破N=1
a——衰減指數(shù)a=2
K——地振作用系數(shù)K=400
Vmax——質(zhì)點(diǎn)最大振速，取 Vmax=100cm/s時(shí)不會(huì)引起巖層較大破壞
其中r的取值我們是這樣考慮的，根據(jù)我們以往的爆破經(jīng)驗(yàn)（大藥量、分段深孔全斷面一次爆破）爆破地震波對(duì)巖層引起的破壞反映在自由面上，爆破成型頂板自由面破壞很小，一般在0.3米以下，而上自由面（距爆源幾米或數(shù)十米）破壞較嚴(yán)重，最大破壞嘗試可達(dá)2米。為此，我們考慮在爆源上部3米處的質(zhì)點(diǎn)（距上層面約0.5米處）振速來(lái)計(jì)算比較切合實(shí)際.
另外,根據(jù)巖體中應(yīng)力場(chǎng)理論自由面對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響可知,隨著自由面的增加根據(jù)主應(yīng)力 б =(1+ )(三個(gè)自由面時(shí)),知;引起巖石破壞的 相對(duì)減小,或能量的充分作用.
我們的光爆,不少于三個(gè)自由面(包括頂板上部采空區(qū))因此,我們推斷,利用上述地震波對(duì)圍巖引起的破壞計(jì)算所得的最大總裝藥量數(shù)字比較實(shí)際
則有:100= ( )
整理得:Q= r3
最大裝藥總量Q（r=3）=3.375(㎏)
最大單位裝藥量: q = =0.9973(㎏)
D、爆破段裝藥量炮眼布置、炮眼間距、單位裝藥量和最小抵抗線的確定
由上述計(jì)算可知，我們按最小抵抗線計(jì)算的單位裝藥量 q 值上偏，按阻抗匹配原則來(lái)說(shuō)，多余的藥量只能反映在爆破拋擲 破碎度上，或加重對(duì)頂板圍巖引起破壞。與此同時(shí)在考慮爆破對(duì)頂板引起破壞的前提下，將按最小抵抗線估算的單位裝藥量下調(diào)確定。
在破巖厚度1.2米斷面寬5.9米,炮眼深度定為1.2m時(shí)每眼裝藥量0.5㎏,下層兩邊眼0.4㎏
這時(shí):單位裝藥量: q = =1.0946(㎏/ m3)
爆破分段布置:最小抵抗線W取0.6米
毫秒1段總藥量Q1=6×0.5+0.4=3.4㎏
毫秒3段總藥量Q3=5×0.5+0.4=2.9㎏
毫秒5段總藥量Q5=6×0.5=3㎏
炮眼布置:上下兩排炮眼各分眼分別布置在互相之間的應(yīng)力降低區(qū),以求保護(hù)后爆孔的完整和較好的破碎效果。
根據(jù)m= ，有爆破理論推導(dǎo)，在一般情況下m=0.8~1
巖石節(jié)理發(fā)育, m大致接近0.5
巖石較完整開(kāi)挖跨度大, m≤0.8
巖石堅(jiān)硬,跨度小,可增致1.0左右,
近年來(lái)有爆破理論認(rèn)為m=0.8~1.2而我們挑頂巖層為灰白色細(xì)砂巖,巖石堅(jiān)硬因此我們暫確定炮眼間距E=0.7 m,這時(shí)m= = 0.7/0.6 =1.167
E、不偶合系數(shù)驗(yàn)算
根據(jù):K= ≥
K——裝藥不偶合系數(shù)
dH——炮孔直徑（㎜）dH=40
dc——藥卷直徑（㎜）dc =35
n——爆轟產(chǎn)物與炮孔壁碰撞時(shí)反射壓力為入射壓力的n倍（n=8~11）取n=10
po——裝藥密度g/cm3,取po=0.7656
D——爆速、m/s取D=4000
kb——為體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，取10
σc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度pa, σc=1.6×106
計(jì)算得：不偶合系數(shù)K = ≥0.957，成立，即不會(huì)出現(xiàn)間隙效應(yīng).
