2013.11.05徐穎安徽理工大學土木建筑學院全國礦山建設(shè)學術(shù)會議煤礦爆破技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

煤炭在未來相當長的時期內(nèi)是我國主要能源。礦井向現(xiàn)代化、大型化、集約化方向發(fā)展。爆破破巖在目前乃至今后相當長時間內(nèi)仍然是現(xiàn)代化大型礦井建設(shè)中的主要手段，但隨著科學技術(shù)的進步，大型機械化裝備的使用、礦井建設(shè)開采深度的增加，條件愈加復雜，爆破破巖和圍巖穩(wěn)定的矛盾日益突出，爆破理論與技術(shù)落后工程實踐。內(nèi)容提綱1煤礦爆破技術(shù)的現(xiàn)狀3煤礦高效爆破掘進發(fā)展趨勢2煤礦爆破技術(shù)進展1.煤礦爆破技術(shù)的現(xiàn)狀炸藥威力和安全性、雷管段數(shù)和延遲時間不能滿足要求巷道跨度大、空間大、承載能力差、爆破擾動和采動載荷對圍巖穩(wěn)定性影響顯著，巷道支護體系易失效、破壞鉆、爆、裝、運、支五大工序配合與組織協(xié)調(diào)性差，效率低煤礦爆破因地質(zhì)異常體探測不明，造成突水、冒頂、塌方等災(zāi)害事故頻發(fā)深孔爆破破巖效率低、爆破載荷對圍巖損傷嚴重，爆炸能量控制理論與方法落后于工程實踐地質(zhì)保障

爆破器材

爆破理論與技術(shù)快速掘進巷道支護1.煤礦爆破技術(shù)的現(xiàn)狀1.煤礦爆破技術(shù)的現(xiàn)狀1炸藥爆炸能量釋放與控制、不同爆破參數(shù)條件下巖體破壞與移動效應(yīng)巖體超前探測、信號反演理論煤礦高安全高威力炸藥組份及爆轟機理爆破擾動和采動荷載作用下大斷面巷道早、后期錨噴支護與圍巖結(jié)構(gòu)力學演化、變形、失穩(wěn)、破壞特征高性能錨噴支護結(jié)構(gòu)體增強、抗沖擊機理12354高性能錨噴支護結(jié)構(gòu)體增強、抗沖擊機理52.煤礦爆破技術(shù)進展采用地震波CT成像、礦井瞬變電磁等綜合物探方法，獲取巷道三維超前地球物理場信息，進行數(shù)據(jù)剝層等多場聯(lián)合反演，準確判定巷道超前地質(zhì)異常體研究巖體結(jié)構(gòu)精細診斷方法，獲得頻繁非均勻載荷下巷道圍巖狀況特征研究巖層致裂非接觸超前評測方法，獲取爆破影響巖體空間范圍采用三維可視化技術(shù)，立體表達掘進工作面前后空間地質(zhì)及圍巖特征（1）巷道掘進超前地質(zhì)保障和圍巖狀況診斷關(guān)鍵理論與技術(shù)三維數(shù)據(jù)體爆破影響空間范圍三維效果表達2.煤礦爆破技術(shù)研究進展2.煤礦爆破技術(shù)研究進展通過構(gòu)建井下巷道掘進超前探測地質(zhì)模型，進行巷道掘進工作面跨孔震波CT探測理論、反演方法研究，對比孔間直射線跟蹤不同反演方法的特點，以及地震波偏移成像特征。跨孔觀測系統(tǒng)CT地質(zhì)模型不同反演方法結(jié)果2.煤礦爆破技術(shù)研究進展討論瞬變電磁超前探測井下干擾條件，高精度數(shù)據(jù)采集以及全程視電阻率計算方法等內(nèi)容，提高對巷道周邊地質(zhì)構(gòu)造及其含水條件的判斷準確率，為大斷面巷道掘進提供地質(zhì)保障。從視電阻率與瞬變場的對應(yīng)關(guān)系分析，確定選擇磁場計算全程視電阻率值，推出全空間斜階躍全程視電阻率的計算公式干擾因素分析四斷面法測試理論推導研究煤礦高安全高威力炸藥爆轟機理優(yōu)選炸藥體系中高效抑制劑、高含能材料，研究抑制劑包覆技術(shù)，提高炸藥安全性和爆炸威力根據(jù)正交試驗，設(shè)計炸藥配方，測試炸藥安全性和爆炸性能進行新型煤礦安全高威力炸藥大斷面巷道掘進爆破對比試驗（2）新型煤礦高安全高威力炸藥與精細段數(shù)雷管

