立井冻土段爆破炮眼快速成孔研究与施工实践_冻土爆破

　　【摘 要】 从冻土爆破炮眼成孔机理入手，结合目前的主要成孔机具，分析了两种钻眼成孔方式的优缺点，提出了新型钻眼机具的选型，并在顺和煤矿立井冻土段加以实践运用，创出了立井冻土段爆破月成井102.0 米的好成绩，为立井冻土段爆破快速施工带来了新经验。
　　【关键词】 冻 土 爆 破 成 孔 机 具
　　一、引言
　　冻结法是立井过深厚表土层最有效的施工方法之一，考虑到冻结壁、冻结管、掘进施工的安全，一般都要进行加强冻结，防止发生片帮、冻结壁破裂和冻结管断裂等事故。对于深厚表土层的立井来说，井筒冻结段下部（-360米左右）井帮温度一般在-10℃以下，冻土进入荒径1000 mm以上，更严重者，出现了井筒的全面冻实，冻土强度较土层大的多，不论是使用中心回转抓岩机挖掘，还是进行人工开挖，挖掘起来都特别困难，效率极低。为了降低劳动强度、提高施工效率、加快施工速度，冻土进入荒径较多时，目前大都采用爆破法掘进。
　　通过工程实践，冻土段使用爆破法掘进存在两个问题：1、冻结管的断裂；2、爆破炮眼成孔。对于冻结管的断裂问题，通过一系列的验证，完全可以得到预防，这也是冻土段使用爆破法施工的前提条件，施工中能够满足。对于炮眼成孔，冻土属于冰、水、土的“胶结”体，在这种冰“胶结”体中进行快速钻进成孔，有较大的难度。依照科学的成孔机理、选择合适的钻眼机具，是实现快速成孔的关键。
　　二、冻土爆破炮眼成孔方式与机理
　　冻土爆破炮眼成孔主要有两种方式：钻削方式和冲击破碎方式。
　　1、钻削方式
　　钻削冻土，往往采用容易钻进破土的“Y”字型钻头打眼，配合使用螺旋形麻花钻杆，成孔机理是钻头在钻进的同时，还有一个旋转运动，靠推力及扭转力先钻屑出小孔径破碎空间，随着钻头的推进，螺旋形麻花钻杆顺着小孔径切削进去，被钻削下来的冻土屑顺着麻花钻杆的螺旋槽挤压排出，依此不断钻进冻土形成竖向圆柱空间——炮眼。
　　2、冲击破碎方式
　　坚硬冻土的冲击破碎机理与岩石的破碎机理相似，钻机带动钎头对冻土进行冲击硬破碎，炮眼底部的冻土碎屑通过压风吹出，实现及时排粉，进而钻进成孔。两种成孔方式的比较：
　　三、新型冻土炮眼成孔机具
　　通过成孔方式的认识与比较，我们可以看出，钻削成孔与冲击破碎成孔各有优缺点，对于冻土来讲，从成孔机理与速度来说，钻削成孔要明显高于冲击破碎成孔，而且，作为冰、水、土冻结“胶结“的冻土，在冲击破碎下，很容易泥化，钻进效率低。对于大部分的冻土强度，不适合与高冲击的风动凿岩机钻进，如果冻土强度不够，采用冲击破碎冻土，常产生泥包钻头，这是因为碎屑没有及时排出，钎头不能压触在干净完整的冻土上，孔底冻土碎屑在连续冲击下变成泥浆，使钻头前部平滑，无法钻下去。而对于钻削成孔，只要动力源充足，大部分强度的冻土，都可采用其进行钻削成孔，但目前钻削成孔使用的均为煤电钻，对于强度稍高的冻土，该类钻机扭矩不够，钻不下去，且对于井筒施工来讲，动力源一般为压风，增设电路，施工复杂，且存在散电流，对爆破施工安全性影响较大。
　　不论是风动凿岩机还是煤电钻，在井筒冻土爆破施工炮眼中，均存在较大的缺点。因此，我们考虑采用新型冻土炮眼成孔机具：MQT—130T风动锚杆机（扭矩为130 N.m）、“Y”字型钻头配合自制螺旋形麻花钻杆（为了和锚杆机配套，对麻花钻杆进行了改装，钻杆前端为麻花、后端为六棱型，钻杆长度1600.0 mm）。以井筒施工动力源压风为动力，MQT—130T风动锚杆机配合“Y”字型钻头钻削，螺旋形麻花钻杆排粉，大扭矩钻削钻进，实现冻土爆破炮眼快速成孔。
　　三种冻土炮眼成孔机具与冻土强度以及成孔效率（能力）的定性比较，见图1。
　　四、施工实践
　　顺和煤矿主井井筒施工至-400米时，土层为灰白色局部灰绿色砂质粘土，井帮温度在-10℃左右，冻土进入荒径1000 mm以上，中心回转抓岩机挖不动冻土，人工开挖，工人劳动强度大，效率也很低，施工非常困难，为此决定采用冻土爆破法掘进施工。
　　1、爆破安全
　　为了防止冻结管的断裂，结合冻结造孔偏斜图，在符合《矿山井巷工程施工及验收规范》第4.2.28条“冻结地层采用钻爆法施工炮孔距冻结管的距离大于1.2米”的规定下，进行光面爆破参数设计。并考虑到冻土爆破的实际情况，采用小炮施工，设计直眼掏槽掏槽眼深度1.6米，其余炮眼深度1.4米，掘砌段高1.9米，每段高放两次炮。具体的爆破参数如表1。
　　2、炮眼快速施工
　　①、钻眼机具
　　选用MQT—130T风动锚杆机，自制Ф43.0 mm螺旋形麻花钻杆（前端麻花、后端六棱型），钻杆长度1600.0 mm，配合“Y”字型钻头打眼。
　　②、炮眼施工速度
　　根据冻土段爆破施工的现场统计，每台钻机平均钻眼成孔工作效率为：350.0 mm/min，且施工中基本没有出现钻不动或者泥包钻的现象，既实现了冻土炮眼快速成孔，又保证了施工的连续进行，验证了新型钻眼机具的实用性。
　　3、冻土段爆破施工成就
　　顺和矿主井2009年12月23日施工至-396.6 m处，矿方、监理以及施工单位共同决定采用冻土爆破往下进行掘砌施工，至2010年1月5日施工至-437.4 m处，揭露泥岩，进入基岩风化带施工，风动锚杆机配合自制螺旋麻花钻快速打眼成孔，中心回转抓岩机装矸、3.0 m3吊桶出矸，HZS750型搅拌机配用一台PL1600配料机拌制混凝土，加上科学的施工组织管理，主井冻土段爆破12天施工了40.8 m，创造了深厚表土下部冻土段爆破月掘砌102.0 m的好成绩。
　　五、效益分析
　　通过采用新型的钻眼机具，完全克服了在冻土中施工爆破炮眼的难点，在顺和矿的实际施工中，不但成孔速度高，每台钻机平均钻眼成孔工作效率为：350.0 mm/min，而且几乎所有炮眼一次成孔，大大优化了施工工艺和施工管理，为冻土段爆破快速掘砌创造了条件。通过科学的施工组织与管理，顺和矿主井在冻土段爆破月掘砌102.0 m，节省建井工期超过1.5个月，创造经济效益逾2千万。
　　随着新建矿井深度的不断加大，冻结深厚表土的矿井越来越多，在冻结表土下部出现吃冻土掘进已很难避免，鉴于顺和矿主井冻土段爆破施工的成功经验，具有巨大的社会推广价值。

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