巖巷鉆爆法掘進掏槽技術(shù)選擇及應用

張召冉，張書銘*，許 鵬，李 甲，劉國慶

(1.北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144;2.北京科技大學數(shù)理學院,北京 100083;3.陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司,陽泉 045000;4.北方爆破科技有限公司,北京 100089)

“采掘失衡”矛盾一直是中國煤炭企業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題[1-2]，其中，巖石巷道的掘進速度是制約巷道掘進整體水平的關(guān)鍵。針對巖巷掘進的問題，學者們開展了大量的研究。楊仁樹等[3]在總結(jié)分析前人成果的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)掏槽孔比其他炮孔普遍深200 mm，為此提出掏槽孔超深掏槽爆破技術(shù)，并通過試驗得到隨著掏槽炮孔超深深度的增加，炮孔利用率能提高到95%以上。單仁亮等[4-5]提出了準直眼掏槽技術(shù)，并在中國陽泉等礦區(qū)進行現(xiàn)場試驗，炮孔利用率達到90%以上。張淵通等[6]通過分形技術(shù)分析了二階二段掏槽技術(shù)后的矸石塊度分布，應用該技術(shù)后矸石塊度降低50 mm以上。戴俊等[7]利用AN-SYS/LS-DYNA軟件，數(shù)值模擬雙炮孔爆破裂紋擴展過程，得到了孔間裂縫的合理間距為400～700 mm。王越等[8]利用LS-DYNA軟件對比分析了楔形掏槽與復合掏槽技術(shù)的優(yōu)劣。滿軻等[9]通過現(xiàn)場試驗對比分析了直眼掏槽、楔形掏槽對周邊成型質(zhì)量等的影響，認為直眼掏槽更有利于周邊成型，楔形掏槽更有利于巖石的破碎和拋擲。Yi等[10]探討了炮孔間微差起爆時應力波之間的相互影響。范軍平等[11]采用數(shù)值模擬及實驗室實驗對大直徑空孔掏槽技術(shù)的爆破效果進行了分析，認為大空孔有利于巖石的破碎。彌壯壯等[12-13]對巖石巷道爆破中周邊成型和矸石塊度提出相關(guān)的技術(shù)方案，大塊率和半眼痕率明顯提高。

綜上，中外學者對掏槽技術(shù)進行了較多的研究，但對楔直復合掏槽破巖的優(yōu)勢還沒明晰，因此，現(xiàn)采用數(shù)值技術(shù)和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，對比分析單楔形掏槽和楔直復合掏槽技術(shù)的異同，以期為提高巖巷鉆爆法掘進爆破效果提供參考。

1 工程背景

某高抽巷屬于陽煤五礦瓦斯治理巷道，該巷道位于11 #煤下泥巖、粉砂巖中，巷道頂板為石灰?guī)r，高抽巷綜合表如表1所示。巷道設(shè)計長度為1 080.38 m，矩形斷面，掘進斷面7.56 m2，巷道具體斷面參數(shù)如表2所示。

1.1 原爆破施工方案

1.1.1 爆破參數(shù)

原爆破方案掏槽技術(shù)采用單楔形掏槽技術(shù)，3對掏槽眼孔長2.2 m，單孔裝藥量0.8 kg，其余孔深均為2.0 m。槽間距1.0 m，掏槽眼角度80°，炮孔底部距離250 mm，總炮眼個數(shù)為35個，炮眼布置圖如圖1所示。

掏槽孔采用一段毫秒延期電雷管，輔助眼均采用2段毫秒延期電雷管(兩排輔助眼并段)，周邊眼和底眼均采用3段毫秒延期電雷管，炸藥采用煤礦許用三級乳化炸藥，規(guī)格為32 mm×200 mm(200 g/卷)，總裝藥量25.8 kg。

