大直徑中空眼在巖巷掘進中的應(yīng)用

郝英劍

(河南焦煤能源有限公司九里山礦， 河南 焦作市 454000)

0 引言

煤礦開采中，巖巷掘進工程量、工期和投資均占相當(dāng)大的比重，特別是煤與瓦斯突出礦井抽采瓦斯需要掘進大量的頂?shù)装鍘r巷，加快巖巷掘進速度顯得尤為重要[1-3]。巖巷掘進工法主要有鉆爆法和綜掘法，鉆爆法在巖巷掘進中占據(jù)主導(dǎo)地位，但我國鉆爆法巖巷掘進進尺長時間徘徊在 60 m/月的水平。制約巖巷掘進的因素有很多，關(guān)鍵在于掏槽，因此，掏槽技術(shù)對巖巷掘進水平的提高及緩解采掘矛盾至關(guān)重要[4-6]?，F(xiàn)階段炮眼深度以2.0 m左右為主，隨著煤炭開采強度的提高，對巖巷進尺的要求提高，探索孔深2.5 m以上的爆破技術(shù)是必要的[7]。但是，隨著炮眼深度的加大，炸藥爆炸后破壞巖體并拋擲形成槽腔的難度加大。為解決上述難題，通過數(shù)值模擬試驗并在現(xiàn)場試驗，使用了大直徑中空眼配合直眼掏槽，提高掏槽效率和掘進進尺。

1 大直徑中空眼直眼掏槽

掏槽眼的主要作用是順利導(dǎo)出中心巖石，為后續(xù)巖石爆破提供更大的自由面，同時，考慮到為掏槽眼人為增加自由面來保證掏槽效果。炮孔深度加大后，掏槽區(qū)周圍巖體對掏槽區(qū)巖體的夾制作用明顯增加，掏槽爆破更加困難[8-11]。為解決上述難題，在九里山礦使用了掏槽眼中間留不裝藥的大直徑空眼的方法，即預(yù)留中空眼。中間掏槽眼是一個直徑為146 mm的大空眼，如圖1所示，圖中涂黑表示中空眼位置。

圖1 大直徑中空眼直眼掏槽

使用大直徑中空眼在能夠達到順利掏槽的前提下，又降低了炸藥的消耗。另一方面，中空眼可以為爆破創(chuàng)造自由面，有效地縮減掏槽眼爆破抵抗線值，確保掏槽成功。

2 數(shù)值模型建立

采用 FLAC3D建立了大直徑中空眼的分析模型，以九里山礦16101底抽巷為工程背景，根據(jù)工程地質(zhì)條件，模型外形尺寸為：長×寬×高=20 m×10 m×15 m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，斷面尺寸為：寬度4000 mm，巷道高度3500 mm，墻高1500 mm，大直徑中空眼直徑為146 mm，位置位于腰線以下300 mm，掏槽眼直徑為38 mm，4個掏槽眼與中空眼的間距為300 mm。采用摩爾-庫侖模型，模型頂部施加上部巖層等效載荷，16101底抽巷埋深為380 m，取上覆巖層的自重應(yīng)力為11 MPa；本地區(qū)圍巖穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造不復(fù)雜，煤層平整無褶皺，

側(cè)壓力系數(shù)取為1，即為11 MPa；模型左右兩邊界無水平位移；底部為固定約束，即在x、y、z方向位移為零；采用大應(yīng)變的應(yīng)變模式。開挖前先進行初始地應(yīng)力平衡計算，然后施工中空眼和掏槽眼。巷道三維模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 巷道三維模型

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)在中空眼施工前后的數(shù)值模擬計算結(jié)果，從塑性區(qū)分布、圍巖應(yīng)力分布、圍巖變形分布和截面上應(yīng)力、位移分布等方面分析了大直徑中空眼施工前后所產(chǎn)生的影響。

3.1 施工中空眼前后塑性區(qū)分析

大直徑中空眼施工前后的塑性區(qū)分布圖如圖3所示，可以看出，在施工中空眼后，中空眼周圍出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū)，并且周邊掏槽眼的塑性區(qū)也有擴大，這說明中空眼為掏槽眼爆破提供了額外的自由面，同樣對于2.8 m的掏槽眼來說，由于自由面的增加，使爆破后的炮眼利用率要優(yōu)于無中空眼的情形。

圖3 塑性區(qū)分布

3.2 施工中空眼前后位移變化分析

（1）垂直位移。施工中空眼后，圍巖應(yīng)力受到了破壞，圍巖向鉆孔方向變形。圖4的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在施工中空眼后，圍巖的垂直位移量顯著增加，位移分布也發(fā)生了變化，位移明顯圍繞中空眼分布，中空眼附近的位移量最大，然后向兩邊減少。從圖4（a）可以看出，位移變形的最大位置出現(xiàn)在腰線上掏槽眼周圍，然后位移向兩幫擴散，并且具有明顯的對稱性。與施工過中空眼后的位移分布明顯不同；施工中空眼后，位移分布沿中空眼上下由大變小，并且掏槽眼孔口周圍也出現(xiàn)了和圖4（a）一樣的位移量，對比分析充分說明，施工中空眼后，巷道巖石位移變形都向中空眼周圍變化。

圖4 垂直位移分布

（2）水平位移。施工掏槽眼和中空眼后，巷道內(nèi)巖石的水平位移分布如圖5所示。在未施工中空眼的情況下，水平位移云圖呈環(huán)狀分布，最大位移出現(xiàn)在巷道腰線上的掏槽眼周圍，逐漸向外部變化減少。在施工中空眼后，水平位移分布發(fā)生明顯變化，4個掏槽眼的位移量明顯增大，并且不再是環(huán)形遞減分布，中空眼兩側(cè)巖體向中間變形。從水平位移分布能夠看出，施工中空眼后，水平位移向中空眼靠攏。

