定向斷裂控制爆破技術(shù)在巷道掘進(jìn)中應(yīng)用研究*

余永強(qiáng),余靂偉,范利丹,徐 峰,周桂杰

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，焦作 454003； 2.河南省地下空間開發(fā)及誘發(fā)災(zāi)變防治國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,焦作 454003)

近年來，定向斷裂控制爆破技術(shù)已廣泛應(yīng)用在深部巖土工程、礦井建設(shè)、隧道開挖、水利工程、邊坡爆破等涉及工程爆破的領(lǐng)域[1]。最早在20世紀(jì)初Foster C L提出了挖軸向溝槽在炮孔壁上的方法，從而達(dá)到預(yù)定方向斷裂的想法，由于理論限制和工藝的復(fù)雜性，沒有得到實(shí)施[2]。1950年，Duvall W J等提出反射波理論，系統(tǒng)研究了爆炸沖擊荷載作用下巖石的破碎機(jī)理[3]。1970年，F(xiàn)ourney W L首次在實(shí)驗(yàn)中采用切縫管狀藥包，在爆破過程中取得了定向斷裂的效果[4,5]。

田應(yīng)祥等在露天控制爆破中采用了PVC管作為切縫管進(jìn)行切縫藥包爆破[6]，得到最佳爆破效果的切縫藥管參數(shù)。丁晨曦等利用動(dòng)態(tài)焦散熱方法結(jié)合高速攝影技術(shù)[7]，研究切縫藥包爆破定向裂紋與張開節(jié)理的作用過程，指出張開節(jié)理對(duì)切縫藥包爆破定向裂紋的擴(kuò)展有阻滯作用。楊仁樹等利用高速紋影和超壓測(cè)試技術(shù)研究了切縫藥包爆破后爆轟波的變化規(guī)律[8]，發(fā)現(xiàn)爆生氣體優(yōu)先沿切縫方向釋放，切縫方向的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于非切縫方向的。王志光等通過對(duì)頂板進(jìn)行定向斷裂爆破數(shù)值模擬研究[9]，用模擬得到的最優(yōu)爆破參數(shù)在豐峪煤業(yè)十三采區(qū)進(jìn)行定向斷裂切頂爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決了堅(jiān)硬厚頂板下安全高效采煤?jiǎn)栴}。彌壯壯等運(yùn)用LS-DYNA模擬了切縫藥包作用機(jī)理[10]，在寺家莊礦南一盤區(qū)北回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切縫藥包對(duì)比試驗(yàn)得到了增加半眼殘痕條數(shù)，眼痕率比普通爆破提高70%左右的結(jié)果。岳中文等結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法探討了爆轟波與爆生氣體作用于炮孔壁的過程[11,12]，通過對(duì)比表明，采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)能使試件內(nèi)部形成更高的應(yīng)力集中，沿切縫方向的沖擊作用也強(qiáng)于耦合裝藥結(jié)構(gòu)。魏垂勝將切縫藥包和環(huán)向聚能藥包爆破技術(shù)的布孔設(shè)計(jì)應(yīng)用車集煤礦達(dá)到了高效低耗爆破效果[13]，實(shí)現(xiàn)了巖巷快速掘進(jìn)。宇廣鑫等在潞安煤礦用聚能管定向光面爆破技術(shù)來爆破巷道的方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)提高了巖石巷道掘進(jìn)[14]。吳振華等指出聚能管光面爆破技術(shù)改變常規(guī)光面爆破參數(shù)[15]，將爆炸產(chǎn)生的能量集中在周邊眼連線方向的圍巖上，減少對(duì)圍巖的破壞，保持巷道圍巖的完整性。

