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受《煤炭科学技术》编辑部邀约，北京科技大学杨仁树校长在《煤炭科学技术》2021年第1期撰文“煤矿岩巷爆破掘进炮孔密度优化研究”。
杨仁树（1963-），男，安徽省和县人，教授，博士生导师。现任北京科技大学校长，中国爆破行业协会轮值会长，“深部岩土力学与地下工程”国家重点实验室矿山建设工程学术带头人。
主要从事：矿山建设工程、岩土工程、工程爆破等领域的研究与教学工作。科研成果先后获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖9项。1994年获中国科技技术发展基金会“孙越琦优秀青年科技奖”，同年获准享受政府特殊津贴；1996年被授予“中央国家机关优秀青年”；1997年获中国科技发展基金会“茅以升北京青年科技奖提名奖”，同年被确定为“江苏省跨世纪学术、技术带头人培养对象（第二层次）”；1998年获霍英东教育基金会“高等学校青年教师奖（研究类）”，同年被确定为煤炭系统专业技术拔尖人才；2000年荣获教育部首届“青年教师奖”；2003年被评为“煤炭工业技术创新优秀人才奖”。作为项目负责人或主要参与人，先后承担国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家科技支撑计划、国家重点研发计划等项目20多项，发表学术论文100余篇（其中SCI、EI检索论文60多篇），出版专著、教材4部，获国家发明专利22项。
岩巷掘进工作面的炮孔密度（全断面炮孔数与断面面积之比）很大程度上影响了凿岩工作量和爆破效果，为了实现岩巷的快速掘进，需要对岩巷爆破的掏槽结构和其他爆破参数进行优化，在保证爆破循环进尺和巷道周边成型质量的基础上减少全断面炮孔数目，降低炮孔密度。根据在岩巷爆破掘进现场收集的资料，建立岩巷掘进爆破参数数据库，其中包含施工时间、矿区位置、掏槽方式、岩石普氏系数、掘进断面面积、全断面炮孔数目、炮孔深度、炸药单耗和炮孔利用率９个特征参数。通过 对关键参数下的炮孔数目与断面面积进行线性拟合，得出关键参数在不同区间的炮孔密度变化规律，研究表明：大部分工程的炮孔密度约为５个/ｍ２；炮孔密度与各参数具有一定相关性。其中，中深孔爆破的炮孔密度拟合值大于浅孔爆破；炸药单耗增大时，炮孔密度明显降低；炮孔利用率增大时，炮孔密度出现增大趋势；硬岩巷道的炮孔密度显著大于软岩；斜孔掏槽形式下的炮孔密度大于直孔掏槽的 炮孔密度。炮孔密度较大是由于受到岩石破碎机理影响与爆破技术的限制，从而提出改进爆破技术， 即采用二阶二段掏槽技术和周边孔切缝药包定向断裂控制技术。通过现场试验，发现同时采用二阶二段掏槽和周边孔切缝药包定向断裂控制技术既能够大幅降低炮孔密度，由５个／ｍ２降到４个／ｍ２， 还可以保证爆破效果。研究对提高我国煤矿岩巷的快速掘进水平具有参考价值。
在整个煤矿开采的过程中，采煤的工艺技术已经十分成熟，但是岩巷的掘进效率却制约着煤层回采的高效性。在整个煤矿开采的过程中，采煤的工艺技术已经十分成熟，但是岩巷的掘进效率却制约着煤层回采的高效性。煤矿岩巷的施工掘进中，主要的掘进技术有2种:机械化程度较高的综掘机掘进和钻爆法破岩掘进使用掘进机掘进容易受限于断面大小与岩层硬度。
为提高爆破掘进效率，相关领域学者对爆破参数优化进行了研究，陈群忠基于陈四楼煤矿工程实际条件，设计优化了爆破方案，提高了试验巷道的炮孔利用率并保证了巷 道周边成型质量。张召冉等以淮南矿区为工程 背景，发现爆破、支护技术、凿岩设备、组织管理制度 这4个因素对岩巷施工速度的影响最明显。胡坤伦等研究了如何选择不同工程条件光面爆破参数，试验表明岩巷爆破中掏槽孔采用大直径而周边及辅 助炮孔采用小直径能够提高爆破效率。王越等设计了复合掏槽方案，并通过数值模拟和现场试验证明采用垂直楔形复合掏槽技术可大幅提高爆破效果。从以上研究可以看出，对爆破参数优化研究较多，而具体到炮孔密度优化的方向鲜有 报道。通过建立岩巷掘进爆破参数数据库，分析炮孔密度与其他爆破参数的关系，并对相关爆破参数进行优化，从而降低炮孔密度并减少炮孔数量。