圖5 水平位移分布

從水平和垂直位移可以看出，中空眼能夠使圍巖變形更加向巷道中心變化，使得爆破力更加集中，進而提高了爆破的效率。

3.3 掏槽眼周圍應(yīng)力分析

（1）垂直應(yīng)力。掏槽眼和中空眼施工過后垂直應(yīng)力分布如圖6所示。圖6（a）是無中空眼的垂直應(yīng)力分布，從圖中可以看出，垂直應(yīng)力無規(guī)律可尋，掏槽眼附近有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但是數(shù)值都不大，而且無明顯的方向性，即無明顯的作用力方向，向四處分散不能形成集中的拉應(yīng)力。圖6（b）為有中空眼的垂直應(yīng)力分布，從圖中可以看出，中空眼周圍出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力隨著遠離中空眼其值越來越小，拉應(yīng)力能夠反映圍巖所承受的程度，拉應(yīng)力越大圍巖越易破碎，拉應(yīng)力范圍越大，其破壞范圍也越大。由圖6（b）可以看出，中空眼周圍隨著距離的增加，其拉應(yīng)力也逐漸減少，最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔口周邊，在中空眼周圍呈環(huán)形分布，能夠和周圍掏槽眼應(yīng)力曲線共同形成拉應(yīng)力破壞區(qū)，爆破后的破壞效果明顯優(yōu)于沒有中空眼的情況。

圖6 垂直應(yīng)力分布

（2）水平應(yīng)力。數(shù)值模擬水平應(yīng)力的分布如圖7所示。由圖7（a）可以看出，4個掏槽眼周邊都出現(xiàn)了較大的水平拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，但都是各自相對獨立，未形成貫穿的拉應(yīng)力集中帶。從圖7（b）可以看出，施工中空眼后，在中空眼附近形成了較大的拉應(yīng)力集中帶，并且向周邊巖體分散，和掏槽眼周邊的拉應(yīng)力集中區(qū)能夠相互貫通，擴大了拉應(yīng)力區(qū)的范圍。

圖7 水平應(yīng)力分布

3.4 X=0斷面模擬結(jié)果分析

X=0斷面即是巷道中心垂直線的斷面，該斷面橫切中空眼和上下兩個掏槽眼，該斷面上的位移和應(yīng)力能夠反映中空眼施工過后對周圍巖體和掏槽眼的影響情況。

（1）位移分析。X=0斷面上的垂直位移如圖8所示。圖8（a）為無中空眼時的垂直位移分布圖，最大位移出現(xiàn)在掏槽眼上下，最大值為240 mm，并隨著遠離掏槽眼位移量逐漸變小。為了使爆破效果較好，輔助掏槽眼應(yīng)當(dāng)布置在距離掏槽眼 250 mm～500 mm之間為宜。圖8（b）為施工中空眼后斷面的垂直位移分布圖，可以看出，掏槽眼的影響范圍包含在中空眼的影響范圍內(nèi)，這說明掏槽眼爆破前已經(jīng)形成了一定量的活動空間，掏槽眼爆破的效果要優(yōu)于無中空眼的情形。

圖8 X=0斷面垂直位移分析

（2）應(yīng)力分析。X=0截面垂直應(yīng)力分布如圖9所示。圖9（a）為無中空眼時的垂直應(yīng)力分布，圖9（b）為有中空眼時的垂直應(yīng)力分布。截面上的垂直應(yīng)力分布和位移分布相似，有中空眼后其垂直應(yīng)力分布范圍較廣。

圖9 X=0斷面垂直應(yīng)力分析

4 工程實例

16101 底抽巷位于16采區(qū)西翼，巷道原采用楔形掏槽，掏槽眼深度為1.9 m，其他炮眼深度為1.8 m，爆破循環(huán)進度為1.6 m，全斷面爆破的炸藥消耗總量為26 kg，雷管消耗68發(fā)，單位炸藥消耗16.25 kg/m。月掘進進尺86 m。

改進后采用大直徑中空眼直眼掏槽，每班采用3臺風(fēng)鉆同時打眼，實行多機作業(yè)，采用長度3.0 m的鉆桿進行炮眼施工，掏槽眼深度不小于 2.7 m，其它眼深度不小于2.5 m，循環(huán)進尺提高到2.2 m，全斷面爆破炸藥消耗總量為32.4 kg，雷管消耗72發(fā)，單位炸藥消耗15.55 kg/m。月進尺118 m，提高了約40%，縮短了約2.4個月生產(chǎn)時間，節(jié)省人工工資43萬元、設(shè)備租賃費0.45萬元、電費2.3萬元計算，共節(jié)約109.8萬元。

5 結(jié)論及建議

（1）大直徑中空眼能夠提高炮眼的利用率，提高巖石爆破效果和炮眼利用率，減少單位炸藥消耗量和圍巖結(jié)構(gòu)破壞程度。

（2）通過理論分析與現(xiàn)場試驗，優(yōu)化、確定大直徑中深孔直眼掏槽爆破技術(shù)的相關(guān)參數(shù)。

（3）選擇合理的爆破參數(shù)，改善該巖巷掘進爆破效果，實現(xiàn)快速掘進和光面爆破。掏槽眼爆破范圍更大，爆破效果更好，能夠提高爆破的效率，爆破循環(huán)進尺達到2.2 m以上，為實現(xiàn)快速掘進、降低成本提供了可靠的技術(shù)支持。

（4）施工超前中空眼能夠提前探測掘進工作面前方的地質(zhì)情況，為安全掘進提供保障。