由此可知，現(xiàn)有研究主要集中在聚能藥包爆破和切縫藥包爆破的理論研究、數(shù)值模擬和切縫參數(shù)的調(diào)整與修正上，取得了豐碩的研究成果，而涉及通過切縫藥包控制巷道開挖輪廓、提高半孔率的研究還比較少。眾所周知，煤礦巷道開挖輪廓的控制、半孔率的提高對(duì)爆破效果有著重要的作用，普通的光面爆破難以達(dá)到理想效果。因此，提高半孔率、有效控制巷道開挖輪廓是獲得爆破效果的重要途徑。在安全、便捷高效且經(jīng)濟(jì)的前提下，進(jìn)行周邊眼切縫管裝藥定向斷裂的控制爆破掘進(jìn)技術(shù)研究，對(duì)煤礦礦井建設(shè)具有一定的工程意義。

1 定向斷裂控制爆破機(jī)理

根據(jù)爆破破巖機(jī)理，巖體內(nèi)最初形成的裂隙是由炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波造成的，然后爆炸氣體滲入已產(chǎn)生的裂隙中同時(shí)在靜壓作用下，加強(qiáng)由應(yīng)力波產(chǎn)生的裂隙的擴(kuò)展[16,17]。首先在切縫方向產(chǎn)生初始定向裂紋，使炮孔邊緣及孔壁內(nèi)形成應(yīng)力松弛，在一定程度上抑制其他方向上裂隙的產(chǎn)生，初始裂紋形成以后，在爆生氣體的作用下，初始裂紋尖端形成應(yīng)力集中，當(dāng)其動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過介質(zhì)的斷裂韌性時(shí)。裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，介質(zhì)發(fā)生破壞[18]。切縫藥包爆破原理如圖1所示。位于切縫管內(nèi)的炸藥在爆炸時(shí)，因切縫管的約束作用，沖擊波沿著切縫方向直接向外傳播作用于炮孔壁上(A點(diǎn)和B點(diǎn))。

圖1 切縫藥包爆破原理Fig. 1 Principle of slit charge blasting

切縫藥包爆破總體可以劃分為三個(gè)過程：第一，炸藥起爆至在切縫管內(nèi)充分爆炸，稱為炸藥起爆至初始沖擊波階段，在實(shí)際中，精確計(jì)算炸藥爆炸后在空氣中形成的沖擊波是比較有難度的，常常采用近似的方法，這種近似計(jì)算將爆轟產(chǎn)物的膨脹過程分成兩個(gè)時(shí)間段。第一階段，爆轟產(chǎn)物壓力由pH膨脹到臨界壓力pr，在此過程中，膨脹系數(shù)k是恒定值，爆轟產(chǎn)物符合下列公式

(1)

第二階段，爆轟產(chǎn)物壓力由pr膨脹到空氣沖擊波初始?jí)毫i，在此過程中，膨脹系數(shù)u是恒定值，爆轟產(chǎn)物符合下列公式

(2)

式中：k和u均代表不同階段的膨脹系數(shù)，k通常取值為3，u取1.2～1.4。pH為爆轟產(chǎn)物壓力；pr為爆轟產(chǎn)物臨界壓力；pi為空氣沖擊波初始?jí)毫?；vH、vr、vi為不同階段的比容。

第二，初始裂紋形成階段，隨著炸藥爆炸過程的結(jié)束，所產(chǎn)生的膨脹波也開始穿過切縫方向向空氣中傳播，形成沖擊波。切縫藥包爆破時(shí)初始裂紋的形成條件為

p>(1-μ)·Sdt/μ

(3)

p>(1-μ)(C-τ)/(μ·tanφ)

(4)

式中：μ為巖石的泊松比；p為炮孔壁上的壓力；Sdt為巖石動(dòng)態(tài)單軸抗拉強(qiáng)度；C為巖石動(dòng)態(tài)內(nèi)聚力；φ為巖石動(dòng)態(tài)摩擦角；τ為炮孔壁上的剪應(yīng)力。

第三，裂紋擴(kuò)展階段，初始裂紋形成后，裂紋尖端在應(yīng)力波和爆生氣體的共同作用下，進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展。根據(jù)斷裂力學(xué)，在準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下，若滿足

