基于切縫裝藥定向預裂的中深孔掏槽爆破研究

程 兵， 汪海波， 宗 琦， 徐 穎， 王夢想

(1.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

鉆爆法作為一種高效經(jīng)濟的施工方法，被廣泛應用于各類巖體開挖工程，特別是礦山地下空間掘進作業(yè)。對于煤礦巖巷鉆爆掘進而言，掏槽爆破是決定整體破巖效果及循環(huán)進尺大小的關鍵，其主要作用是為崩落孔爆破創(chuàng)造額外自由面，從而降低崩落孔爆破時的圍巖夾制作用[1-4]。傳統(tǒng)巖巷鉆爆掘進施工普遍采用孔深不超過2.0 m的淺孔爆破技術(shù)，雖然基本都能夠?qū)崿F(xiàn)較高的炮孔利用率，但單循環(huán)進尺較低，循環(huán)轉(zhuǎn)換過程中的輔助作業(yè)占用時間較長。隨著綜采技術(shù)的迅速發(fā)展，淺孔爆破技術(shù)已經(jīng)無法滿足采掘平衡對巖巷掘進效率的要求，采用孔深大于2.5 m的巖巷中深孔爆破技術(shù)成為提高巖巷鉆爆掘進效率的必然選擇[5-6]。然而炮孔深度的增加會使圍巖夾制作用顯著增強，槽腔巖體難以被完全拋擲出來，掏槽爆破效果不能達到設計要求，進而會影響全斷面爆破開挖效率[7-8]。

自Fourney等[9]提出采用切縫裝藥實現(xiàn)巖體的定向斷裂以來，切縫裝藥在改善爆破開挖輪廓成型質(zhì)量方面一直發(fā)揮著重要作用。近年來，學者們針對切縫裝藥的爆破機理和工程應用開展了許多研究工作。例如，楊仁樹等[10-12]通過電鏡掃描獲取了切縫裝藥爆破裂紋斷面形態(tài)特征，從微觀角度闡述了切縫裝藥的定向破巖機理；并開展切縫裝藥爆炸紋影捕捉和沖擊波超壓測試，結(jié)果表明爆生氣體會優(yōu)先沿著切縫方向釋放，切縫方向的超壓峰值遠高于非切縫方向；然后將切縫裝藥應用于巷道光面爆破，獲得了較高的周邊殘孔率。岳中文等[13-15]利用光測試驗技術(shù)探究了雙炮孔切縫裝藥條件下微差爆破時的孔間裂紋貫穿規(guī)律，然后結(jié)合數(shù)值模擬研究了裝藥結(jié)構(gòu)和圍壓大小對切縫裝藥爆破裂紋分布的影響。Wang等[16]和楊國梁等[17]分別研究了徑向不耦合系數(shù)和軸向不耦合系數(shù)對切縫裝藥定向斷裂效果的影響。程兵等[18]利用離散元與有限元耦合算法開展切縫裝藥爆破模擬，揭示了切縫裝藥的爆轟產(chǎn)物作用歷程以及炮孔周圍巖體損傷分布特征。申濤等[19]模擬了普通裝藥和切縫裝藥下的巖巷光面爆破，結(jié)果表明切縫裝藥能夠?qū)崿F(xiàn)周邊高質(zhì)量成型。滿軻等[20]在掌子面的左、右?guī)筒颗诳追謩e裝填普通裝藥和切縫裝藥，結(jié)果顯示采用切縫裝藥的右?guī)筒抗饷姹菩Ч黠@優(yōu)于采用普通裝藥的左幫部。

鑒于切縫裝藥的定向斷裂能力，擬將以往用于光面控制爆破的切縫裝藥引入到中深孔掏槽爆破中，利用切縫裝藥的定向斷裂能力先將槽腔巖體與周圍巖體分離開來，消除圍巖對槽腔內(nèi)部巖體的夾制作用。但是現(xiàn)有研究大都集中于切縫裝藥的定向斷裂機理及其在光面爆破中的應用，而對采用切縫裝藥的掏槽爆破技術(shù)缺少深入研究。因此，針對某巖巷中深孔爆破開挖過程中掏槽爆破效果差的問題，本文設計了基于切縫裝藥定向預裂的中深孔掏槽爆破方案，并將此掏槽爆破方案作為研究對象，首先從理論上分析定向預裂對槽腔形成的影響，然后運用ANSYS/LS-DYNA開展掏槽爆破數(shù)值模擬，直觀展示槽腔巖體破壞過程和揭示槽腔巖體破壞機理，最后通過現(xiàn)場試驗探究其實際應用效果。

