巖石巷道周邊雙向聚能定向斷裂控爆技術(shù)

蒲文龍， 張國華， 畢業(yè)武

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

巖石巷道周邊雙向聚能定向斷裂控爆技術(shù)

蒲文龍， 張國華， 畢業(yè)武

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

傳統(tǒng)光面爆破法受原理本身的局限應(yīng)用效果不佳。針對這一情況，基于聚能爆破原理，采用ANSYS/LS－DYNA軟件對無限巖體中的柱形藥包爆破進行數(shù)值模擬。根據(jù)爆破特性，選取塑性炸藥，采用高能炸藥燃燒模型、Johnson－Cook塑性材料模型及切縫聚能爆破的定向斷裂爆破方式。結(jié)果表明:聚能爆破比傳統(tǒng)光面爆破形成的巖石裂縫長，裂紋增長率為91%～117%。根據(jù)東保衛(wèi)煤礦地質(zhì)條件，將PVC聚能被筒作為雙向聚能爆破裝置，確定技術(shù)參數(shù)。工業(yè)實驗結(jié)果證明，雙向聚能定向爆破有效提高了巖石巷道成型質(zhì)量及巷道掘進速度，經(jīng)濟效益良好，具有推廣應(yīng)用價值。

雙向聚能;定向斷裂;控制爆破

煤礦巖巷掘進以鉆爆法施工為主，巷道成型是巖巷掘進的關(guān)鍵要素。我國巷道成型控制多采用傳統(tǒng)的光面爆破法。該方法按爆破方式可以分為輪廓線鉆眼法、預(yù)裂爆破法、預(yù)留光爆層爆破法三種類型。這三種爆破方法盡管在巷道成型及掘進速度方面均有所改進和提高［1－2］，但由于原理本身的缺陷現(xiàn)場應(yīng)用效果并不理想［3－4］，仍然存在許多問題，主要表現(xiàn)在以下三方面:一是光爆炮孔間距較小，鉆孔工作量較大，增加了起爆材料消耗量;二是傳統(tǒng)光爆在節(jié)理發(fā)育巖體不可能完全形成光滑壁面，對圍巖造成破壞，在裂隙發(fā)育巖石或低強度巖石中還會引起超挖，增加除矸工作量及支護成本;三是單個炮孔的爆破作用沒有方向性，不僅在炮孔間形成貫通裂紋，而且在炮孔周圍其他方向形成隨機徑向裂紋。為了減少或避免爆破超挖，有效保護圍巖，亟須從根本上改進傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)。

20世紀60年代，人們嘗試采用定向斷裂控制爆破技術(shù)控制巷道造型。這類技術(shù)主要通過改變炮孔和藥包形狀或在藥包外添加切縫套管的方式改變爆炸產(chǎn)物對孔壁的作用方向，包括聚能藥包爆破、切槽爆破和切縫藥包爆破技術(shù)。然而聚能爆破藥包加工復(fù)雜;切槽爆破的孔壁切槽作業(yè)難度較大，成本高;切縫藥包爆破雖然取得了較好的效果，但仍然存在聚能罩、開縫寬度和耦合系數(shù)選擇等關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決［5－6］。筆者基于光面爆破與定向聚能爆破原理，通過數(shù)值模擬和工業(yè)實驗驗證了PVC管聚能被筒定向爆破技術(shù)的效果。

1 原理

1.1 光面爆破

傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)通過不耦合裝藥，降低炸藥爆炸對炮孔壁的作用，避免在炮孔周圍形成破碎圈，以達到保護圍巖的目的。這種裝藥方式在炮孔周圍各方向產(chǎn)生的作用力相同，除在炮孔間連線方向形成貫通裂紋外，還會在孔壁的其他方向形成徑向裂紋，因此，實際應(yīng)用過程中難以獲得理想的光爆效果。此外，不耦合裝藥降低了炮孔壁受到的作用力，為形成孔間貫通裂紋，孔間距必然小，從而使周邊眼數(shù)目相應(yīng)增多。

傳統(tǒng)光面爆破通過控制周邊眼的密集系數(shù)m來實現(xiàn)，計算式為

式中:d——周邊眼的間距;