表2 某高抽巷斷面參數(shù)Table 2 Cross-section parameters of high-drainage roadway

圖1 原爆破方案炮孔布置圖Fig.1 Blasthole layout of the original blasting plan

表1 高抽巷綜合表Table 1 Comprehensive table of High-Drainage Roadway

1.1.2 爆破效果及分析

該爆破方案施行后，單循環(huán)進尺1.75 m，炮眼利用率為87.5%，單耗1.95 kg/m，月進尺130 m，低于計劃水平150 m/月。除進尺問題外，還存在如下問題。

(1)周邊成型問題。爆破后周邊成型，如圖2所示，爆破后巷道周邊成型效果較差，超挖達到250 mm以上，欠挖100 mm左右，巷道局部輪廓呈現(xiàn)“S”字型。

(2)爆堆問題。爆后爆堆分散，爆堆高度不夠，蹬矸支護困難。矸石拋擲距離遠，造成設(shè)備損壞，大塊較多(圖2)，增加后路人工處理矸石工作量。

(3)放炮次數(shù)多。當采用全斷面一次起爆時，由于爆破參數(shù)不合理，拋渣距離較遠，容易造成設(shè)備損壞，故采用全斷面2次放炮，導致輔助作業(yè)(通風、降塵等)時間長。

圖2 原方案爆破效果Fig.2 Effect of the original blasting plan

2 基于數(shù)值模擬的掏槽技術(shù)選擇分析

針對上述問題，經(jīng)過科學分析得到產(chǎn)生上述問題的關(guān)鍵原因在于掏槽技術(shù)。對于掏槽技術(shù)的選擇而言，數(shù)值模擬技術(shù)是既快速又可靠的手段，數(shù)值模擬結(jié)果是掏槽技術(shù)科學合理選擇的重要依據(jù)。

2.1 楔直復合掏槽技術(shù)及其原理

楔直復合掏槽技術(shù)的思想不同于單楔形掏槽(圖3)。楔直復合掏槽是充分利用掏槽區(qū)中心孔的空孔效應，即碎脹空間和自由面效應，同時中心孔中適當裝藥，在掏槽孔起爆后爆破，充分利用掏槽孔-中心孔-輔助孔之間的爆破時差，中心孔中炸藥爆炸后對槽腔內(nèi)未破壞巖石進行進一步破壞并拋擲出槽腔，增加了掏槽槽腔爆后深度，為輔助孔充分利用新的自由面(槽腔)創(chuàng)造條件，炮眼利用率高。

圖3 楔直復合掏槽和楔形掏槽炮孔布置Fig.3 Layout of wedge-parallel cut blastholes

2.2 掏槽爆破方案數(shù)值模擬

采用ABAQUS數(shù)值軟件對單楔形掏槽、楔直復合掏槽進行數(shù)值模擬，分析應力波的傳播、疊加和反射規(guī)律，以此比較兩種掏槽爆破技術(shù)在破巖方面的優(yōu)劣。

2.2.1 巖石模型參數(shù)選取

為研究不同掏槽爆破形式對爆炸應力場的影響，采用線彈性模型，其優(yōu)勢是能夠清晰地表征炮孔周圍的應力場變化情況，將實驗測試得到的巖石基本物理力學參數(shù)帶入模型中，巖石的物理力學參數(shù)如表3所示。

表3 巖石物理力學參數(shù)Table 3 Rock physical and mechanical parameters

2.2.2 炸藥類型

Conwep模型是根據(jù)美國軍方實驗數(shù)據(jù)得到的爆炸荷載壓力曲線，現(xiàn)已被廣泛用于模擬自由空氣場中爆炸和近距離爆炸計算。在ABAQUS軟件中，對于給定的起爆點、爆破介質(zhì)、炸藥，Conwep模型在爆破介質(zhì)中的爆炸荷載時程曲線公式為

p(t)=

(1)

式(1)中：θ為爆炸應力波的入射角，(°)；pi和pr分別為爆炸應力波和反射爆炸應力波的強度，MPa；p(t)為單孔爆破后介質(zhì)中任意一點的總壓力，MPa。