新型煤礦安全高威力炸藥2.煤礦爆破技術(shù)研究進展新型高安全水膠藥柱2.煤礦爆破技術(shù)研究進展研究了煤礦水膠炸藥爆炸引爆瓦斯煤塵的機制，通過增加高效消焰擊和高效含能材料，解決了水膠炸藥爆炸威力與安全性之間的矛盾。巖巷掘進對比爆破試驗表明：新型高能水膠炸藥能量提高20%，破巖效率提高15%。新型高能水膠炸藥已經(jīng)通過相關(guān)部門的鑒定。進行了新型高能水膠炸藥研究現(xiàn)有的三級煤礦水膠和三級煤礦乳化的爆破破巖能量較小，爆破的炮孔利用率低，巖巷掘進效率低下，特別是進行大斷面硬巖井巷掘進施工時，這個問題更為突出。對于硬巖爆破，實現(xiàn)快速掘進，采用高能量炸藥是最重要技術(shù)手段。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展（2）新型煤礦安全高威力炸藥與精細段數(shù)雷管精細段數(shù)雷管利用微差爆破原理，設(shè)計多種炮孔爆破模型實驗，研究大斷面巷道掘進爆破合理微差間隔研究精細段數(shù)毫秒雷管延期元件大斷面巷道精細段數(shù)雷管起爆時間間隔和順序試驗2.煤礦爆破技術(shù)研究進展首創(chuàng)了細單芯延期結(jié)構(gòu)，使得僅采用一種或幾種延期藥即可實現(xiàn)長時間延期；在高安全雷管技術(shù)中實現(xiàn)使用細單芯延期結(jié)構(gòu)進行延期，建立了將延期纖維應(yīng)用于高安全雷管的技術(shù)體系；研發(fā)了適用于被細單芯延期體引燃的激發(fā)藥配方，并對其感度和相容性進行了測試；將高精度細單芯延期體與傳統(tǒng)雷管技術(shù)相結(jié)合，初步研究了這兩種技術(shù)結(jié)合的可行性、實現(xiàn)方法、工藝參數(shù)。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展開展高精度延期藥研究。根據(jù)我國延期藥的生產(chǎn)現(xiàn)狀，以Si系延期藥為基礎(chǔ)，利用鉛丹和硅雙組份為基藥，便于混合，分散均勻，再添加高精度燃速調(diào)整劑。延期藥納米化加工。采用高速球磨機機械研磨法，通過液相混合技術(shù)，實現(xiàn)納米化和安全生產(chǎn)。將延期藥各組成成分的粒度加工成納米材料，級配合理，形成納米粉體。延期體結(jié)構(gòu)。通過控制微振動燃燒，研究新結(jié)構(gòu)延期體。延期藥精度表征。用固體化學的理論對延期藥的燃燒精度表征量進行研究。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展（3）大斷面巷道深孔爆破掘進理論與技術(shù)利用功能平衡原理，探討爆破動作用力和巖石抗爆強度匹配關(guān)系，實現(xiàn)對爆破能量有效控制應(yīng)用爆炸力學和斷裂力學等理論以及模型試驗，研究不同爆炸載荷下巖石中應(yīng)力分布規(guī)律、破碎、破裂特性根據(jù)正交原理，進行多種不同裝藥結(jié)構(gòu)巷道周邊控界爆破和集能掏槽等模型試驗，優(yōu)選爆破參數(shù)理論與試驗相結(jié)合，研究弱拋擲巖石爆破控制機理