W——周邊眼最小抵抗線。

煤礦現(xiàn)場光面爆破一般取m=0.8～1.0，即周邊眼間距應(yīng)為周邊眼最小抵抗線的0.8～1.0倍。巖石巷道要實現(xiàn)光爆，必須保證炮孔間形成貫穿裂紋的時間先于爆炸應(yīng)力波從自由面返回炮孔連心面的時間。

1.2 聚能爆破

定向聚能成縫原理是，在炮孔之間的連線方向上首先形成初始裂縫，當(dāng)炸藥爆炸時，聚能裝藥結(jié)構(gòu)的藥包在一個方向產(chǎn)生一定寬度b的爆轟產(chǎn)物聚能流，先期到達炮孔表面(圖1a);由于裝藥外殼有切縫，限制了爆轟產(chǎn)物的向外擴散，也在一定方向產(chǎn)生一定寬度的爆轟產(chǎn)物聚能流，先期到達炮孔表面(圖1b)。

圖1 爆轟產(chǎn)物流作用炮孔壁示意Fig.1 Effect of detonation product flow of hole wall

初始裂紋產(chǎn)生后，爆轟產(chǎn)生的高溫、高壓、高速氣體優(yōu)先從聚能孔方向驅(qū)動孔壁徑向初始裂紋，形成強有力的“氣楔”，使裂紋不斷失穩(wěn);壓縮波遇自由面反射為拉伸波，在反射拉伸應(yīng)力波和爆生氣體的準靜態(tài)壓力共同作用下，控制方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使巖體沿設(shè)定方向張拉開裂。然而，在非設(shè)定方向，由于聚能裝置的瞬時抑制和緩沖作用，抑制了圍巖中裂紋的發(fā)展，減少了爆破作用對圍巖的損傷。當(dāng)幾個聚能裝藥炮孔同時起爆時，若孔間距適當(dāng)，相鄰炮孔將被貫通，形成光滑的定向控制爆破面。

綜上所述，傳統(tǒng)光面爆破是通過應(yīng)力場疊加實現(xiàn)，炮孔間的起爆時差對爆破質(zhì)量有較大影響，并且嚴格要求控制光爆層的密集系數(shù)。而定向斷裂爆破利用聚能作用控制裂隙的方向和數(shù)量，以獲得較好的爆破效果。

2 數(shù)值模擬

為對比傳統(tǒng)光面爆破與聚能定向爆破效果，采用ANSYS/LS－DYNA軟件對無限巖體中的柱形藥包爆破進行數(shù)值模擬。

2.1 數(shù)值方程與邊界條件

炸藥選取塑性炸藥，采用高能炸藥燃燒模型，炸藥爆轟產(chǎn)物控制方程為JWL狀態(tài)方程。材料模型為Johnson－Cook塑性模型，狀態(tài)方程為Gruneisen方程。

為控制聚能爆破射流參數(shù)，計算模型的邊界條件設(shè)定遵循如下原則:

(1)聚能罩采用等壁厚形式;

(2)聚能罩與聚能裝藥的炸藥同軸;

(3)裝藥密度均勻;

(4)裝藥結(jié)構(gòu)對稱。

2.2 數(shù)值模型與模擬參數(shù)

計算模型取實際模型的二分之一，尺寸為45.0 cm×45.0 cm×22.5 cm，預(yù)制炮孔直徑為3.5 cm，孔深30 cm，不耦合系數(shù)1.06，PVC聚能被筒厚度1.5 cm(圖2)。模型y=0和y=－45面設(shè)為無反射界面，用來模擬無限域;z=0面為對稱面，其余面為自由面。采用底部起爆的方式。

圖2 計算模型Fig.2 Computation module

傳統(tǒng)光爆模型與聚能爆破模型如圖3所示。模型劃分采用solidl 62實體單元，計算采用平面應(yīng)變算法13。炸藥部分采用40×40單元劃分，網(wǎng)格劃分時聚能罩部分應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，使變形較大的聚能罩部位的網(wǎng)格密化，從而提高該部分的計算精度。時間步比例因子設(shè)置為0.6，輸出結(jié)果文件的時間步為0.25。

