煤矿井下物理爆破快速拆除密闭工艺

煤矿井下物理爆破快速拆除密闭工艺
翟小伟;杨琛;宋先明;王炜罡
【摘要】为了解决目前煤矿井下密闭墙拆除时间长、效率低、成本高,拆除技术落后的根本问题,基于新型物理爆破快速拆除井下密闭墙技术,通过对其钻孔工艺和爆破工艺进行研究,结合煤矿井下密闭墙的特点,提出出密闭墙爆破安全距离10 m,将密闭墙拆除工艺成本控制在200元以内,施工时长为15 min的新型工艺.结果表明,煤矿井下物理爆破快速拆除密闭工艺有效保障了煤矿井下密闭拆除的安全性,提高了煤矿井下密闭拆除工作效率.
【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)005
【总页数】4页(P104-106,109)
【关键词】井下密闭;钻孔工艺;爆破工艺;安全防护;密闭墙
【作者】翟小伟;杨琛;宋先明;王炜罡
【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安710054;兖矿集团公司,山东邹城272100;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安710054【正文语种】中文
【中图分类】TD745+.23
目前国内煤矿井下密闭墙结构一般使用传统的砖墙结构或者混凝土结构，施工材料为砖块、黏土、砂石、水泥等建筑材料[1]，同时存在抗压能力差、容易受力变形、缓冲性能差[2]，对井下密闭墙的快速拆除以及救援工作带来了困难和危险。

一般
井下密闭墙拆除采用铜锤和风镐等其他机具拆除，但是由于我国高瓦斯煤矿与瓦斯突出矿井约占全国矿井总数的30%左右[3]，此类拆除工艺容易产生火花，增大瓦斯事故发生的可能性，不适合在瓦斯矿井使用[4]。

为了完成密闭墙的拆除工作，
只能由救护队员使用其他工具对密闭墙进行拆除，人工拆除的劳动强度高，工作效率低，拆除时间长[5]。

为了减少劳动强度，将二氧化碳炮爆破法运用到煤矿爆破中，将起爆器与高压管连接，将二氧化碳气通过高压管造成的冲击波往侧向爆发，从而达到密闭墙的爆破效果。

二氧化碳炮高压管的专用活化器是一次性产品，这样增加了现场应用成本[6]。

由于矿井密闭墙的快速拆除研究相对较少，因此研究新
型煤矿井下密闭墙快速拆除工艺是高效现代化机械矿井所需要的，对井下密闭墙快速拆除的应急救援提供新型技术支持。

1 物理爆破拆除井下密闭工艺
物理爆破快速拆除井下密闭墙技术由钻孔工艺和爆破工艺组成，钻孔工艺的装置由移动电源装置和钻孔装置组成；爆破工艺的装置[7]由基础装置、导爆装置、导向器、引爆触发装置和拉绳所组成。

拆除井下密闭工艺流程见表1。

表1 物理爆破快速拆除井下密闭工艺施工流程步骤施工流程施工内容1 准备工作检查所有设备完好性；连接移动电源装置与钻孔装置2 钻孔施工试钻，钻出浅坑
确定钻孔方位；确定钻孔长度、角度、孔径3 爆破装置连接连接导爆装置与底座；连接导向器；确定起爆方向4 爆破剂安装固定增效激波管；向钻孔灌入破拆介质
5 爆破工艺完善确定爆破装置安装完善；加强安全防护措施以及起爆
6 试验完毕
检查试验效果；清理试验场地
1.1 钻孔工艺
钻孔装置的动力源由24 V 120 Ah的三元锂电池组串联而成，由正玄波逆变器提
供3 000 W的大功率电源，为金刚石水钻机提供220 V电压，根据密闭墙的材质确定钻孔施工的钻孔长度、成孔倾斜角度，孔径等。

钻孔工艺流程图如图1。

图1 钻孔工艺流程图
1.2 爆破工艺
将导爆装置底部2个方形对向泄压口正确放入钻孔中，1个泄压口面向墙体正面，另1个面向墙体背面。

通过爆破装置的激波管激发时能迅速产生压力和大量气体，利用导爆装置和钻孔中具有不可压缩性以及能量传递效率高的水作为传播介质，通过2个泄压口进行传递，密闭墙在应力波的作用下形成向前和向后为主的径向裂隙，裂隙在高压气体的作用下向前延伸，致使自由面的介质破碎，并对破碎介质进行抛掷[8]。

爆破工艺设备连接示意图如图2。

图2 爆破工艺设备连接示意图
2 密闭拆除工艺现场应用
2.1 井下密闭墙概况
现场应用的密闭墙为某煤矿的13上01运输巷联络巷密闭墙，该密闭墙的工作面
属于3上自燃煤层；无高瓦斯区；预计其CH4相对涌出量0.29 m3/t,CO2相对
涌出量1.4 m3/t；煤层爆炸指数44.7%；工作面无明显矿山压力显现，无冲击地
压危险。

密闭墙位置均为锚喷支护不需要掏边槽；使用砌块砌墙，砌块的缝宽为10～20 mm，墙心逐层用水泥砂浆灌满。

密闭墙的规格参数见表2。

表2 密闭墙规格参数位置断面形状支护方式墙体厚度/m巷道宽度/m巷道高度
/m 墙体密闭1密闭2拱形矩形锚喷锚喷0.5 0.5 3.3 3.3 2.9 2.8砌块砌块
2.2 钻孔施工
钻切前，接通钻孔装置专用水泵的电源，保证钻孔施工过程中水钻机的给水。