而爆破理論認(rèn)為1.122＜K＜3.71時(shí)會(huì)出現(xiàn)間隙效應(yīng),我們的K= =1.1429,在下限邊緣.
近年來(lái),光爆切縫鉆孔時(shí)1.32＜K＜1.78.
在實(shí)際施工中,由于鉆眼巖粉泥存于炮眼下邊緣,因此裝藥間隙還會(huì)減小,推斷不會(huì)出現(xiàn)間隙效應(yīng).
4、創(chuàng)新點(diǎn)
（1）、在上部為采空區(qū)且預(yù)留頂板為3~4米，掘進(jìn)破頂巖石堅(jiān)硬的情況下，大膽細(xì)心以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度解決生產(chǎn)中的難題，開(kāi)創(chuàng)機(jī)掘普掘綜合利用的快速安全掘進(jìn)。$Page_Split$
三、在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用與存在的問(wèn)題
1、鉆具、爆破器材材料及起爆說(shuō)明
起爆器： MFB—100電容式發(fā)爆器；
電爆網(wǎng)絡(luò)：全串聯(lián)電爆網(wǎng)絡(luò)；
雷 管：毫秒（1、3、5段）電雷管、同煤集團(tuán)化工廠生產(chǎn)；
炸 藥：三級(jí)煤礦許用粉狀乳化炸藥，同煤集團(tuán)化工廠生產(chǎn)；
殉爆不小于50mm，猛度：不小于10mm，作功：不小于220ml；
規(guī)格： 35×100
鉆眼工具：7655式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)；
鉆孔直徑： 40
起爆說(shuō)明：三段（毫秒1、3、5段）一次正向起爆，反向起爆雖然爆破效果好，但無(wú)明確提出，爆破安全得不到保障，而對(duì)于我們的爆破工程，正向起爆較符合實(shí)際。
2、實(shí)踐總結(jié)：根據(jù)日常實(shí)踐觀察、統(tǒng)計(jì)、作出爆破參數(shù)表僅供參考
①、當(dāng)巖石堅(jiān)硬、層理不發(fā)育時(shí)：M = 在1.2左右。
當(dāng)巖石堅(jiān)硬層理發(fā)育時(shí),m值在1.8左右。
②、當(dāng)巖石堅(jiān)硬,E值、W值都大時(shí)，光爆不成功。
③、當(dāng)巖石中硬 ，層理較發(fā)育m值范圍：1.5~2。
④、爆破拋擲距離隨大塊的增加而增加。
⑤、E值和W值較小時(shí)光爆效果好。雖然我們的光爆工程質(zhì)量不高，但適用于工作面順槽巷。
3、光爆應(yīng)用
經(jīng)2006年元月開(kāi)始試驗(yàn)，效果較好，無(wú)大的拋擲爆破現(xiàn)象，巷道成型較理想，只要周邊眼打好，頂邦半孔痕（炮眼）清晰可見(jiàn)。頂板無(wú)明顯破壞裂紋。
在我們所處條件下想提高生產(chǎn)效率，提高茬進(jìn)不可取，可采取小茬進(jìn)、多循的方法比較合理，06年1月~9月，月生產(chǎn)進(jìn)尺最高達(dá)233米。成功地解決了近距下層煤機(jī)掘挑頂，上部采空區(qū)、大斷面、硬巖石高效掘進(jìn)。06年1~11月全區(qū)創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益2200萬(wàn)元。
考慮到炸藥效能的充分利用和對(duì)頂板的震動(dòng)作用我們一般情況下采取小茬進(jìn)，多循環(huán)的方法來(lái)提高班進(jìn)度。預(yù)留頂板厚度超過(guò)3.0米，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)采用。施工隊(duì)組必須隨時(shí)掌握工作面巖性變化和頂板壓力情況，以便及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。
關(guān)于炮眼密集系數(shù)，單從光爆效果來(lái)說(shuō)，K值應(yīng)取下限即K=1.0~1.3時(shí)光爆效果最好，這時(shí)炮眼密度變小浪費(fèi)工時(shí)，或者最小抵抗線W值加大，爆破對(duì)頂板的震動(dòng)破壞性加強(qiáng)。K值大于1.3時(shí)，光爆效果稍差，但仍能滿(mǎn)足工程質(zhì)量要求，但少占眼節(jié)約工時(shí)生產(chǎn)效率較高。