1 岩巷掘进数据库建立
爆破数据主要来源于爆破领域专家学者科研成果和生产一线工程案例:从学术专著、论文和报告中提取相关数据 ;深入煤矿生产一线，收集典型工程案例数据。数据库包含矿区位置、施工时间、掏槽方式、岩石普氏系数、掘进断面面积、全断面炮孔数目、炮孔深度、炸药单耗、炮孔利用率9个特征参数。统计发现，数据库中绝大多数样本案例采用普通药包爆破手段。数据库地域范围涵盖了我国山西、河北、山东、河南、安徽等12个主要产煤地区。
2 炮孔密度影响因素分析
分析炮孔密度与不同爆破效果影响因素(炮孔深度、炮孔利用率、炸药单耗以及掏槽结构等) 的关系，利用Origin分别对不同爆破影响因素的全断面 炮孔数目及断面面积参数进行线性拟合，得到不同影响因素下炮孔密度的拟合直线，及各参数与炮孔密度关系，为后续现场爆破试验提供数据支撑和经验指导，岩巷样本数据见表1。
2.1 炮孔密度与炮孔深度的相关性
炮孔分为1.5m以下的浅孔，1.5~2.5m的中深孔以及2.5m以上的深孔。浅孔爆破虽然钻孔工作量较少，但是钻孔外的辅助工作时长增加，月循环进尺较短，掘进效率较低。深孔爆破可以提高单循环进尺，但是钻孔工作较困难，且由于深孔受岩石夹制作用，炮孔利用率降低，爆破效果较差。实际施工中采用最多的是中深孔爆破，因其既能保证爆破效果，又可在正规作业循环时间内完成。不同炮孔深度区间的炮孔数目与断面面积关系如图2所示。
由此可见，炮孔深度在0~1.5m的炮孔密度拟 合值为4.72个/m2，深度1.5~2.5m的炮孔密度拟合值4.62个/m2。
2.2 炮孔密度与炸药单耗的相关性
炸药单耗过小会导致欠挖、炮孔利用率低、大块率高等较差的爆破效果。炸药单耗过大会导致超挖、破坏围岩稳定性、炸药浪费、增加经济成本等问题。确立合理的炸药单耗，可保证巷道成型、大块率、炮孔利用率等爆破效果。工程中的炸药单耗主要集中在1.5~2.5kg/m3。不同炸药单耗区间的炮孔个数与断面面积关系如图3所示。
由此可见，炸药单耗大于2.5kg/m3时的炮孔密 度(4.67个/m2)明显小于炸药单耗1.5~2.5kg/m3时的炮孔密度(4.86个/m2 )，说明当炸药单耗增大到一定值时，所需的炮孔密度明显降低。
2.3 炮孔密度与炮孔利用率的相关性
2.4 炮孔密度与岩石普氏系数的相关性
3 炮孔密度影响因素分析及优化
3.1 普通爆破的炮孔密度
从以上5个特征参数的炮孔密度拟合直线可知，普通爆破掘进方法中炮孔密度为5个/m2，主要原因如下：
1)岩石爆破机理的影响。
2)传统工艺的影响。
3)掏槽形式的影响。
3.2 炮孔密度优化措施
根据炮孔密度影响因素的分析，得出优化炮孔密度需要改进爆破技术与掏槽形式。本节提出采用切缝药包爆破技术与二阶二段掏槽爆破技术，以实现炮孔密度的优化。
1)切缝药包爆破技术。
2)二阶二段掏槽爆破技术。
4 现场试验
4.1 工程概况
4.2 原爆破方案及其爆破效果
4.3 炮孔密度优化方案及爆破效果评价
5 结 论
1)我国近40a钻爆法掘进的煤矿岩巷中，在岩石普氏系数、断面面积、炮孔深度、炸药单耗、炮孔利用率5个特征参数下，炮孔密度呈现一定变化规律。不同特征及其不同区间的炮孔密度拟合值约为5个/m2，尚有一定优化空间。
2)现场对比试验表明，采用二阶二段掏槽结合周边孔切缝药包定向断裂控制爆破技术，可以在保证较好爆破效果的同时，使炮孔密度降低 10%，即由5个/m2降为4个/m2。
3)通过降低炮孔密度，优化爆破参数，可以减少打孔作业量，提高爆破效率，且能够保证爆破效果。对提高我国煤矿岩巷的快速掘进具有重要意义。
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