巖巷掏槽爆破數(shù)值模擬分析及參數(shù)優(yōu)化

張 釬

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦， 山西 陽泉 045008）

山西陽煤一礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，受構(gòu)造影響較大，鉆爆法作為巖巷掘進(jìn)中主要施工手段，在現(xiàn)場采用較多。國內(nèi)學(xué)者對于鉆爆法在巖巷掘進(jìn)過程中的應(yīng)用展開過大量的研究：龔敏等[1]通過采用數(shù)值模擬，對掏槽爆破過程進(jìn)行模擬，對比優(yōu)化前后的有效應(yīng)力等參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行檢驗(yàn)，新的方案取得了良好的效果；宗琦等[2]通過理論結(jié)合實(shí)際，對影響爆破掘進(jìn)的主要因素進(jìn)行了討論，提出了合理的掏槽形式和掏槽參數(shù)等；東兆星等[3]基于模糊綜合評價(jià)理論和觀場實(shí)測數(shù)據(jù)，對掏槽方式及爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化評價(jià)，結(jié)果符合實(shí)際情況；孟小瑞[4]針對原有方案中進(jìn)尺低、炮眼利用率小的問題，通過結(jié)合理論對掏槽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，新的爆破方案中掏槽采用三級楔形掏槽，在現(xiàn)場施工中有效提高了循環(huán)進(jìn)尺。

本文通過選取該礦具有代表性的北翼回風(fēng)巷道作為試驗(yàn)巷道，主要針對原有爆破方案中的掏槽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行分析，經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場試驗(yàn)后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)尺、炮眼利用率等指標(biāo)，取得了良好的試驗(yàn)效果。

1 工程概況

山西陽煤一礦北翼回風(fēng)巷道為直墻半圓拱形斷面，巷道毛寬4800 mm、毛高3900 mm、毛斷面16.243 m2、埋深-850 m，掘進(jìn)范圍內(nèi)的巖層為硬度較高的砂巖。通過對巷道圍巖進(jìn)行取芯加工后，進(jìn)行單軸試驗(yàn)測得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到了100 MPa，粘聚力為25 MPa，巖石硬度系數(shù)f＞10。由于巖石硬度較高，在原有爆破方案中，掏槽采用單楔形掏槽爆破，孔間距較大，當(dāng)掏槽爆破最先起爆后，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波對圍巖的破壞作用較小，掏槽區(qū)域巖石未能充分破壞，影響巖石的拋擲，造成后續(xù)炮眼起時(shí)夾制作用較強(qiáng)，因此對掏槽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化對于提高爆破進(jìn)尺有著重要影響，在新的爆破方案中，在楔形掏槽眼的中部與掘進(jìn)方向平行鉆中心眼，采用楔直復(fù)合掏槽，這種方案主要在于首先起爆斜眼，用以擴(kuò)大槽孔，中心眼分段起爆加強(qiáng)爆破后的拋渣力，楔直復(fù)合掏槽可以發(fā)揮擴(kuò)大自由面、增強(qiáng)拋擲力度的作用。

表1 北翼回風(fēng)巷道巷參數(shù)表

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

楔直復(fù)合掏槽爆破模型由被爆巖體、炸藥、封堵炮泥、空氣四部分組成。被爆巖體尺寸大小為4 m×3 m×2.4 m。巖體中心位置處垂直方向上對稱布置2個(gè)中心炮孔，中心直眼設(shè)置延時(shí)起爆，在楔形掏槽眼爆破1000 μs后起爆。在距中心炮孔0.5 m左右兩側(cè)處各布置1列楔形炮孔，每列設(shè)置3個(gè)楔形炮孔，炮孔間距為0.3 m，楔形炮孔與巖體斷面夾角為75°，炮孔布置圖見下頁圖1。由于研究問題具有對稱性，只建立四分之一模型，掏槽眼直徑均為40 mm，炸藥直徑為35 mm，炸藥長度1.0 m，炮泥封堵長度為1.2 m，采用反向起爆方式。被爆巖體采用拉格朗日網(wǎng)格建模，被爆巖體和空氣、炸藥間采用流固耦合算法，模型中均采用六面體劃分網(wǎng)格。為模擬巷道掘進(jìn)過程圍巖無邊際巖體情況，邊界設(shè)置為無反射邊界。

被爆巖體和炸藥的主要物理力學(xué)參數(shù)見下頁表2。

圖1 數(shù)值模型圖

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 被爆巖體內(nèi)部應(yīng)力波傳播過程

為研究楔形掏槽爆破過程中被爆巖體內(nèi)應(yīng)力波傳播規(guī)律，從被爆巖體內(nèi)部觀察應(yīng)力波傳播過程。圖2為應(yīng)力波傳播時(shí)程圖。

圖2 應(yīng)力波傳播時(shí)程圖

從有效應(yīng)力波的傳播過程圖中可以看出，隨著炸藥從炮孔底部起爆后，有效應(yīng)力波迅速擴(kuò)展開來，在260 μs時(shí)楔形掏槽眼炸藥爆炸完畢，此后隨著爆破應(yīng)力波向工作面擴(kuò)展，在560 μs時(shí)應(yīng)力波達(dá)到自由面，在此階段由于中心空孔的原因，應(yīng)力波向此處集中，在1020 μs時(shí)隨著中心炮眼的起爆，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波與楔形掏槽眼爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)生疊加，有利于巖體的二次爆破。

3 爆破技術(shù)研究

3.1 施工工藝

結(jié)合上述數(shù)值模擬，對北翼回風(fēng)巷道試驗(yàn)巷道進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，提出了楔直復(fù)合掏槽爆破的施工方案。具體爆破方案布置圖如下圖3所示，爆破參數(shù)表如下表3所示。

圖3 炮眼布置圖（mm）

表3 爆破參數(shù)表

爆破作業(yè)采用一次打眼、一次裝藥起爆的施工方式，采用反向起爆，炸藥采用三級礦用乳化炸藥，雷管采用毫秒延期電雷管。

3.2 爆破試驗(yàn)效果

采用新方案后，對巷道施工情況進(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)測后，得出試驗(yàn)巷道的爆破效果表如表4所示。

表4 爆破效果表

采用新的爆破方案后，同原有爆破方案所產(chǎn)生的掘進(jìn)效果進(jìn)行對比如表5所示。

表5 施工工藝效果對比表

通過對比分析可以看出，采用楔直復(fù)合掏槽爆破的優(yōu)勢主要有：可以充分將掏槽區(qū)域巖石破碎，爆破后大塊矸石少，出矸速度快，減少出矸時(shí)間；爆破進(jìn)尺增大，炮眼利用率增高，大大提高了掘進(jìn)效率。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析出，楔直復(fù)合掏槽在爆炸開始后，應(yīng)力波從炮孔底端呈橢圓狀向自由面方向擴(kuò)展，并迅速與相鄰炮孔的應(yīng)力波開始疊加作用，當(dāng)楔形掏槽爆破應(yīng)力波到達(dá)自由面后，在自由面處發(fā)生應(yīng)力波反射形成拉伸波，隨著中心炮眼的起爆，楔形掏槽產(chǎn)生的有效應(yīng)力波同其發(fā)生疊加，應(yīng)力作用增強(qiáng)，有利于造成被爆巖體的二次破碎。以此作為基礎(chǔ)，采用新的爆破方案后，有效提高了巷道的掘進(jìn)進(jìn)尺，增大了炮眼利用率，由原來的75%提高到了90%，掘進(jìn)進(jìn)尺由3 m/d提升至3.6 m/d，提升了掘進(jìn)效率。