巖巷掘進(jìn)掏槽爆破理論與技術(shù)研究進(jìn)展

黃寶龍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

目前，我國煤礦巖巷掘進(jìn)普遍采用鉆孔爆破法，所以爆破技術(shù)是影響和制約巖石巷道掘進(jìn)速度和質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)之一。

巖巷爆破掘進(jìn)的特點(diǎn)是只有一個(gè)自由面，所受的夾制力很大，不利于爆破[1]。為了克服此困難，在工作面布置掏槽炮孔，首先爆破掏槽炮孔，形成槽腔，產(chǎn)生新的自由面，從而為后繼炮孔爆破提供有利條件。掏槽效果決定了炮孔利用率，因此，掏槽方式的選擇與掏槽爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵。目前，掏槽方式一般可分為兩大類：斜孔掏槽和垂直孔掏槽，它們各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，適用的范圍也各不相同。

數(shù)十年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖巷掏槽爆破問題，通過理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多種途徑開展了大量研究，取得了許多成果。本文歸納分析了掏槽技術(shù)的研究進(jìn)展，并介紹了一種新的掏槽技術(shù)——準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)。

1 斜孔掏槽技術(shù)研究現(xiàn)狀

斜孔掏槽是我國煤礦巖巷掘進(jìn)所普遍采用的方式。斜孔掏槽的特點(diǎn)是掏槽炮孔與巖巷掘進(jìn)工作面斜交。斜孔掏槽通常有以下幾種基本形式[1]：①楔形掏槽；②半楔形掏槽；③錐形掏槽；④扇形掏槽。斜孔掏槽的優(yōu)點(diǎn)主要有：適應(yīng)性強(qiáng)，任何巖石均可采用；拋擲能力強(qiáng)，槽腔內(nèi)已破碎的巖塊容易拋出，從而產(chǎn)生有效自由面；需要的炮孔數(shù)量少；精度要求低，掏槽效果受炮孔位置和傾角的精確度影響較小。

斜孔掏槽的缺點(diǎn)主要有：①炮孔與工作面的夾角范圍為55～75°，進(jìn)行深孔爆破時(shí)，受巷道斷面寬度限制，鉆桿無法擺開，炮孔深度受限；②巖塊拋擲距離長(zhǎng)，易崩壞臨時(shí)支護(hù)和巷道的設(shè)備，爆堆分散，造成裝巖與清碴困難；③槽口部位為后繼炮孔提供的自由面的抵抗線小，而槽底部位的抵抗線大，由于槽底巖石所受的夾制作用要強(qiáng)于槽口部位的巖石，因此，對(duì)后繼炮孔爆破不利。由于上述原因，中深孔爆破采用斜孔掏槽方式的爆破效果不佳。

斜孔掏槽的爆破機(jī)理復(fù)雜，目前關(guān)于斜孔掏槽爆破的文獻(xiàn)大多是工程應(yīng)用總結(jié)，理論研究很少。

2 垂直孔掏槽理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀

垂直孔掏槽的特點(diǎn)是[1]：炮孔全部與工作面垂直；所有炮孔互相平行；炮孔的間距較?。灰话愦嬖谝欢〝?shù)量的空孔，這些空孔作為其他炮孔的自由面，并為破碎巖石膨脹提供補(bǔ)償空間，空孔直徑大于或等于其他炮孔直徑。垂直孔掏槽可歸納為4種類型：角柱形、螺旋型、裂隙型與分層裝藥逐段掏槽。

垂直孔掏槽的優(yōu)點(diǎn)：①掏槽布置不隨炮孔深度和斷面寬度的改變而改變，而只是將裝藥量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，方便實(shí)行機(jī)械化鉆孔；②爆堆集中，便于出碴；③巖塊拋擲距離小，臨時(shí)支護(hù)與巷道內(nèi)的設(shè)備不易被崩壞；④巷道斷面寬度對(duì)深孔爆破無影響。

垂直孔掏槽的缺點(diǎn)：技術(shù)復(fù)雜；炮孔數(shù)量多；炸藥單耗高；形成的槽腔較??；拋擲能力差；精度要求高，掏槽效果易受炮孔間距和平行度的誤差所影響。

2.1 垂直孔掏槽理論研究進(jìn)展

為了滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需求，從20世紀(jì)50年代開始，眾多學(xué)者與工程技術(shù)人員對(duì)垂直孔掏槽爆破進(jìn)行了理論研究。

2.1.1 空孔效應(yīng)

垂直孔掏槽一般都布置了空孔，空孔具有以下作用[2]：為應(yīng)力波反射提供自由面；應(yīng)力集中作用；卸壓作用；為破碎巖石提供膨脹空間作用。數(shù)十年來，多位學(xué)者對(duì)空孔的作用及參數(shù)進(jìn)行了研究。

