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爆破法破冻土的研究与应用

2010-03-23 12

 

  1    王从平2

 

(1.淮南工业学院,安徽2320012.淮北矿业集团工程建设公司,安徽235000)

 

     在实验室中进行了以冻结沙土为原形模拟立井表土冻结段爆破法施工中的掏槽爆破和光面爆破模型试验研究,然后将试验结果应用与工程实践去验证和完善。结果表明:浅眼多循环,眼深l.21.4m为宜;较为合理的掏槽参数为:圈径1.01.2m,眼距500700mm,单位耗药量2.22.8kgm3;较为合理的光爆参数为:眼距500600mm,光爆层厚度500700mm,炮眼密集系数0.81.2,炮眼装药集中度120160 gm,空气垫层或空气间隙不耦合装药结构。

关键词  立井掘进,冻结表土,掏槽爆破,光面爆破

 

1  引 言

冻结法凿井是立井掘进通过不稳定表土层最有效的施工方法之一,但当冻结地层较厚时,常出现井筒断面冻实的现象,造成人工破土困难、强度大、效率低等问题,严重影响掘进进度。例如我们施工的山东济宁矿区的一个冻结立井,在未采用爆破法施工前,人工挖土一个班进尺仅150mm。以前虽有人开始试用爆破法破碎冻土,但因缺乏试验研究和实践经验,以及害怕爆炸应力波和爆破震动造成冻结管断裂而使该项技术的应用基本处于停滞状态。众多冻结基岩段爆破法施工的经验表明:只要冻结管与井筒掘进荒径有一定的距离且采用相应的安全措施,由爆破造成其断裂的可能性很小。因此可认为爆破法破冻土是可行的。鉴于此,我们力图在实验室模型试验以寻求较全理的掏槽形式和掏槽参数、光爆装药结构和光爆参数的基础上,将其技术应用于工程实践。

 

2  冻土爆破模型试验

模型试验研究的技术路线是:

1)根椐原型冻土条件初选掏槽参数和光爆参数,并按相似比推算到模型上:

2)要过单自由面下垂直单孔爆破漏斗试验,求出掏槽爆破时的最佳单位耗药量以及光面爆破时的装药结构等;

3)采用药量不变改变孔网参数的方法进行掏槽爆破试验和光面爆破试验,确定合理的掏槽参数和光爆参数。

2.1  模型材料和相似炸药

模型试验的原型冻土为不稳定表土层中常见的冻结砂土,冻结温度T=-10-12℃,炮眼深度Lb=1.01.6m,炮眼直径db=4042mm,原型炸药为2号岩石铵梯炸药。模型材料为原型砂土,其物理力学性质见表1

l  冻结砂土的物理力学性质 

模型规格:掏槽爆破声ф400mm×220mm,光面爆破500mm×400mm×250mm,其他爆破试验400mm×400mm×200mm。为使试验更接近工程实际,掏槽爆破时模型外用多匝铁丝捆绑以增大约束,光面爆破时模型根据眼深预留光层,模具由白铁皮卷砸而成,试验时砂土按要求冻实并达-12°C

2号岩石铵梯炸药难以满足小直径下稳定爆轰和传爆的要求,故以黑索金(RDX)和黑火药(HHY)的混合药为模拟炸药即主爆药,其配比为RDXHHY=0.850.15。炸药密度08gcm。,爆速1500ms,牛皮纸外壳,内径4.5mm,特制小雷管(0.24gDDNP)起爆,经漏斗体积换算0.24gDDNP当量于0.16g主爆药。

取几何相似比110,孔径也=60mm,未满足要求,但试验结果证明在炮孔长径比较大(Lbdb >10)时,对试验结果影响较小。

2.2  掏槽爆破试验

掏槽爆破参数见表2。由相同试验条件下的单孔爆破漏斗试验求得该种冻结砂土爆破时的最佳单位耗药量约为q=2.5kgm3左右。参照孔网布置参数,取单孔药量为Q=O.41g,因药量较少,装药集中孔底,而为了使炸药爆破作用沿炮孔全长均匀分布,试验采用上部空气垫层装药结构。孔口粘土封堵长度L=40mm,因温差关系,炮泥很快与孔壁冻结在一起。试验实测的掏槽效果汇于表2中。

2  掏槽爆破模型试验结果

Table 2  Testing result Of slot drawing blasting model

表中各符号的物理意义:Lb为炮眼深度;D为炮眼布置圈径;E为炮眼间距;N为炮眼个数;q为单位耗药量;Q为单眼药量;k为空气垫层长度;H为槽腔深度;v为槽腔体积;R1R2为槽腔上下半径;η为炮眼利用率。

综合考虑表2中的各槽腔参数可得:在该试验条件下眼深Lb=120140mm,圈径D=100120mm时能获得较好的掏槽效果,槽腔体积大;炮眼利用率高(平均在90%以上)。由此推算到原型上便有合理的掏槽爆破参数:单位耗药量q=2.22.8gcm3,眼深Lb=120140mm,圈径D=1.01.2m,眼距E=500700mm