2.煤礦爆破技術(shù)研究進展進一步從理論上分析了大斷面巖石巷道掘進爆破破巖機理。進行了炮孔水介質(zhì)不耦合（包括環(huán)向水不耦合和軸向水墊層裝藥結(jié)構(gòu)）模型試驗，研究表明：越靠近裝藥，爆炸壓力越高，隨著距離增大，峰值壓力顯著降低，且初始下降速率很快，后階段下降緩慢；與空氣不耦合裝藥相比，巖石中爆炸應(yīng)力場強度高，峰值壓力要高出30％~40％左右；開展了大斷面巷道掘進爆破理論與技術(shù)研究爆炸應(yīng)力波動態(tài)破巖機理

2.煤礦爆破技術(shù)研究進展進行大斷面巖石巷道中深孔和深孔爆破技術(shù)參數(shù)理論研究，優(yōu)化采用高效煤礦炸藥時的爆破參數(shù)：采用大直徑炮眼（炮孔直徑50mm，藥卷直徑45mm）、孔深2.8~3.0m，進行現(xiàn)場試驗研究，實現(xiàn)炮眼利用率92%，循環(huán)進尺2.62m。開展了大斷面巷道掘進爆破理論與技術(shù)研究大斷面巷道深孔爆破技術(shù)參數(shù)2.煤礦爆破技術(shù)研究進展開展了大斷面巷道掘進爆破理論與技術(shù)研究大斷面巷道掏槽爆破理論和技術(shù)進行大斷面巖石巷道中深孔和深孔掏槽爆破技術(shù)理論和試驗研究。提出底部集能裝藥掏槽爆破新技術(shù)（多種形式），加大掏槽炮眼底部的裝藥量，增強掏槽爆破破巖能力和破碎巖塊的拋移能力，提高掏槽效率和循環(huán)單進，硬巖巷道效果更為明顯。

2.煤礦爆破技術(shù)研究進展進行大斷面巖石巷道中深孔和深孔爆破全斷面微差技術(shù)研究。根據(jù)自由面原理建立了各類炮眼間合理微差間隔時間計算結(jié)構(gòu)模型，并通過模型試驗初步提出了各段間的合理延遲時間，現(xiàn)場試驗表明，新的延期間隔，既提高了掏槽爆破效率，又實現(xiàn)了巖石朝著槽腔爆破，減少了拋擲，爆堆集中。

開展了大斷面巷道掘進爆破理論與技術(shù)研究大斷面巷道微差爆破技術(shù)2.煤礦爆破技術(shù)研究進展■研究爆破能量傳遞和有效利用，實現(xiàn)對爆破能量的控制高爆破能量掏槽爆破——底部集能掏槽爆破。低爆破能量周邊控界爆破——水墊層軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。■進行爆破地震效應(yīng)實測，巷道掘進方向爆破振動速度峰值最強，垂直方向峰值較小。微差爆破，振動的瞬時能量出現(xiàn)多個峰值，與質(zhì)點振動的幅值相對應(yīng)。增加雷管段別，減少同段藥量，利于降低爆破振動。開展了大斷面巷道掘進爆破理論與技術(shù)研究爆破能量控制理論