在我們討論的光面爆破中，并沒(méi)有高深的理論，也許存在錯(cuò)誤或缺點(diǎn)，衷心希望各位專(zhuān)家、同仁指點(diǎn)迷徑，但在我們實(shí)施的爆破工程中，我們深刻體會(huì)到、精細(xì)出成績(jī)，細(xì)節(jié)定成敗。
4、存在問(wèn)題
①、目前的礦用乳化炸藥不適用于硬巖（f=16以上）爆破致使我們的單位耗藥量增加，出現(xiàn)殘孔。
②目前礦用三級(jí)煤礦許用乳化炸藥（ 35×200），在通用7655風(fēng)鉆打眼（ =38~42）裝藥時(shí)，7卷藥出現(xiàn)間隙 效應(yīng)。
③、施工中遇K值上限時(shí)，由于個(gè)別炮眼裝藥、封泥等問(wèn)題，導(dǎo)致局部光爆不成功。
經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益全區(qū)兩個(gè)生產(chǎn)隊(duì)的2116巷與5116巷現(xiàn)在光爆+機(jī)掘已成為我們的正式作業(yè)方法。從進(jìn)入巷口開(kāi)始到打完邊切巷，生產(chǎn)效率逐月上升；經(jīng)濟(jì)效益累計(jì)可觀；安全生產(chǎn)日趨完善；而且在很大程度上優(yōu)化了作業(yè)環(huán)境，可體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
①、單機(jī)日進(jìn)從機(jī)組全割煤巖的日進(jìn)2.5米提高到光面爆破加機(jī)組綜合作業(yè)的日進(jìn)7.7米,2006年3月份到2006年11月(8116面開(kāi)拓結(jié)束),每月超額完成礦下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)。
②、DOSCOLH1400機(jī)組從長(zhǎng)期重負(fù)荷作業(yè)變?yōu)橄锏佬捱?、割煤，裝巖裝煤輕負(fù)載作業(yè)，也在很大程度上節(jié)約了零配件消耗和各種油的消耗，大大地延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命。
③、僅截齒消耗量從5個(gè)/m3降為0.397個(gè)/m3 ，全區(qū)每天節(jié)約截齒費(fèi)約7萬(wàn)元，全區(qū)06年1月——11月，8116面開(kāi)拓結(jié)束，可節(jié)約截齒費(fèi)用2200萬(wàn)元，（考慮風(fēng)動(dòng)件消耗）詳見(jiàn)截齒、風(fēng)動(dòng)件+截齒對(duì)比經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算表。
④、作業(yè)環(huán)境從粉塵彌漫，呼吸困難睜不開(kāi)眼變?yōu)殚L(zhǎng)時(shí)間空氣新鮮，濕潤(rùn)、少粉塵，大大地消除了塵肺病隱患，很受廣大干部員工的贊賞。
⑤、保證了我區(qū)在困難環(huán)境下全年超額完成生產(chǎn)任務(wù)；解決了我礦采掘銜接緊張的問(wèn)題；在很大程度上優(yōu)化了機(jī)掘工作面作業(yè)環(huán)境，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)掘普掘綜合利用安全高效掘進(jìn)法。
五、推廣應(yīng)用前景
隨著社會(huì)生產(chǎn)力的高速發(fā)展，全國(guó)煤炭行業(yè)、同煤集團(tuán)以及晉華宮礦逐漸以機(jī)掘取代普掘，就晉華宮礦而言，過(guò)河7#層、8#層、南山9#層、大井河南15#層的開(kāi)拓不同程度的均為半煤巖掘進(jìn)；單一的普掘生產(chǎn)效率低，適應(yīng)性差,鋼絲繩產(chǎn)生火花的安全隱患等問(wèn)題極待解決，因此研究綜掘加精準(zhǔn)的控制爆破的綜合利用，形成快速、安全、高效、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境就顯的尤為重要。
