受限自由面寬度對爆破效果的影響分析

吳德義，高 迅

(1.安徽建筑大學 建筑健康監(jiān)測及災害預防技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學 建筑結(jié)構與地下工程省級重點實驗室，安徽 合肥 230601)

在煤炭開采過程中，掘進是十分重要的工序。而在深部巖巷掘進過程中，當遇到普氏系數(shù)f>8的硬巖及堅硬巖，甚至是普氏系數(shù)f<8的中硬巖及軟巖，由于受到目前掘巖機的機型限制等，即使綜掘作業(yè)方式機械化程度較高，仍舊無法采用，不得不使用爆破法開挖的炮掘方式。在這種情況下，選擇科學的爆破工藝和合理的爆破參數(shù)具有十分重要的意義。

在實際工程中，由于受限自由面的寬度不同，最小抵抗線的數(shù)值不同，可能會對爆破所需的裝藥量產(chǎn)生一定的影響。許多學者在如何科學地對受限自由面爆破裝藥量進行計算、提高掘進效率、改善爆破的效果等方面給出了他們的研究成果，其中U Langefors和B Kihlstorm[1]根據(jù)理論分析結(jié)合實驗結(jié)果，得出在受限自由面影響下炮孔每米裝藥量的估算公式；李啟月[2]等在U Langefors和B Kihlstorm提出的裝藥量公式的基礎上對參數(shù)和公式進行了雙重優(yōu)化，提高了不同受限自由面爆破時裝藥量的精確性；鄭明焦[3]在中深孔爆破的炸藥量計算方法上給出了相應的方法；李顯寅[4]等從自由面的數(shù)量、面積和位置等方面進行總結(jié)和分析，得出自由面對爆破效果的影響；梁雪松[5]則細致的分析了受限自由面對爆破振動的影響情況，從而使得對自由面的影響有了更進一步的認識。眾多學者在爆破裝藥量的合理計算以及自由面對爆破的各方面影響上做了很多研究，但受限自由面寬度對爆破的影響仍然缺乏較為細致的分析。在安徽淮北礦區(qū)深部大斷面巖巷掘進過程中遇到了不同的自由面寬度[6]，為解決實際問題，本文從受限自由面的寬度這一角度研究，通過實驗得出其對爆破效果產(chǎn)生的影響，并給出具體的充分發(fā)揮自由面作用的相關數(shù)值，對工程在深部巖巷掘進中遇到不同自由面寬度時如何合理利用自由面以及最小抵抗線具有參考意義。

1 實驗設計

1.1 理論分析

根據(jù)U Langefors和B Kihlstorm的理論分析結(jié)合其試驗結(jié)果得出受限自由面影響下炮孔每米裝藥量的估算公式

q1=m1w/(sinβ)m2

(1)

式中ql為炮孔每米裝藥量，kg/m；w為最小抵抗線，m；β為夾角，°；m1，m2為系數(shù)。其中β可表示為：

(2)

式中l(wèi)0為自由面寬度，m。因此，炮孔每米裝藥量可以表示成l0和w的函數(shù)，即：

(3)

由此我們可以初步得出，當系數(shù)m1、m2均不變，即爆破對象具有相同的巖石屬性時，炮孔每米裝藥量僅與最小抵抗線和受限自由面寬度有關[7]。但要想進一步驗證理論以及得出更多的結(jié)論，還需做大量試驗。

1.2 實驗過程

本次試驗來自安徽省淮北礦區(qū)，該礦區(qū)巖石普氏系數(shù)普遍在6～8范圍之間，為解決實際問題，故設巖石普氏系數(shù)f =6～8，炸藥為水膠炸藥，炮孔直徑db=32.0mm，裝藥直徑dc=27.0mm。對不同最小抵抗線和不同自由面寬度所需的炮孔每米裝藥量進行了大量實驗，得出如下數(shù)據(jù)，見表1。

再依據(jù)表1，可以整理得出不同最小抵抗線w、炮孔每米裝藥量ql隨自由面寬度l0變化如圖1。

表1 最小抵抗線、炮孔每米裝藥量隨自由面寬度影響示意

續(xù)表1 最小抵抗線、炮孔每米裝藥量隨自由面寬度影響示意

圖1最小抵抗線、炮孔每米裝藥量隨自由面寬度影響示意圖

由公式(3)和圖1細致分析，不難得出：當?shù)挚咕€相同時，伴隨著值l0的不斷增大，炮孔每米裝藥量ql越來越?。徊⑶襩0值不斷增加的同時，ql值減小的速度趨于緩慢，最后趨向于一個極限值。