2.煤礦爆破技術(shù)研究進展（4）頻繁非均勻載荷對大斷面巷道穩(wěn)定性影響機理建立非均勻不連續(xù)載荷作用下大斷面巷道“深淺部雙支撐層”力學結(jié)構(gòu)模型揭示爆破擾動對巷道早期錨噴支護結(jié)構(gòu)損傷和破壞作用機理應(yīng)用數(shù)值模擬、物理探測等方法，揭示采動載荷作用下巷道圍巖與錨噴支護結(jié)構(gòu)體損傷和破壞作用機理采用數(shù)值模擬、相似模擬實驗、現(xiàn)場實測等方法，探索采動載荷作用下大斷面巷道三維應(yīng)力場及礦壓顯現(xiàn)時空特征2.煤礦爆破技術(shù)研究進展研究了大斷面巷道快速掘進快速支護理論研究初步建立了“深淺雙支撐層”理論，研究了淺部支撐層支護形式和支護參數(shù)對深部支撐層形成過程的影響，建立了巷道深部支撐層形成機理的分析模型，研究了深淺部雙支撐層對大斷面巷道支護的效果；針對不同條件下大斷面巷道，圍巖條件不同，研究了分級支護理論；在分析采動載荷應(yīng)力場與巷道固有應(yīng)力場相互耦合疊加作用基礎(chǔ)上，初步分析了大斷面巷道使用過程中受到采動載荷下的圍巖應(yīng)力分布、位移變形等變化規(guī)律；進行了快速掘進快速支護系統(tǒng)優(yōu)化研究。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展研究了大斷面巷道快速掘進快速支護理論研究深淺雙支撐層承載結(jié)構(gòu)淺支撐層厚度深支撐層厚度2.煤礦爆破技術(shù)研究進展研究了大斷面巷道快速掘進快速支護理論研究圍巖自承結(jié)構(gòu)支護-圍巖承載結(jié)構(gòu)2.煤礦爆破技術(shù)研究進展圍巖級別圍巖穩(wěn)定控制原理巷道支護初步設(shè)計方案與參數(shù)初步設(shè)計方案圖示Ⅰ一次支護控制圍巖穩(wěn)定，應(yīng)力狀態(tài)恢復改善、圍巖增強。1、直墻半圓拱形巷道斷面；2、頂幫：150mm厚C20噴射混凝土；Φ22，L=2200~2500，間排距700×700，F(xiàn)pre=100kN，Ⅳ級鋼高預應(yīng)力超強錨桿。Ⅱ基本型分步聯(lián)合支護控制圍巖穩(wěn)定：應(yīng)力狀態(tài)恢復、圍巖增強、破裂區(qū)固結(jié)與損傷區(qū)修復。1、直墻半圓拱形斷面；2、頂幫支護：150mm厚C20噴射混凝土；Φ22，L=2200~2500，間排距700×700mm，F(xiàn)pre=100kN，Ⅳ級鋼高預應(yīng)力超強錨桿；3、底臌控制：幫腳錨桿+底角錨桿；4、補強加固：開挖后30~40天全斷面注漿。Ⅲ標準型分步聯(lián)合支護控制圍巖穩(wěn)定：斷面形狀優(yōu)化、應(yīng)力狀態(tài)更大程度恢復改善、圍巖增強、破裂區(qū)固結(jié)與損傷區(qū)修復、圍巖承載圈擴大。1、斷面形狀優(yōu)化：馬蹄形或上下雙缺圓形巷道斷面2、頂幫一次支護：初噴50mm厚C20噴射混凝土；Φ22，L=2500，間排距700×700，F(xiàn)pre=100kNⅣ級鋼高預應(yīng)力超強錨桿；復噴100mm厚C20混凝土；3、頂幫二次支護：Φ17.8，L=6000，間排距1400×1400mm，F(xiàn)pre=150kN錨索；4、底臌控制：Φ22，L=2500，F(xiàn)pre=70kN，Ⅳ級鋼幫腳錨桿；Φ48×3.5，L=2500底角注漿錨桿；5、補強加固：開挖后20~30天全斷面注漿。研究了大斷面巷道快速掘進快速支護理論研究大斷面巷道分級支護設(shè)計理論2.