2.2.3 模型建立

為計算方便，采用二維平面模型考察掏槽技術(shù)的應力分布及傳播規(guī)律。炮孔直徑為42 mm。網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，單元類型為CPS4R(4節(jié)點四邊形線性縮減積分單元)。模擬中采用conwep方式模擬炸藥爆炸，各炮孔的炸藥采用等效三硝基甲苯(TNT)炸藥。單楔形掏槽爆破中，采用6個炮孔同時起爆；楔直復合掏槽中，6個掏槽孔先起爆，2個中心孔后起爆。

圖4 單楔形掏槽爆破Mises應力云圖Fig.4 Mises stress of single wedge cutting blasting

2.2.4 單楔形掏槽數(shù)值模擬

如圖4所示，六孔楔形掏槽孔同時起爆后，大約50 μs后出現(xiàn)應力迅速上升，兩個掏槽炮孔間的應力場相互疊加，使炮孔間的應力強度明顯增強。在63 μs時，左右兩側(cè)炮孔處產(chǎn)生的應力場相互疊加，兩炮孔中垂線方向的應力場強度達到最強。隨后，爆炸應力波繼續(xù)向外傳播，在100 μs左右時，楔形掏槽左右兩排掏槽孔之間應力場的疊加范圍達到最大，炮孔間的應力場強度不斷增強，150 μs以后，爆炸應力波持續(xù)向外傳播，掏槽區(qū)內(nèi)應力波強度也逐漸減小。

在模型中設(shè)置5個監(jiān)測點，監(jiān)測點的位置如圖5(a)所示。圖5(b)～圖5(h)為六孔楔形掏槽爆破中各監(jiān)測點處的Mises應力隨時間的變化曲線。從圖5中可以看出，六孔楔形掏槽起爆后，同排炮孔連心線處巖體中的Mises應力迅速上升到峰值應力241.5 MPa，對同排相鄰炮眼間巖石形成壓碎。隨后，爆炸應力波在兩排掏槽孔之間的區(qū)域內(nèi)疊加，峰值應力達到近100 MPa，該區(qū)域巖石也會被破碎，而后巖石中的Mises應力逐漸下降，并呈振蕩變化的特點，應力平均45 MPa。

圖5 監(jiān)測點處Mises應力變化Fig.5 Mises stress at each monitoring point in single wedge cutting blasting

2.2.5 楔直復合掏槽數(shù)值模擬

從圖6可以看出，楔形掏槽孔同時起爆后，大約50 μs后出現(xiàn)應力迅速上升，兩個掏槽炮孔間的應力場相互疊加，使炮孔間的應力強度明顯增強。在75 μs時，左右兩側(cè)炮孔處產(chǎn)生的應力場在空孔處相互疊加，此時與中心孔水平方向成45°和135°方向上應力場強度達到最強，呈現(xiàn)斜“十”字狀分布。在100 μs左右時，楔形掏槽左右兩排掏槽孔之間應力場的疊加范圍達到最大，炮孔間的應力場強度不斷增強，125 μs時中心孔起爆，爆炸應力波持續(xù)向外傳播，掏槽區(qū)內(nèi)應力波強度又開始增強，150 μs時擴展至掏槽孔附近，而后繞過掏槽孔后強度逐漸減低。

圖6 楔直復合掏槽爆破Mises應力云圖Fig.6 Mises stress nephogram of cut blasting in collimating hole

圖7 各監(jiān)測點處的Mises應力隨時間變化曲線Fig.7 Mises stress at each monitoring point of cut blasting in collimated hole