KI>KIC

(5)

則裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。式中：KI為裂紋尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子;KIC為巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌性。

切縫藥包定向斷裂控制爆破的第二個(gè)過程影響到定向斷裂方向的精準(zhǔn)性，第三個(gè)過程影響裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度。由此可見，定向斷裂控制爆破效果是由第二個(gè)和第三個(gè)過程共同決定的。

2 切縫藥包設(shè)計(jì)

切縫藥包是在炸藥藥卷的外層套上預(yù)先切過縫的塑料管，采用不耦合裝藥，通過切縫管在炮孔周圍產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布，特別是在切縫方向上產(chǎn)生應(yīng)力突變，在預(yù)先切過縫的方向上產(chǎn)生裂縫。切縫管采用 PVC 塑料管，切縫管外表面設(shè)有聚能切縫，切縫管內(nèi)設(shè)有爆破藥卷，其直徑和長(zhǎng)度是根據(jù)炮孔和藥卷的直徑以及藥卷長(zhǎng)度來確定的，楊仁樹等相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出最佳切縫寬度為4 mm[18],試驗(yàn)選取切縫寬度為4 mm，切縫藥包結(jié)構(gòu)如圖2所示，外徑38mm，內(nèi)徑36 mm，壁厚1 mm，其制作方法是：先將PVC塑料管加工成所需長(zhǎng)度和直徑，然后再加工出一定寬度和長(zhǎng)度的對(duì)穿縫，為了保證切縫管的完整性，在PVC管的兩端一般留2～3 mm的長(zhǎng)度。切縫藥包的安裝過程如圖3所示，在將炸藥放入切縫管內(nèi)，前端用炮泥堵塞，然后將切縫管放入周邊孔中，切縫藥包布置過程如圖4所示，使切縫方向和輪廓面平行方向?qū)R，這有利于兩炮孔間利用爆破氣楔形成預(yù)裂面，從而達(dá)到定向控制爆破。

圖2 切縫藥包結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)Fig. 2 Structure diagram of slit charge(unit：mm)

圖3 切縫藥包安裝圖Fig. 3 Installation diagram of the slit charge

圖4 切縫藥包布置圖Fig. 4 Arrangement diagram of slit charge

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 工程背景

中泰礦業(yè)-500 m 35采區(qū)下山回風(fēng)巷，巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道掘進(jìn)中有水平、上山和下山部分，設(shè)計(jì)巷道凈寬5.0 m，凈高3.6 m，斷面凈面積S=15.32 m2。斷面巖石巖性分布較均勻，以白色中砂巖為主，并夾雜部分頁巖，巖石普氏堅(jiān)固性系數(shù)f=8.9～13.8。圍巖輪廓成形效果較差，破壞了圍巖的穩(wěn)定性，提高后期支護(hù)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。為了減少對(duì)圍巖的損傷破壞，決定采用定向斷裂控制爆破技術(shù)，全斷面一次微差起爆方式，周邊眼采用定向斷裂切縫管裝藥。

試驗(yàn)設(shè)有兩組，一組為切縫藥包爆破，另一組為普通藥包爆破。切縫藥包爆破周邊眼眼距為500 mm，周邊眼的數(shù)量為29個(gè)；普通藥包爆破組周邊眼的眼距為300 mm，周邊眼的數(shù)量為39個(gè)。

3.2 爆破方案設(shè)計(jì)

3.2.1 炮眼深度和直徑

炮眼深度為l=2.2 m，取周邊眼、輔助眼及底眼深度2.2 m，掏槽眼深度2.4 m。炮眼直徑為42 mm。

3.2.2 掏槽方式

對(duì)取回的巷道巖樣進(jìn)行鉆芯取樣，測(cè)得其平均普氏系數(shù)f=11.7，屬于較堅(jiān)硬類巖石，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)決定采用復(fù)式楔形對(duì)稱掏槽，充分利用漏斗狀(楔形)炮眼的爆破作用將掘進(jìn)面中部或中下部巖石爆出，掏槽炮孔布置圖見圖5。