圖3 爆破模型Fig.3 Blasting module

選用炸藥參數(shù)為:密度1.66 g/cm3，爆速0.6 cm/μs，C －J壓力 0.27 ×105GPa。巖石力學(xué)參數(shù)為:彈性模量4.41×104MPa，泊松比0.26，抗壓強度60 MPa，抗拉強度4.5 MPa，炮孔半徑17.5 mm。PVC切縫管參數(shù)為:密度1.43 g/cm3，拉伸屈服強度50～55 MPa，彈性模量3×103MPa，兩側(cè)開縫，切縫為左右方向。

2.3 結(jié)果分析

兩種爆破方式的巖體最大斷裂長度(lmax)如表1所示。由表1可以看出，起爆時間(t)為100和400 μs時，傳統(tǒng)光面爆破引起巖體最大斷裂長度分別為69和93 mm，聚能爆破引起的巖體斷裂長度分別為150和195 mm;起爆時間為800 μs時，傳統(tǒng)光面爆破引起巖體最大斷裂長度為138 mm，聚能爆破引起的最大斷裂長度為300 mm，增長率為91% ～117%。由此說明，聚能爆破能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸能量的集中釋放，能量利用率高，斷裂長度大，并能夠控制裂紋發(fā)展方向，達到控制巷道周邊巖壁光滑平整的目的。傳統(tǒng)光面爆破孔壁以粉碎性壓裂為主，大部分爆炸能量耗于壓裂巖體上，裂縫較短，發(fā)展呈隨機性，能量利用率低。

表1 兩種爆破方式的巖體最大斷裂長度Table 1 Maximum length of fracture table of two approaches about blasting pattern

3 工業(yè)實驗

3.1 工程地質(zhì)條件

工業(yè)實驗地點為東保衛(wèi)煤礦－500西大巷。該巷道為直墻半圓拱形，凈寬4.4 m，凈高4.5 m，斷面積19.80 m2，巖性為灰色粉砂巖，巖石堅硬系數(shù)f=4～6。目前，該礦正處于深部開拓階段，部分地區(qū)巖石松軟破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)固性較差，采用傳統(tǒng)的光面爆破工藝無法達到預(yù)期光爆效果。

3.2 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實際條件采用切縫藥包實現(xiàn)聚能爆破，即在普通藥卷外敷聚能被筒，這種裝藥是整體性的，比聚能裝藥簡便，另外，控制切縫對準輪廓線也較容易，可以通過外殼切縫的導(dǎo)壓作用控制孔壁上裂縫的生成與擴展。聚能被筒結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 雙向聚能被筒結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of double cavity pipe

聚能爆破效果決定于名義不耦合系數(shù)(炮孔直徑與切縫被筒外徑之比)、切縫寬度和聚能爆破技術(shù)參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實際選用PVC工程塑料管作為聚能被筒，其直徑和套管長度根據(jù)炮孔直徑、藥卷直徑、裝藥量和炮孔長度選定。根據(jù)東保衛(wèi)煤礦地質(zhì)條件確定聚能被筒長400 mm，管體沿軸線方向180°兩側(cè)開槽，實現(xiàn)雙向聚能，開槽長度180 mm，中間間隔10 mm，管體兩端預(yù)留15 mm，開縫寬度4 mm，聚能被筒尾部導(dǎo)向槽深5 mm，寬15 mm。聚能被筒內(nèi)徑為30 mm，外徑為33 mm，壁厚1.5 mm，柱形乳化藥包直徑為29 mm，炮孔直徑為35 mm，名義不耦合系數(shù)為1.06。

聚能被筒藥卷由1個φ33 mm、長400 mm的PVC管與2卷φ29 mm、長180 mm的乳化藥組成。周邊炮眼鉆進后，按反向裝藥的要求先將帶有雷管的引藥裝入塑料管的下部，再加入1卷炮藥，調(diào)整聚能被筒的方向槽，使其與巷道周邊輪廓線一致，并利用專用的炮棍送入聚能藥卷，然后在炮眼中裝入水炮泥和長500 mm的炮泥封堵炮眼。