1 工程背景

1.1 工程概況

潘三礦東三采區(qū)底抽巷采用直墻拱形斷面，掘進寬度、掘進高度、掘進斷面面積以及直墻高度分別為4.7 m，3.65 m，14.785 m2和1.3 m。巷道所穿過巖層主要為中細砂巖，含有少量石英成分，巖石內(nèi)部節(jié)理裂隙較少。對現(xiàn)場所取巖石開展物理力學參數(shù)測試，測得密度為2 680 kg/m3，彈性模量為28.1 GPa，泊松比為0.24，抗壓強度為78.1 MPa，抗拉強度為6.4 MPa。

1.2 爆破方案

在該巖巷鉆爆掘進中，原爆破方案采用楔形掏槽爆破，掏槽孔深度2.7 m，其他炮孔深度2.5 m，為中深孔爆破技術(shù)，但掏槽爆破效果差，經(jīng)統(tǒng)計全斷面爆破掘進時平均循環(huán)進尺、平均炮孔利用率、平均炸藥單耗以及平均雷管單耗為2.05 m，82.0%，1.87 kg/m3和2.18 發(fā)/m3。針對這一問題，本研究將以往用于光面爆破的切縫裝藥引入到中深孔掏槽爆破中，并且根據(jù)切縫裝藥光面爆破的裝藥參數(shù)選取經(jīng)驗，設計了基于切縫裝藥定向預裂的中深孔掏槽爆破方案，掏槽區(qū)域以外的炮孔布置及裝藥參數(shù)依然保持不變，全斷面炮孔布置以及爆破參數(shù)分別如圖1和表1所示。

表1 爆破參數(shù)

圖1 炮孔布置(mm)

在優(yōu)化后的爆破方案中，掏槽爆破由楔形掏槽改為直孔掏槽，與傳統(tǒng)的直孔掏槽爆破設計理念不同的是，這里將直孔掏槽爆破分為預裂孔爆破和掏槽孔爆破兩步。預裂孔中采用切縫裝藥，即在藥卷外側(cè)設置阻燃型PVC(polyvinyl chloride)管，PVC管上設有軸向切縫，各預裂孔中切縫裝藥的切縫數(shù)量和切縫方向根據(jù)其炮孔位置不同而具有一定差異，具體如圖2所示。掏槽爆破時先起爆預裂孔中的切縫裝藥，利用切縫管對爆破能量的導向作用，爆生裂紋沿切縫方向擴展延伸，直到各預裂孔之間爆生裂紋相互貫穿形成定向預裂面，然后再通過掏槽孔爆破完成槽腔巖體的破碎及拋擲。

圖2 切縫數(shù)量和切縫方向

2 定向預裂對槽腔形成的影響分析

2.1 定向預裂對巖體損傷影響分析

當應力波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，如果兩種介質(zhì)的波阻抗不同，則會在界面處發(fā)生應力波的反射、透射與折射。通常為了簡化分析假設應力波由介質(zhì)1垂直入射到介質(zhì)2，此時不存在應力波折射，僅存在應力波的透射與反射，反射應力波和透射應力波的計算公式[21]為

(1)

式中:σI為入射應力波；σR為反射應力波；σT為透射應力波；F為反射系數(shù)；T為透射系數(shù)。其中，F(xiàn)和T可以用式(2)表示

(2)

式中,ξ=(ρCp)1/(ρCp)2為波阻抗比,ρ為介質(zhì)密度,Cp為介質(zhì)波速,下標1和2分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2。