煤礦爆破技術(shù)研究進展圍巖級別圍巖穩(wěn)定控制原理巷道支護初步設(shè)計方案與參數(shù)初步設(shè)計方案圖示Ⅳ加強型分步聯(lián)合支護控制圍巖穩(wěn)定和施工安全：斷面形狀優(yōu)化、圍巖超前預固結(jié)預增強、聯(lián)合施加主動應(yīng)力使圍巖應(yīng)力狀態(tài)更好地恢復改善、圍巖增強、破裂區(qū)固結(jié)與損傷區(qū)修復、圍巖承載圈擴大。1、斷面形狀優(yōu)化：上下雙缺圓形或圓形巷道斷面；2、頂拱超前支護：6分圓管，L=4500，間排距500×2000超前注漿錨桿；3、頂幫一次支護：初噴50mm厚C20噴射混凝土噴層；Φ22，L=2500~2800，間排距700×700，F(xiàn)pre=50kN，Ⅳ級鋼高預應(yīng)力超強錨桿；29U，500型鋼支架。4、頂幫二次支護：復噴150mm厚，C20噴射混凝土，Φ17.8，L=6000~8000，間排距1400×1400mm，F(xiàn)pre=150kN高預應(yīng)力錨索；5、底臌控制：Φ22，L=2500~2800，間排距700，F(xiàn)pre=50kN，Ⅳ級鋼幫腳錨桿；Φ48×3.5，L=3000底角注漿錨桿；Φ17.8，L=6000，F(xiàn)pre=150kN底臌錨索；6、補強加固：開挖后10~20天全斷面注漿。Ⅴ加強型分步聯(lián)合支護控制圍巖穩(wěn)定和施工安全：斷面形狀優(yōu)化、圍巖形狀優(yōu)化、對圍巖超前預固結(jié)、聯(lián)合施加主動應(yīng)力使圍巖應(yīng)力狀態(tài)更好地恢復與改善、圍巖增強、破裂區(qū)固結(jié)與損傷區(qū)修復、圍巖承載圈擴大。1、斷面形狀優(yōu)化：上下雙缺圓形或圓形巷道斷面；2、頂幫超前支護：6分L=4500@500×2000超前注漿錨桿；3、頂幫一次支護：初噴50mm厚C20噴射混凝土找平層；Φ22，L=2000，間排距700×700，F(xiàn)pre=50kN，Ⅳ級鋼高預應(yīng)力超強錨桿；26U，500型鋼支架。4、頂幫二次支護：復噴150mm厚C20噴射混凝土；開挖后3~5天淺孔注漿，管長500mm，孔長1000mm，排距5000mm，每斷面布置5根，注漿壓力2.5MPa；補打Φ17.8，L=6000~8000，間排距1400×1400mm，F(xiàn)pre=150kN高預應(yīng)力錨索；5、底臌控制：Φ22，L=2500~2800，間排距700，F(xiàn)pre=50kN，Ⅳ級鋼幫腳錨桿；Φ48×3.5，L=3000底角注漿錨桿；Φ17.8，L=6000，F(xiàn)pre=150kN底臌錨索；6、補強加固：開挖后5~10天全斷面注漿。大斷面巷道分級支護設(shè)計理論2.煤礦爆破技術(shù)研究進展研究了大斷面巷道快速掘進快速支護理論研究圍巖穩(wěn)定控制合理的支護手段支護與加固淺層圍巖+深層圍巖圍巖自承體系的重要組成部分快速支護系統(tǒng)優(yōu)化支護承載結(jié)構(gòu)2.煤礦爆破技術(shù)研究進展（5）掘進機械化配套方式的研究鉆爆法為主的巖巷機械化作業(yè)線主要有三種。第一種是氣腿式鑿巖機配耙斗式或鏟斗式裝巖機作業(yè)線；第二種是鑿巖臺車配側(cè)卸裝巖機作業(yè)線。第三種是鑿巖臺車配履帶式挖掘裝載機（耙裝機）的作業(yè)線。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展（1）全液壓鑿巖臺車配側(cè)卸式裝巖機。側(cè)卸裝巖機可以提高了巷道施工的機械化率和施工速度。具有機動靈活，全斷面裝巖，不留死角，同時可以向一列礦車卸載。采用ZCO2B側(cè)卸裝巖機與CTH10O2F全液壓鉆車配套，在掘進斷面14~20m2的巷道中，月進尺可達210~260m。主要問題也是鉆眼與出矸不能平行作業(yè)和后配套能力不足，只適用于斷面寬度4m以上的巷道。