現(xiàn)場傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)參數(shù)為:周邊眼直墻眼距200～300 mm，拱頂眼距200 mm，最小抵抗線300 mm。聚能被筒定向斷裂爆破技術(shù)參數(shù)為:周邊眼直墻眼距500～600 mm，拱頂眼距450 mm，最小抵抗線500 mm。

3.3 爆破效果

現(xiàn)場工業(yè)實驗爆破效果如圖5所示。由圖5可以看出，傳統(tǒng)光面爆破周邊眼痕率非常低，圍巖松散、破碎，穩(wěn)定性較差;聚能定向斷裂爆破形成的壁面平整、規(guī)則，眼痕率高，炮震裂隙少，圍巖穩(wěn)定性較好。采用聚能爆破后，－500西大巷全斷面炮眼由90個減少為55個，循環(huán)炮眼數(shù)減少39%，炸藥消耗降低30%，周邊眼痕率由40%增至85%，混凝土噴厚由150 mm減為100 mm。裝藥量相同情況下，孔距增大100%以上。

圖5 傳統(tǒng)光面爆破與聚能爆破效果對比Fig.5 Comparison of analytical blasting and shaped blasting

3.4 經(jīng)濟分析

由于打眼時間縮短及排矸量和噴漿量減少，聚能爆破月進尺比傳統(tǒng)光面爆破月進尺提高了24%。實驗巷道工程全長1 800 m，以平均每米巷道節(jié)約226.2元計算，共節(jié)約資金40.7萬元。另外，該技術(shù)縮短工期，減小對巷道圍巖的震動破壞及巷道后期維護工作量，尤其當(dāng)該礦進入深部開采區(qū)域，其間接經(jīng)濟效益更為明顯。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)實際條件，定向斷裂爆破方式采用切縫聚能爆破法。兩側(cè)開槽PVC管作為聚能罩，其開槽總長度為360 mm，寬度為4 mm。聚能被筒藥卷由1個φ3 3 mm、長4 0 0 mm的PVC管與2卷φ29 mm、長180 mm的乳化藥組成。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，聚能爆破能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸能量的集中釋放，能量利用率高，且能夠控制裂紋發(fā)展方向，形成巖石裂縫較長，與傳統(tǒng)光面爆破相比，裂紋增長率為91% ～117%。

(3)東保衛(wèi)煤礦的爆破實驗結(jié)果表明，聚能定向爆破形成的壁面平整、規(guī)則、炮震裂隙少，圍巖穩(wěn)定性好。與傳統(tǒng)光面爆破相比，采用該種爆破方法巖石巷道成型質(zhì)量好，掘進速度快，材料消耗和支護成本低，經(jīng)濟效益顯著。

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Directional fracture controlled blasting technology of bidirectional cumulative energy for roadway rock surrounding

PU Wenlong， ZHANG Guohua， BI Yewu
(College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at seeking an alternative to the conventional smooth blasting method suffering poor application effects due to limitation of the principle，this paper building on the principle of shaped charge blasting introduces the numerical simulation of the infinite cylindrical charge blasting in rock mass using ANSYS/LS-DYNA software.The simulation，as determined by the blasting characteristics，involves the selection of plastic explosives and use of high explosive combustion model，Johnson-Cook plastic material model and slit shaped charge blasting.The results show that，compared with conventional smooth blasting method，shaped charge blasting gives a longer rock crack length with a crack growth rate of 91%to 117%.The paper describes the use of the PVC tube as a bidirectional energy-accumulating blasting device for the determination of technical parameters and industrial experiment as is dictated by the coal geological conditions of Dongbaowei coal.The results prove that bidirectional energy-accumulating，characterized by an effective improvement in the forming quality of rock roadway and the roadway excavation rate and better economic results，promises to come into a wider application.

bidirectional cumulative energy;directional fracture;control blasting

TD235.37

A

1671－0118(2012)05－0452－04

2012－02－09;

2012－05－25

蒲文龍(1977－)，男，黑龍江省訥河人，講師，碩士，研究方向:煤礦圍巖控制與災(zāi)害防治、礦山爆破安全，E-mail:pwl0451@126.com。

(編輯 荀海鑫)