煤礦巖巷爆破掘進(jìn)周邊質(zhì)量控制技術(shù)研究

彌壯壯，張向榮，李 剛，陳帥志，趙志偉，康一強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2.中煤第五建設(shè)公司第一工程處，江蘇 徐州 221000)

目前，煤礦巖巷快速掘進(jìn)大多使用鉆爆法進(jìn)行施工，該方法易于操作，對(duì)圍巖和設(shè)備要求比較低。掏槽技術(shù)是巖巷爆破技術(shù)的關(guān)鍵，炮眼利用率的提高和周邊成型達(dá)到光面爆破水平是巖巷快速掘進(jìn)的保障，而楔形掏槽是使用較多且效果較好的一種掏槽技術(shù)[1]。超欠挖現(xiàn)象是巖巷快速掘進(jìn)時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，它的存在一定程度上制約著巷道的成型質(zhì)量和掘進(jìn)效率的提升[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，許多學(xué)者提出了切槽孔爆破、異形藥包爆破和切縫藥包爆破定向斷裂控制爆破技術(shù)。其中切縫藥包易于制作、成本較低、操作方便，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為方便，因此在巖巷控制成型方面有著廣泛的應(yīng)用。楊仁樹(shù)等[3]為了對(duì)切縫藥包定向斷裂機(jī)理有更深的認(rèn)識(shí)，把有機(jī)玻璃作為試驗(yàn)的模型材料，使用高速攝影技術(shù)和新型數(shù)字焦散線系統(tǒng)對(duì)切縫藥包在不同情況下爆炸時(shí)裂紋擴(kuò)展的規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究；陳程等[4]對(duì)因爆炸形成的先爆炮孔產(chǎn)生定向裂紋缺陷的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了研究；羅勇等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了切縫藥包爆炸時(shí)能量有方向的集中，有效地控制了裂紋的擴(kuò)展方向，并設(shè)計(jì)了爆破參數(shù)；張志雄等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)確定了切縫藥包的不耦合系數(shù)、切縫管參數(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 切縫藥包作用原理以及爆破過(guò)程

切縫藥包是在具有一定強(qiáng)度和密度的藥包外殼上加工出一定角度、特定形狀和數(shù)量的切縫。它的爆破原理是通過(guò)切縫控制爆炸應(yīng)力場(chǎng)的分布和爆生氣體對(duì)介質(zhì)的準(zhǔn)靜態(tài)作用，最終達(dá)到定向控制爆破開(kāi)裂方向。在非切縫處，爆轟產(chǎn)物直接沖擊其外殼表面，由于爆轟波陣面上產(chǎn)物的密度小于外殼的密度(塑料等)，且爆轟產(chǎn)物的壓縮性普遍大于外殼的壓縮性，因此爆轟產(chǎn)物就會(huì)在該表面產(chǎn)生反射沖擊波，衰減后的透射波對(duì)于孔壁的有效能量得到極大的削弱，很大程度上降低了切縫區(qū)域孔壁產(chǎn)生徑向裂縫的可能。在切縫管上由于切縫的存在，爆轟產(chǎn)物將會(huì)直接作用于切縫方向上的孔壁巖石。爆轟產(chǎn)物能流比較集中，若被爆介質(zhì)的臨界沖量密度小于爆轟產(chǎn)物的沖量密度，就會(huì)在炮孔壁上產(chǎn)生破裂，初始裂隙預(yù)先形成。此外，由于阻礙作用，其他方向的爆轟產(chǎn)物都往切縫方向集中，這就使得切縫方向的破壞程度加強(qiáng)。另外，由于爆生氣體的準(zhǔn)靜作用，使因推動(dòng)作用下已形成的徑向裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。

切縫藥包爆破過(guò)程大體上分為三個(gè)步驟：一是炸藥開(kāi)始起爆到切縫管內(nèi)炸藥爆炸徹底；二是爆炸形成的沖擊波與巖體的相互作用使得切縫管外初始裂隙預(yù)先形成；三是爆生氣體促使初始裂縫繼續(xù)向外擴(kuò)展，同時(shí)由于熱和沖擊的共同作用，管壁破壞。