2.3  光面爆破试验

光面爆破参数见表3。先行进行小型光爆试验,经对炮眼利用率、光爆断裂面的平整度、光爆眼痕率及眼痕长度等因素综合分析优选光爆参数。据此进行光爆试验,结果计人表3中。单孔药量O.30g,空气垫层装药结构。

 

3  光面爆破模型试验结果

Table 3  Testing result Of smooth blasting model

表中各符号的物理意义:W为抵抗线;m为炮眼密集系数;La是空气垫层长度;ηb为光爆眼痕率;h1h1为光爆断裂面的平均凹凸量;其它符号意义同前。

由表3可以看出,光爆眼痕率均达100%,但在不同的炮眼密集系数下,光爆断裂面的平整程度不同,在m=0.81.2时,光爆断裂面较为平整,光爆效果良好。

 

3  工程实践

3.1  工程概况

井筒净直径4.5m,表土层厚288.9m,主要是砂土和粘土,冻结深度320m。双层钢筋混凝土井壁,厚800mm,因此表土段掘进荒径6.1m。当掘进至井深110m时,井筒全断面冻实,人工挖掘非常困难,一个班进尺仅150200mm,工人劳动强度大,工作效率极低。为了减轻工人劳动强度,提高掘进速度,经论证后决定采用钻眼爆破法通过,但必须保证冻结管不因爆破造成断裂和破裂。

为此,我们详细分析了爆破作业区内冻结管的偏斜情况,计算每一根冻结管距井邦的最短距离,确定危险冻结管。经分析计算知在-150m即垂深187m处冻结管距掘进荒径均在1.9m以上,只有两个测温孔距离较近,分别在0.988m1.022m,此两孔也必须保护好,以保证下部冻结壁的监测和分析工作顺利进行。故决定在此两测温孔附近的周边眼加密,并少装药甚至不装药。

3.2  爆破参数设计

采用YT24型风动凿岩机和1.2kW煤电钻联合钻眼,钻眼直径42mm,对于冻结后强度较大的钙质粘土或砂土用风动凿岩机钻眼,钻眼速度可达0.250.33mmin,当遇到较弱的粘土夹层夹钻情况严重时,改用煤电钻钻眼,并需常提钻排渣,其钻眼速度较低只有0.15O.20mmin2号岩石铵梯炸药,秒段发延迟电雷管,地面380V动力电源起爆。

在实验室模型试验的基础上,并经试爆调整后的爆破参数装药见表4。单阶直眼掏槽,也部分地采用了锥形掏槽,掏槽爆破设计的单位耗药量约为q=2.78kgm3;周边眼采用药包装至眼底上部预留空气垫层装药结构,装药集中度为qL=150 gm ,而需保护的测温孔位置用红漆醒目地标在井邦上。

4  冻土掘进爆破参数

Table 4   blasting palwdlnleters for dipgging frozen soil

4Qd为每圈炮眼装药量,其它符号的物理意义同前。

爆破作业一直进行的很顺利,未出现任何安全事故。炮眼利用率均在85%以上,平均达93.6%;周边光面爆破效果良好,光爆断裂面较为平整,平均眼痕率达87.2%。平均每个循环的炸药消耗量q=0.793kgm3,平均每班掘进进尺2.0 m左右,掘进速度较以前提高了1215倍。

 

4  问题讨论

试验研究和实践应用结果表明:

(1)立井掘进爆破不仅可使用在基岩段冻结,在冻结表土段同样可以实施。只要措施得当,完全可以保障冻结管不因爆破而造成断裂和破裂;

(2)冻结表土段掘进爆破宜采用浅眼多循环作业方式,这不仅可以减少每循环的总药量以求减少对冻结管及冻结壁的震动作用,而且还可以避免因钻眼过深出现的夹钻现象,眼深以h=1.21.4m为宜。

(3)冻土段的钻眼机具目前仍是一个有现实意义的研究课题,我们认为冻土段应采用风动凿岩机和煤电钻联合的钻眼方式。冻土的可钻性变化大,冻实后强度变化也大,呈脆性的土层可用风动凿岩机钻眼,而遇粘性的软弱夹层时,则采用煤电钻钻眼。

(4)掏槽方式可为筒形,也可以采用锥形,较为合理的掏槽爆破参数为:设计单位耗药量约q=2.22.8kgm3,圈径D=1.01.2m,眼距E=500700mm

(5)井筒周边应采用光面爆破,炮眼宜布置在断面设计轮廓线上,眼底控制在轮廓线外50mm以内。较为合理的光爆参数为:眼距E=500700mm,抵抗线W=500700mm,炮眼密集系数m=0.81.2,炮眼装药集中度qL=120160 gm,轴向空气垫层或径向空气间隙不耦合装药结构。

  (6)崩落爆破可采用的爆破参数为:眼距E=700850mm,抵抗线W=550700mm,炮眼密集系数m=0.81.2,单位耗药量q=0.50.7kgm3

  (7)由于冻土有较大的塑性变形,为提高炸药爆炸能量的有效利用率和减少对周边冻结壁的破坏,应采用低爆速高威力炸药,目前煤矿井下常用的2号岩石铵梯炸药较为适宜并且具有良好的抗冻性。