圖5 楔形掏槽炮孔布置示意圖(單位：mm)Fig. 5 Schematic diagram of hole arrangement of wedge-shaped cut(unit:mm)

(1)間排距、傾角及最小抵抗線

一級(jí)和二級(jí)掏槽眼均布置為三對(duì)，孔口間距分別為1200 mm、2000 mm，排距均為400 mm，眼深分別為1500 mm、2400 mm，兩級(jí)掏槽眼交錯(cuò)布置。研究表明，掏槽眼傾斜角度65°～75°為宜，傾角越小，巖石的夾制作用將會(huì)越弱，因此可將一級(jí)掏槽眼傾角設(shè)置為65°，二級(jí)掏槽眼傾角為75°。中間軸線位置設(shè)置三個(gè)空孔，不裝藥，眼深為2500 mm，排距為400 mm。

輔助眼間距滿足式ar=(0.8～1.3),W′=(0.456～0.741)m，對(duì)于堅(jiān)硬類巖石，為達(dá)到較好的爆破效果，建議取小值，即ar=0.5 m=500 mm；另外，輔助眼炮眼間距可比掏槽眼大100～200 mm，因此設(shè)計(jì)為500 mm符合設(shè)計(jì)要求，且一圈輔助眼與二圈輔助眼排距設(shè)計(jì)為500 mm。輔助眼最小抵抗線為W′=0.6 m。

一次微差爆破的較大裝藥量，為減小圍巖的損傷程度和保證爆破效果的前提下，將切縫藥包爆破周邊眼間距E設(shè)置為500 mm，普通藥包爆破周邊眼眼距設(shè)置為300 mm。

(2)裝藥量

炸藥采用煤礦三級(jí)水膠炸藥，規(guī)格為φ35 mm×200 mm×200 g。

掏槽眼單個(gè)炮孔裝藥量Q1為Q1=ηq1l

式中：η為炮孔裝藥系數(shù)，按砂巖堅(jiān)固性系數(shù)查表取得η=0.8；q1為線裝藥密度，按裝藥直徑查表取得q1=0.96 kg/m。l為炮孔深度，一級(jí)掏槽眼深度1.5 m，Q1=1.2 kg，二級(jí)掏槽眼深度2.4 m，Q1=1.9 kg。

輔助眼單孔裝藥量可按下式計(jì)算Q3=q2arWl

式中：q2為硬巖炸藥單耗，一般取2.5 kg/m3。帶入各參數(shù)求得輔助眼單孔裝藥量Q3=1.6 kg。

周邊眼裝藥集中度qL按下式計(jì)算：qL=K1K2mW

式中：K1是與巖石性質(zhì)有關(guān)參數(shù)，堅(jiān)硬巖石取1.0～1.5；K2是與炮孔深度有關(guān)參數(shù)，一般取0.5；m為炮孔密集系數(shù)，取0.8～1.0。帶入得到切縫藥包裝藥集中度qL=0.3 kg/m，單孔裝藥量為Q2=0.6 kg。普通藥包裝藥集中度qL=0.45 kg/m，單孔裝藥量為Q2=0.9 kg。

3.3 爆破設(shè)計(jì)圖表

炮孔布置圖如圖6所示，爆破參數(shù)如表1所示。

圖6 炮孔布置圖(單位:mm)Fig. 6 Blast hole layout(unit:mm)

表1 爆破參數(shù)表Table 1 Blasting parameter table

4 結(jié)果分析

在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)期間，對(duì)炮眼利用率、周邊眼痕保存率、平均線性超挖量、半孔率等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 切縫藥包試驗(yàn)組部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Part of the statistical results of the slit charge blast test group