2 基于LS-DYNA的切縫藥包爆破數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型建立

切縫藥包數(shù)值模型由巖體、空氣、切縫管、炸藥組成，采用單炮孔形式。巖體模型尺寸為250 mm×250 mm，模型中心是炮孔，孔徑為10 mm，炸藥直徑為6 mm，不耦合系數(shù)為1.67。炸藥與切縫管緊貼，切縫管厚度為1 mm，縫寬為1 mm。由于試驗(yàn)中可以將其處理為平面情況，模型厚度取1 mm。為滿足實(shí)際巖體無(wú)邊際情況，模型邊界設(shè)置為無(wú)反射邊界，施加透射條件。炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，使用JWL狀態(tài)方程模擬爆轟過(guò)程中壓力和比容的關(guān)系。巖石采用JHC材料模型進(jìn)行模擬。切縫管在炸藥爆炸過(guò)程中被擠壓至炮孔壁并發(fā)生破壞，動(dòng)態(tài)力學(xué)行為較為復(fù)雜。切縫管簡(jiǎn)化為彈塑性材料采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。模型平面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 模型平面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Model plane structure diagram

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)
Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

材料密度/(kg/m3)爆速/(m/s)C-J壓力/GPa彈性模量/GPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa炸藥1 6403 90027---巖石2 800--350.2780

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 爆炸過(guò)程時(shí)程分析

炸藥從起爆到傳播至炮孔壁壓力分布云圖如圖2所示。由圖2可知，在0.448 μs時(shí)炸藥內(nèi)爆炸過(guò)程結(jié)束，爆轟產(chǎn)物在切縫處聚集并出現(xiàn)尖端狀應(yīng)力分布，切縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此外，在爆轟產(chǎn)物的作用下，切縫管向外擴(kuò)張；在1.048 μs時(shí)，爆炸沖擊波達(dá)到切縫炮孔壁，切縫方向的巖石形成初始尖端狀裂紋；在1.849 μs時(shí)，非切縫處的炮孔壁才出現(xiàn)爆炸應(yīng)力波且此時(shí)非切縫處應(yīng)力大小明顯小于切縫處，極大地降低了非切縫處裂紋擴(kuò)張的可能；在2.148 μs時(shí)，由于爆生氣體的推動(dòng)作用，切縫管與破孔壁接觸，形成侵蝕破壞。

圖2 爆炸過(guò)程應(yīng)力分布云圖Fig.2 Stress distribution cloud map of the explosion process

綜述所述，由于切縫管的存在，炸藥的爆轟產(chǎn)物開(kāi)始集中在切縫處；當(dāng)爆炸應(yīng)力波到達(dá)切縫方向的炮孔壁后，初始裂紋就在切縫方向的巖石中形成，應(yīng)力較非切縫方向明顯，切縫藥包定向斷裂效果明顯。

2.2.2 炮孔壁壓力值分析

在切縫藥包切縫方向及垂直切縫方向炮孔壁附近各選取一個(gè)特征空氣單元，獲得壓力時(shí)程曲線，如圖3所示。

圖3 炮孔壁特征單元壓力時(shí)程圖Fig.3 Time history diagram of the characteristic wall ofthe blasthole wall

圖3中A、B曲線分別代表切縫方向和垂直切縫方向炮孔壁空氣特征單元壓力時(shí)程曲線。由圖3可知，切縫方向在0.899 μs時(shí)達(dá)到應(yīng)力峰值，時(shí)間比垂直切縫方向快1.4 μs。由于切縫方向先達(dá)到應(yīng)

力峰值，切縫方向巖石預(yù)先形成初始裂隙，在后續(xù)爆生氣體的作用下充分?jǐn)U展，實(shí)現(xiàn)定向斷裂的目的。在切縫藥包切縫方向壓力峰值比垂直切縫方向壓力峰值大0.15 GPa，聚能效果明顯。

綜上所述，切縫管有效地阻擋了爆生產(chǎn)物的釋放，使得能量沿著切縫方向提前聚集釋放，加強(qiáng)了對(duì)切縫方向巖石的作用，并且在一定程度上避免了非切縫方向巖石的破壞。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