U.Langefors等[3]根據(jù)巖石在爆破作用下所產(chǎn)生的3種不同的破壞情況：破碎、拋擲與塑性變形，確定了不同的空孔直徑情況下相應(yīng)炮孔間距的范圍，在其建立的計(jì)算公式中體現(xiàn)了空孔的作用。

對(duì)空孔的應(yīng)力集中作用，已進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。正交試驗(yàn)分析得知，空孔半徑是影響掏槽效率的最顯著因子[4]。

從上述研究成果來看，空孔在垂直孔掏槽中起到了至關(guān)重要的作用。但由于空孔效應(yīng)研究涉及的因素眾多，此方面還值得深入探討。

2.1.2 拋擲過程

槽腔內(nèi)破碎巖塊的拋擲過程，對(duì)于理解掏槽爆破機(jī)理十分有益，已有多位學(xué)者研究了垂直孔掏槽的拋擲過程。

林從謀等[5]將槽腔劃分為2個(gè)區(qū)域，利用流體動(dòng)力學(xué)基本方程，建立了槽腔內(nèi)破碎巖塊拋擲過程的物理模型和數(shù)學(xué)模型。對(duì)于槽腔內(nèi)的巖塊拋擲體，張奇[6]建立了二相流運(yùn)動(dòng)模型。林大能等[7]認(rèn)為槽腔內(nèi)碎塊是在內(nèi)側(cè)氣碎混合體的膨脹壓力下，克服側(cè)限摩擦力而被拋出槽腔的。對(duì)于掏槽拋渣，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和流體力學(xué)方法，是一個(gè)新的思路。

由于槽腔內(nèi)破碎巖塊的拋擲極為迅速，過程又十分復(fù)雜，這就使得該問題的研究特別困難，目前還處在探索階段。

2.1.3 爆破參數(shù)

巖巷掘進(jìn)爆破的關(guān)鍵是掏槽，而掏槽效果主要取決于掏槽爆破參數(shù)是否合理，所以，掏槽爆破參數(shù)研究對(duì)于工程實(shí)踐具有重要意義。

炮孔深度、孔距、空孔直徑等因素對(duì)垂直孔掏槽爆破效果的影響，通過力學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算得到了定量分析。裝藥量計(jì)算公式則根據(jù)垂直孔掏槽機(jī)理導(dǎo)出。

起爆微差是一個(gè)非常重要的參數(shù)，不能應(yīng)用一般的微差爆破機(jī)理來分析垂直孔掏槽爆破。利用分段微差起爆，宗琦等[8]獲得了炮孔垂直于工作面情況下的爆破漏斗特性曲線。目前，還不能由解析法和數(shù)值計(jì)算求得巖石斷裂速度隨各因素變化的規(guī)律，分形理論是研究微差爆破機(jī)理和微差爆破延時(shí)優(yōu)化的一種新的途徑[9]。槽腔內(nèi)巖石碎塊的運(yùn)動(dòng)過程及槽腔內(nèi)掏空率與時(shí)間的定量關(guān)系，可確定掏槽孔與崩落孔之間的微差起爆時(shí)間[10]。迄今為止，還未提出垂直孔掏槽爆破起爆微差時(shí)間的理論依據(jù)，這是個(gè)需要繼續(xù)研究的問題。

掏槽爆破參數(shù)尚沒有非常適宜的確定方法，設(shè)計(jì)出炮孔數(shù)目少、形式簡(jiǎn)單、材料消耗小、效率高的掏槽爆破參數(shù)是廣大科研人員的努力目標(biāo)。

2.1.4 掏槽機(jī)理

掏槽機(jī)理是掏槽爆破研究的根本所在，通過掏槽機(jī)理研究，可以更好地指導(dǎo)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。

單孔和多孔爆破漏斗的形成機(jī)理分析表明：合理設(shè)計(jì)直孔掏槽方式，應(yīng)該以炮孔間距和炮孔堵塞長(zhǎng)度為核心，確保有足夠的爆炸作用時(shí)間使深部空間巖石充分破碎并拋出槽腔[11]。不偶合裝藥起爆后巖體中粉碎區(qū)和破裂區(qū)的范圍的計(jì)算，從理論上解決了炮孔裝藥量與炮孔間距之間的相互合理性問題[12]。在柱狀耦合裝藥條件下，埋深在臨界深度以下時(shí)，沖擊波做功消耗的能量約占爆炸總能量的40%，用于擴(kuò)腔和擴(kuò)展主要裂隙的爆生氣體能量約占總能量的23%，剩余能量有小部分用于新增裂紋數(shù)目，其余都損失掉了[13]。

掏槽機(jī)理研究是建立在炸藥與巖石的相互作用基礎(chǔ)上的，難度很大，目前，國內(nèi)外對(duì)掏槽機(jī)理的研究還處在摸索階段，需要科研工作者加倍努力。