鑿巖臺車配側(cè)卸裝巖機作業(yè)線側(cè)卸裝巖機配全液壓鉆車2007年4月至2008年3月底，淮南礦業(yè)集團謝橋礦在-610m西翼進風石門及大巷，裝備了CMJ17型雙臂液壓鉆車打眼和側(cè)卸裝巖機的巖巷機械化作業(yè)線，累計進尺935m，折合標準巖巷月進尺125.3m，實現(xiàn)了快速、高效施工。2.煤礦爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀

開灤集團公司錢家營礦－850m水平東翼軌道大巷，半圓拱形斷面，錨噴支護和錨網(wǎng)噴支護，掘進面積為5.1m×3.85m，掘進面積16.84m2，采用CMJ17履帶式全液壓鉆車配ZC-3履帶式側(cè)卸裝巖機作業(yè)線。2005年累計進尺1202.6m，折合標準巖巷1648.6m，平均月進尺100.2m，折合標準巖巷月進尺137.4m，工效為2.18m/(工·月)，實現(xiàn)了快速、高效施工。2.煤礦爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀側(cè)卸裝巖機配皮帶轉(zhuǎn)載機（2）側(cè)卸裝巖機配皮帶轉(zhuǎn)載機。為縮短側(cè)卸裝巖機行走距離，提高裝矸效率，同時減輕側(cè)卸裝巖機履帶行走部對工作面巷道底板的輾壓破壞，改善工作面施工條件，在側(cè)卸裝巖機與礦車間增加皮帶轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。提高裝巖效率。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展（3）側(cè)卸裝巖機配耙斗裝巖機。側(cè)卸裝巖機與耙斗裝巖機配套，實現(xiàn)連續(xù)清理掘進工作面矸石，是中大斷面巖巷掘進施工較好的設(shè)備配套方案。該作業(yè)線適用于巷道寬度4.25~4.5m以上、巷道高度不低于4.5m，即斷面14m以上的巷道。

2.煤礦爆破技術(shù)研究進展改造前后的出矸系統(tǒng)示意圖淮南礦業(yè)集團礦業(yè)公司新莊孜礦在北二-812mB4底板膠帶機巷堅硬巖石巷道掘進中，CMJ-17HT履帶式全液壓掘進鉆車打眼、ZCD-6OR型側(cè)卸裝巖機、P-90B耙矸機、皮帶機聯(lián)合出矸，并且巧妙利用彎道，優(yōu)化出矸系統(tǒng)，取得了較好的效果。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展全液壓鉆車配履帶式挖掘裝載機（耙裝機）的作業(yè)線，主要采用全液壓鑿巖臺車打眼，耙裝機替代煤礦耙斗、側(cè)卸裝載機、立爪裝載機裝巖。鑿巖臺車配履帶式挖掘裝載機作業(yè)線2.煤礦爆破技術(shù)研究進展履帶式挖掘裝載機+二運皮帶+礦車組+牽引機車履帶式挖掘裝載機+單臺（多臺）梭式礦車+溜槽+礦車+牽引機車

2.煤礦爆破技術(shù)研究進展耙裝機使用案例：1、淮南礦業(yè)集團顧北煤礦：巷道斷面：寬5米，高5.5米；坡度16°；月進尺達150米。2、邯鄲礦業(yè)集團云架嶺煤礦：巷道斷面：寬4.6米，高5.0米；坡度28°；月進尺達130米。3、雙鴨山礦業(yè)集團雙陽煤礦：巷道斷面：寬4.5米，高5.5米；半煤巖巷；月進尺達230米。4、吉林遼源礦業(yè)集團西安煤礦：巷道斷面：寬5米，高5.5米；半煤巖巷；月進尺達180米。5、中鐵蘭渝鐵路蘭寨溝隧道：斷面尺寸：寬5.6米，高5.6米，配套運輸設(shè)備10m3側(cè)卸礦車，月進尺175米。2.煤礦爆破技術(shù)研究進展3.煤礦高效爆破掘進發(fā)展趨勢

3.煤礦高效爆破掘進發(fā)展趨勢1）深部礦井爆破理論研究隨著煤礦開采深度的增加，圍巖常常處于“三高一擾動”狀態(tài)，深部的爆破破巖機理已和淺部地層有較大區(qū)別，爆破破碎和圍巖穩(wěn)定的矛盾更加突出，必須深入研究深部巖體內(nèi)爆破荷載的歷程及其特征，荷載和巖體的相互作用；建立綜合體現(xiàn)不同比例距離處爆炸沖擊波、應(yīng)力波和地震波作用機理的本構(gòu)模型。3.煤礦高效爆破掘進發(fā)展趨勢1）深部礦井爆破理論研究

開展巖體動力本構(gòu)及動力特性應(yīng)力與變形場的時空描述，研究伴隨爆破破碎及拋擲運動的峰后爆破荷載作用歷程，降低爆炸載荷對圍巖的損傷和破壞作用。3.煤礦高效爆破掘進發(fā)展趨勢1）深部礦井爆破理論研究

研究巖體的破碎、開裂和損傷，