3.1 工程概況

寺家莊礦南一盤(pán)區(qū)北回風(fēng)巷位于15#煤上7～10 m，巖性為灰色中砂巖，硬度f(wàn)=6～8。直墻半圓拱斷面，掘進(jìn)寬度為6 m，掘進(jìn)高度為5.1 m，斷面積為26.7 m2。施工隊(duì)伍是現(xiàn)有人員53人，其中掘進(jìn)工35人，電工和檢修人員10人，其他人員8人，采用“三八制”作業(yè)。

3.2 光面爆破參數(shù)

該回風(fēng)巷采用楔直復(fù)合掏槽的方案，掏槽眼深度為2.4 m，其他炮孔深度為2.2 m，進(jìn)尺為1.8～2.1 m，平均為2 m，炮孔利用率為91%。兩天三循環(huán)(3 m/d)。爆破方案參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 爆破方案參數(shù)表Table 2 Blasting plan parameter table

注：雷管采用130毫秒延期電雷管，共119發(fā)，連線方式為串并聯(lián)，單耗1.52 kg/m3；若巖性發(fā)生變化，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)

3.3 切縫管參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)裝填方案

3.3.1 切縫管參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)炸藥的尺寸和類型，采用外徑為40 mm，內(nèi)徑為36 mm，壁厚為2 mm的阻燃抗靜電硬質(zhì)PVC管材作為切縫管的材料，單根成品切縫管價(jià)格是5元。

3.3.2 切縫藥包現(xiàn)場(chǎng)裝填方案

在切縫管中裝入三卷乳化炸藥并填入炮泥封堵完成切縫藥包的制作；將切縫藥包裝入炮孔時(shí)，要求切縫方向沿巷道輪廓線方向，用炮棍緩慢將切縫藥包推入炮孔頂部，防止切縫藥包裝入方向變化；裝入切縫藥包后，繼續(xù)填入炮泥進(jìn)行封堵。

3.4 等藥量、等間距切縫藥包爆破的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方案采用對(duì)比試驗(yàn)，周邊眼間距及位置按照爆破圖表設(shè)計(jì)進(jìn)行，巷道中心左邊部分周邊眼裝填切縫藥包，右邊部分周邊眼裝填普通藥包。左右兩邊炸藥量相同。

試驗(yàn)結(jié)果表明等藥量、等間距的情況下，左、右兩邊周邊成型質(zhì)量差異較大。左邊光面成型好且光滑，超挖在50 mm之內(nèi)，半眼痕明顯，半眼痕率達(dá)93%；右邊成型較差，出現(xiàn)超欠挖，平均為200 mm。對(duì)比試驗(yàn)效果見(jiàn)表3。

表3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Comparison of experimental results

3.5 等藥量、大間距切縫藥包爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方案采用對(duì)比試驗(yàn)，巷道中心左邊部分周邊眼裝填切縫藥包，周邊眼間距增大100 mm為500 mm；右邊部分周邊眼裝填普通藥包，周邊眼間距及位置按照爆破圖表設(shè)計(jì)進(jìn)行。左右兩邊炸藥量相同。

左邊周邊眼間距增大，采用切縫藥包爆破，爆破效果明顯優(yōu)于右側(cè)普通藥包，光面成型良好、光滑平整，超挖在50 mm之內(nèi)，半眼痕明顯，半眼痕率達(dá)85%；右邊爆后巷道輪廓參差不齊，圍巖破碎不平，出現(xiàn)超欠挖，平均為200 mm，殘留半眼痕少，對(duì)比試驗(yàn)效果與3.4部分試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

試驗(yàn)證明：巖巷周邊眼爆破中采用切縫藥包定向斷裂爆破能減少炸藥使用量，且成型更好，有效提高了周邊爆破質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1) 使用切縫藥包進(jìn)行控制爆破，能夠大大增加半眼殘痕條數(shù)，眼痕率比普通爆破提高70%左右。

2) 以阻燃抗靜電硬質(zhì)PVC管材為原材料的簡(jiǎn)易切縫藥包在巖巷快速掘進(jìn)中能起到提高巷道成型質(zhì)量的效果，超欠挖量少，雷管、炸藥單耗、噴漿量、鋼筋網(wǎng)消耗量、輔助作業(yè)時(shí)間等方面有效減少，能為企業(yè)帶來(lái)可觀的效益。

3) 數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果的結(jié)論一致，充分證實(shí)了切縫藥包對(duì)于巷道成型質(zhì)量的控制效果明顯，具有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。