2.2 垂直孔掏槽方式研究進(jìn)展

從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)多家單位對(duì)垂直孔掏槽進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。在馬脊梁礦巖巷掘進(jìn)中，采用了無空孔的三角復(fù)式直孔分階掏槽方式、三角復(fù)式分階分段掏槽、六棱柱分段掏槽和四角柱復(fù)式分階分段掏槽，炮孔利用率達(dá)到94%以上[14]。在堅(jiān)韌難爆的石灰?guī)r中，成功應(yīng)用了分層分段直孔掏槽技術(shù)[15]。

經(jīng)過這些年的實(shí)踐，有的單位成功應(yīng)用了垂直孔掏槽爆破技術(shù)，但當(dāng)爆破條件(如巖石性質(zhì)、炸藥性能等)發(fā)生改變時(shí)，已有的成功經(jīng)驗(yàn)難以適應(yīng)這些變化，掏槽容易失敗。

3 準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)研究現(xiàn)狀

單仁亮等[16]提出了準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)(圖1)，這是一種新型的深孔掏槽爆破技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是型式簡(jiǎn)單、具有良好的掏槽效果、易操作，適應(yīng)性強(qiáng)，該技術(shù)已取得國家發(fā)明專利。目前，該技術(shù)已在我國多個(gè)礦區(qū)得到了成功應(yīng)用。

圖1 準(zhǔn)直孔掏槽[16]

圖1(a)中，1#～6#炮孔為準(zhǔn)直孔(與工作面夾角在75～85°之間)，7#與8#炮孔為直孔，a為準(zhǔn)直孔炮孔間距，b為槽口間距。圖1(b)中，準(zhǔn)直孔裝1段雷管，裝藥量為掏槽藥量的絕大部分；直孔裝2段雷管，僅在孔底裝少量炸藥。圖1(c)中，準(zhǔn)直孔首先起爆，槽腔內(nèi)巖石大部分破碎并被拋出。圖1(d)中，直孔起爆后，槽腔底部殘余巖石被拋出，從而起到擴(kuò)腔作用。

準(zhǔn)直孔掏槽本質(zhì)上與斜孔掏槽和垂直孔掏槽均不相同，而是結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了兩者的缺點(diǎn)。

單仁亮等[16]基于爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，分析了準(zhǔn)直孔掏槽的爆破機(jī)理，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，分析了爆破參數(shù)對(duì)掏槽效果的影響[17]。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用該技術(shù)，均取得了良好的爆破效果。對(duì)于巖巷深孔爆破掘進(jìn)中存在的掏槽效率低和掏槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，該技術(shù)提供了有效的解決途徑。

4 掏槽爆破研究展望

巖巷掏槽爆破研究是巖石動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。本文綜述了國內(nèi)外巖巷掏槽爆破理論與技術(shù)的研究進(jìn)展，歸納了巖巷掏槽爆破的理論與試驗(yàn)研究狀況及掏槽技術(shù)的工程應(yīng)用情況。該課題下一步的研究方向主要有以下方面。

1)巖石動(dòng)力強(qiáng)度理論和破壞準(zhǔn)則是掏槽爆破理論研究的根本所在，巖石動(dòng)態(tài)破壞過程的研究對(duì)于掏槽爆破研究尤其重要。由于巖石材料的復(fù)雜性和特殊性，建立巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系是一項(xiàng)任重道遠(yuǎn)的工作。

2)巖體是包含節(jié)理、層理、裂隙、斷層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的非均勻、非連續(xù)的地質(zhì)體，對(duì)于這種復(fù)雜的介質(zhì)，研究其在爆炸作用下的變形、破壞和運(yùn)動(dòng)理論時(shí)，考慮所有影響因素是不切實(shí)際的，應(yīng)當(dāng)力求依據(jù)最少的巖石參數(shù)研究出利于工程應(yīng)用的掏槽爆破計(jì)算模型。掏槽爆破機(jī)理研究的根本目的是為工程實(shí)踐服務(wù)，因此，應(yīng)將掏槽爆破機(jī)理研究與掏槽爆破參數(shù)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，要在掏槽爆破參數(shù)的優(yōu)化過程中，探索掏槽爆破機(jī)理。

3)對(duì)于掏槽爆破研究，數(shù)值模擬技術(shù)是一種有意義的應(yīng)力分析手段和試驗(yàn)工具，借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)許多現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)。掏槽爆破過程極為復(fù)雜，在現(xiàn)有條件下，槽腔內(nèi)部巖石的破碎現(xiàn)象還無法直接觀測(cè)到，因此，開展掏槽爆破過程的數(shù)值模擬研究是解決這一問題的有效途徑。

4)對(duì)槽腔形成過程中爆炸應(yīng)力波的破壞作用，已有的研究成果多是分析單孔爆破機(jī)理，應(yīng)進(jìn)一步研究群孔爆炸應(yīng)力波共同作用機(jī)理。

持續(xù)深入的掏槽爆破機(jī)理研究會(huì)促進(jìn)掏槽爆破技術(shù)的不斷發(fā)展，這對(duì)巖巷掘進(jìn)效率的提高是一個(gè)佳音。

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