模型中設(shè)置6個監(jiān)測點，監(jiān)測點的位置如圖7(a)所示。圖7(b)～圖7(h)為準直眼掏槽爆破各監(jiān)測點處的Mises應力隨時間變化曲線。從圖7可以看出，楔形掏槽起爆后，50 μs后巖體中的Mises應力迅速增大，其中，每對炮孔中間測點出現(xiàn)最大值，應力峰值強度達到238.7 MPa，但持續(xù)時間較小，在100 μs后基本減小到50 MPa以下。隨后位于楔形掏槽內(nèi)側(cè)的兩個中心孔起爆，150 μs時中心孔處產(chǎn)生的爆炸應力波與楔形炮孔處產(chǎn)生的爆炸應力波相互疊加，進一步增強了爆炸應力波的強度，使巖體內(nèi)部的Mises應力迅速上升，應力峰值達到235 MPa，平均應力強度又上升至70 MPa左右，而后掏槽區(qū)應力開始震蕩，應力波峰值維持在50 MPa左右。

2.2.6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，單楔形掏槽和楔直復合掏槽在應力波傳播及峰值應力方面存在差別。如表4所示，對單楔形掏槽而言，峰值應力只有1次，達到241.5 MPa，平均應力達到50 MPa；而楔直復合掏槽存在2次峰值應力，第一次達到238.7 MPa，第二次峰值應力達到235 MPa，平均應力達到50 MPa。從以上分析可以看出，楔直復合掏槽由于存在二次應力峰值，對掏槽底部巖石具有更強的破壞效應，平均峰值應力要大于單楔形掏槽，掏槽效果要好于單楔形掏槽技術(shù)。

表4 不同掏槽應力對比Table 4 Stress comparison of different cut

3 基于楔直復合掏槽技術(shù)的爆破方案及效果

基于數(shù)值模擬結(jié)論，采用楔直復合掏槽技術(shù)進行掏槽設(shè)計，掏槽孔為3對(6個)，根據(jù)楔直復合掏槽設(shè)計要求，槽口距為1.1 m，掏槽孔深度2.5 m，掏槽孔底部距離為300 mm，掏槽孔角度81°，則槽口距離為1.1 m，掏槽孔間距450 mm，裝藥量為1.0 kg/孔，中心孔(2個)為0.4 kg/孔，掏槽區(qū)總藥量6.8 kg，輔助孔角度為87°，控制輔助炮孔底部抵抗距在450 mm左右，總炮眼數(shù)39個，總裝藥量29 kg。具體炮眼布置如圖8所示，裝藥量如表5所示。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，在2.3 m爆破方案下，優(yōu)化后單循環(huán)進尺為2.15 m，炮孔利用率達到93%以上，如表6所示。日進尺6.4 m，矸石拋擲距離控制在20 m以內(nèi)，對設(shè)備保護良好，爆堆集中，周邊成型質(zhì)量良好，矸石塊度適中(圖9)，月進尺達到160 m。

圖8 炮孔布置圖Fig.8 Blast-hole layout

表6 施工效果指標對比Table 6 Comparison of blasting effects

圖9 爆破后周邊成型及矸石塊圖Fig.9 Surrounding formation after blasting and Gangue

表5 爆破參數(shù)表Table 5 Blasting parameters

4 結(jié)論

以陽煤5礦某高抽巷為背景，進行了巖巷快速掘進掏槽技術(shù)選擇研究，并進行現(xiàn)場試驗，得到以下結(jié)論。

(1)鉆爆法巖巷掘進中掏槽技術(shù)是關(guān)鍵，楔直復合掏槽技術(shù)在炮孔利用率、單耗、進尺等方面具有較為明顯的優(yōu)勢。

(2)楔直復合掏槽具有兩次峰值應力，而單楔形掏槽只有一次峰值應力。楔直復合掏槽平均應力大于單楔形掏槽，中心孔的存在加劇了掏槽區(qū)巖石的破碎效果，對掏槽巖石破壞更充分。

(3)對于巖巷快速掘進，合理選擇掏槽爆破參數(shù)，并進行爆破參數(shù)優(yōu)化，將大幅度提高巖巷掘進速度。