2 實驗結(jié)果分析

(1)在理想狀況下，當受限自由面寬度為0m時，即不存在自由面，一方面此時巖石處于無線介質(zhì)中，屬于三向應力狀態(tài)，爆破強度明顯受到阻礙；另一方面不存在自由面就無法產(chǎn)生霍金遜效應[8]，即爆破時入射的壓縮應力波再也無法達到自由面，更無法反射回性質(zhì)相反的拉伸應力波與之重疊，即不會產(chǎn)生巖石的片落和爆破效果。

(2)當受限自由面寬度很小但不為0m時，從圖1可以明顯的看出，只要最小抵抗線的最大值足夠小，就可以用極少量的炸藥達到爆破效果；而當最小抵抗線的最大值越來越大時，要想產(chǎn)生爆破效果，必須使用近似指數(shù)倍增長的炸藥量來達到目的，這顯然不符合實際情況下的工程應用，我們應追求爆破效果良好的條件下盡可能少的裝藥量來達到節(jié)約成本的同時又較少破壞周圍巖層的目的。

(3)通過實驗發(fā)現(xiàn)，當自由面寬度寬度為0.10～2.00 m中的某一個定值時，炮孔每米裝藥量隨著最小抵抗線的最大值增大而增大；而當最小抵抗線的長度一定時，炮孔每米裝藥量隨著自由面寬度的增大而不斷減小，并且逐漸趨于平緩。

(4)當自由面寬度不斷增大直至無窮大時，發(fā)現(xiàn)不同抵抗線均表現(xiàn)出同一性質(zhì)，即所需每米裝藥量均是不斷減小的，并且逐漸趨于平緩。即在自由面寬度無窮大的情況下，炮孔所需每米裝藥量幾乎沒有明顯的變化，但仍然能夠?qū)崿F(xiàn)理想的爆破效果。

通以上四點分析得知，當自由面寬度過小時，要使自由面充分發(fā)揮作用，最小抵抗線的最大值應小于某個臨界值；同理當自由面寬度較大直至無窮大時，炮孔每米裝藥量趨于穩(wěn)定，為使自由面充分發(fā)揮作用，最小抵抗線的最大值也應有相應的合理取值范圍。即當l0→∞時，

q極限=m1w

(4)

為了可以定量分析不同最小抵抗線與自由面寬度同炮孔每米裝藥量的關系，選取表1中的數(shù)據(jù)，將不同組別的自變量l0、w以及因變量ql的值代入公式(3)，取不同的值m1，m2經(jīng)過大量計算，得出各組m1，m2值基本相同，m1=1.4104，m2=1.4，也從側(cè)面進一步論證了相同巖性具有相同的m1，m2值。由于安徽省淮北礦區(qū)地質(zhì)的特殊性，結(jié)合圖1進行精確模擬，最終取炮孔每米裝藥量ql=1.4q穩(wěn)定的l0值作為自由面充分發(fā)揮作用的合理取值，則不同抵抗線合理自由面寬度值l0經(jīng)計算得出表2。

表2 不同抵抗線合理自由面寬度值

3 結(jié)論

綜上所述，受限自由面在改善深部巖巷爆破效果方面起到了關鍵性的作用，而受限自由面寬度的不同、最小抵抗線數(shù)值的不同，會導致炮孔每米裝藥量發(fā)生變化。經(jīng)過研究，針對安徽淮北礦區(qū)深部大斷面巖巷掘進過程中遇到的難題，應該盡可能合理的利用受限自由面，但想要合理利用受限自由面寬度就必須對最小抵抗線的最大值進行定量分析。通過實驗將炮孔每米裝藥量、最小抵抗線、自由面寬度之間的關系用圖表的形式進行表示，取ql=1.4q穩(wěn)定，計算出不同抵抗線情況下合理的自由面寬度值，這樣就能更加合理的利用自由面，充分發(fā)揮自由面對爆破效果的良性作用，為后續(xù)皖北礦區(qū)、豫南礦區(qū)等深部巖巷掘進工作提供重要參考價值。