根据
密闭墙的材质和结构，选用直径为56 mm的钻头进行钻孔。

保持钻孔装置与密闭墙正面在钻孔施工过程中形成45°夹角，从而保证爆破工艺所需的成孔倾斜角。

钻切时，不断调整水钻装置的移动速度，排出钻孔内多余的岩芯，使钻孔的长度为
45 cm。

钻孔施工时长为9 min，完全达到快速钻孔施工的设计要求。

2.3 爆破效果
1）1#密闭墙爆破效果。

1#井下密闭墙爆破效果较理想，爆破后密闭墙体的外在
表现主要是爆破体积和裂缝的数量上。

密闭墙正面爆破出的介质被抛掷在一定范围内，爆破的体积可以近似看作1个爆破漏斗，直径为68 cm，深度为20 cm；背
面形成最大深度为18 cm，水平54 cm，上下38 cm；爆破飞溅物的安全距离为1.7 m。

而且在密闭墙体孔径内、背面都造成明显的裂缝，墙体水平形成的裂缝比较多，在钻孔部分、导爆装置泄压口附近的孔壁破坏相对明显。

爆破后墙体失去原有的整体性，密闭墙失去原有的强度，使拆除劳动强度明显降低。

2）2#密闭墙爆破效果。

为了研究爆破工艺的串联装药方式和钻孔工艺的钻孔方位，在2#密闭墙和巷道岩层交接处进行钻孔施工，且2#密闭墙爆破在1#密闭墙爆破
的基础上增加装药量（增加1个增效激波管），同时增加正面安全防护措施，将
爆破装置使用铁丝固定，在正前方使用木板遮挡，测试安全防护性能。

爆破效果显示2#密闭墙和巷道岩层四周没有形成明显的爆破漏斗及裂缝，并有增效激波管未
充分爆炸的情况，未能使增效激波管充分发挥作用。

但钻孔内孔壁的混凝土和岩层在爆破中使其原有强度部分遭受破坏，密闭墙拆除劳动强度相对减少。

3 效果分析
3.1 钻孔方位对爆破效果的影响
爆破过程中钻孔内会产生应力波，其作用能使钻孔内的岩石、混凝土等被爆介质产生弹性变形和破坏，与岩层相比，砌块密闭墙的抗压抗拉强度要小，所以钻孔方位使第2发增效激波管未能充分激发，导致2#井下密闭墙爆破效果没有1#井下密
闭墙爆破效果明显，出现增效激波管的药剂未能充分发挥。

相反1#井下密闭墙成
的破碎区更大，裂隙区的裂隙更多、裂缝更宽，前后面均可以形成较好的爆破漏斗。

3.2 增效激波管在爆破过程中的作用
非炸药激波管为爆破装置提供能量，当其被激发时，会产生应力波和高压膨胀气体。

增效激波管可对孔壁产生300～500 MPa压力，可以避免使用高能炸药而产生的
冲击波，这就使得激波管安全性更加突出。

3.3 爆破后参数分析
当激波管被激发后，激波管迅速产生压力波通过介质首先冲击孔壁，造成孔壁的初始开裂，并在介质中激起应力波。

迫使介质渗入裂隙中，胀裂裂隙形成裂缝，形成片落现象[9]。

1#井下密闭墙的爆破参数见表3。

表3 密闭墙爆破物理参数破坏面积/m2 φ（CO）/10-6距爆点5 m 1.520.240.5
无3641.2 φ（O2）/%φ（CO2）/10-6 φ（CH4）/10-6距爆点2 m粉尘浓度/（mg·m-3）
由表3可以看出，13上01运输巷联络巷密闭墙爆破过程中，距离爆破点远的地
方CO浓度不是特别高，但距离爆破点近的地方CO瞬间产生率较高，且不会对操作人员产生伤害，粉尘浓度相对较低，适合爆破后操作人员的工作环境。

3.4 爆破过程中的安全性和安全措施
1#密闭墙爆破在没有任何安全防护措施下引爆，存在严重的安全隐患。

由于煤矿
井下环境的特殊性，2#密闭墙的爆破使用刚性防护和柔性防护[10]，先用18 mm 钻头钻出孔深为30 mm的浅孔，将膨胀螺丝放入浅孔中，用铁丝连接膨胀螺丝和爆破装置，防止爆破装置整体飞出，保障爆破施工的顺利进行[11]。

柔性防护使用木板遮挡，确保安全距离为10 m。

4 结论
1）不同于其他井下密闭墙的爆破方法，本文爆破工艺的破拆介质为水，通过爆破
时引起介质的破坏有2种作用：一种是应力波作用，另一种是高压气体的准静态膨胀作用进行爆破，故此爆破工艺适用矿井范围广，对高瓦斯矿井密闭墙的拆除具有借鉴作用。

2）将物理爆破快速拆除井下密闭的工艺分为钻孔工艺和爆破工艺，通过测试2个工艺的不同参数和措施，明确了钻孔工艺的有效施工时间为7 min，爆破工艺的有效施工时间为8 min，使快速拆除井下密闭墙技术的工作效率得到提高，显著减少了工人的劳动强度并使密闭墙的拆除成本降低在 200元以内。

3）研究了爆破过程中的安全性和安全防护措施，通过刚性防护和柔性防护解决了安全隐患，为以后爆破工艺安全防护改进提供了技术支持。

【相关文献】
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［11］李宣东，傅贵，陆柏.双因素理论与安全事故预防［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2005，24（5）：771-774.。