表3 普通藥包試驗(yàn)組部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Part of the statistical results of the normal charge blast test group

對(duì)比常規(guī)普通藥包爆破和切縫藥包爆破，主要表現(xiàn)不同在(1)炸藥用量(2)爆破效果(3)裝藥結(jié)構(gòu)。基于這些差異，切縫藥包爆破取得了良好的爆破效果，具體如下：

(1)縮短了打眼時(shí)間。切縫藥包的周邊眼數(shù)量比普通藥包減少了10個(gè)，數(shù)量減少約26%，縮短了鉆孔時(shí)間，加快了施工時(shí)間，提高了施工效率。

(2)降低了炸藥用量，根據(jù)試驗(yàn)記錄，切縫藥包每立方米炸藥用量約為2.2 kg，普通藥包每立方米炸藥用量約為2.9 kg，每立方米炸藥用量可減少25%，每循環(huán)進(jìn)尺可減少炸藥用量約20 kg。

(3)超挖現(xiàn)象得到了有效控制。普通藥包爆破超挖現(xiàn)象極其嚴(yán)重，采用切縫藥包爆破后，如圖7所示，平均線性超挖量為0.171 m，降低了0.238 m，超挖量得到有效控制，為后續(xù)施工提供了保障。

圖7 切縫藥包開挖斷面擬合圖(單位：m)Fig. 7 Fitting drawing of the excavation section of slit charge blast(unit:m)

(4)提高了周邊眼炮痕保存率和半孔率。如圖8所示，開挖面較為平滑，爆破完巷道輪廓成形好，周邊眼炮眼保存率平均值93.2%，提高約10%，并在圍巖表面均勻分布，半孔率平均值為84.4%，在硬巖評(píng)價(jià)指標(biāo)接近最優(yōu)值(最優(yōu)值為85%以上)，與普通藥包爆破相比，提高約10%，巷道輪廓面的平整度提高，爆破后圍巖內(nèi)部原有的裂隙幾乎沒有擴(kuò)展，并且沒有再次產(chǎn)生過多新的裂隙，對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞明顯降低。

圖8 周邊眼爆破效果Fig. 8 Blast effect of perimeter holes

(5)減弱了爆破震動(dòng)。切縫藥包增加周邊眼眼距，由300 mm提高到500 mm，為普通爆破周邊眼眼距的1.6倍，降低了爆破過程中對(duì)圍巖的影響，提高了圍巖的穩(wěn)定性。

切縫藥包定向斷裂控制爆破技術(shù)縮短了打眼時(shí)間，降低了炸藥用量，降低了超挖量，提高了半孔率和周邊眼炮痕保存率，有效降低了對(duì)圍巖體的損傷，增加了圍巖的穩(wěn)定性，取得了較為理想的爆破效果。

5 結(jié)論

在煤礦巷道掘進(jìn)中采用周邊眼切縫藥包定向斷裂控制技術(shù)，進(jìn)行了切縫藥包爆破和普通藥包爆破對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)取得了較為理想的爆破效果。

(1)切縫藥包應(yīng)用到周邊眼后，提高了炮眼利用率，最大值為95%；與普通藥包爆破相比，周邊眼炮眼保存率提高約10%；平均線性超挖量降為0.171 m，有效控制了超挖量。

(2)切縫藥包爆破完巷道輪廓成形好，巷道開挖輪廓較為平滑，切縫藥包爆破增加周邊眼眼距，減弱了爆破對(duì)圍巖的震動(dòng)，提高了半孔率，平均值為84.4%，降低對(duì)巖體的損傷，有效的增加了圍巖的穩(wěn)定性。

(3)切縫藥包爆破減少了周邊眼數(shù)量，縮短了打眼時(shí)間，工作效率得到提高，降低了炸藥消耗量，每立方米炸藥用量可減少25%，每循環(huán)進(jìn)尺可減少炸藥用量約20 kg。經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。