當掏槽孔中的炸藥爆炸后，在巖體中激起爆炸應力波并向外傳播。由于預裂孔中的切縫裝藥先行爆破后，各預裂孔之間裂紋相互貫穿形成定向預裂面，定向預裂面可以視為自由面。當爆炸應力波到達定向預裂面，應力波由巖體介質(zhì)入射到空氣介質(zhì)，由于巖石的波阻抗遠大于空氣，根據(jù)式(1)和式(2)可知波阻抗比ξ→∞，反射系數(shù)F=-1，透射系數(shù)T=0，表明入射應力波在定向預裂面全部被反射為拉伸應力波。

掏槽孔在無限巖體和預裂巖體中的爆破損傷示意圖，如圖3所示。與掏槽孔在無限巖體中的爆破損傷情況相比，一方面由于掏槽孔爆炸應力波在定向預裂面全部被反射為拉伸應力波，而巖石的抗拉強度僅為抗壓強度的10%左右，所以在定向預裂面附近會發(fā)生拉伸層裂破壞；另一方面由于掏槽孔爆炸應力波無法透過定向預裂面作用于槽腔外部巖體，定向預裂面對掏槽孔爆炸應力波的傳播產(chǎn)生了阻隔作用，于是掏槽孔的炸藥爆破能量將全部用于破壞槽腔內(nèi)部巖體，促使掏槽孔周圍爆生裂紋繼續(xù)向前擴展延伸，甚至到達定向預裂面并與之相互貫穿?？梢娎枚ㄏ蝾A裂面的自由面反射拉伸效應和應力波阻隔效應，能夠?qū)崿F(xiàn)槽腔巖體的充分破壞，破碎的巖塊很容易被拋擲出槽腔。

(a) 無限巖體

2.2 定向預裂對成腔阻力的影響

為了探究切縫裝藥定向預裂對掏槽爆破成腔阻力的影響，構(gòu)建了掏槽爆破三維簡化力學模型，如圖4所示。圖4中:A1B1,A2B2,A3B3,A4B4,A5B5,A6B6,A7B7,A8B8和A9B9為預裂孔；A1A3A9A7為自由面；槽腔寬度為2x；槽腔高度為2y；預裂孔深度為L；預裂孔裝藥長度為L1。

圖4 掏槽爆破力學模型

對于設計掏槽腔體A1A3A9A7B1B3B9B7而言，其形態(tài)為長方體，除A1A3A9A7為自由面以外，其他5個面均會對掏槽腔體的形成產(chǎn)生阻力作用。其中，面B1B3B9B7主要為受拉破壞，抗拉阻力與槽底面積和巖石抗拉強度有關；面A1A3B3B1,A7A9B9B7,A1A7B7B1和A3A9B9B3發(fā)生剪切破壞，符合Mohr-Coulomb屈服準則。各表面成腔阻力計算公式[22]如下所示。

面B1B3B9B7的抗拉阻力為

TB1B3B9B7=4xyσt

(3)

面A1A3B3B1和面A7A9B9B7的剪切阻力為

QA1A3B3B1=QA7A9B9B7=2xL(c+σ1tanφ)

(4)

面A1A7B7B1和面A3A9B9B3的剪切阻力為

QA1A7B7B1=QA3A9B9B3=2yL(c+σ2tanφ)

(5)

式中:c為巖體黏聚力；φ為巖體內(nèi)摩擦角；σ1為豎直法向應力，σ1=γh,γ為巖石容重,h為巖體埋深；σ2為水平法向應力，σ2=σ1μ/(1-μ)。

由于預裂孔中的切縫裝藥爆炸以后，在預裂孔裝藥長度范圍內(nèi)爆生裂紋會沿著切縫方向擴展延伸，直到各預裂孔之間裂紋相互貫穿形成定向預裂面。對于設計掏槽腔體A1A3A9A7B1B3B9B7，預裂孔裝藥長度范圍內(nèi)的槽腔巖體與周圍巖體分離開來，此時成腔阻力發(fā)生變化。

面A1A3B3B1和面A7A9B9B7的剪切阻力變?yōu)?/p>

QA1A3B3B1=QA7A9B9B7=2x(L-L1)(c+σ1tanφ)

(6)

面A1A7B7B1和面A3A9B9B3的剪切阻力變?yōu)?/p>

QA1A7B7B1=QA3A9B9B3=2y(L-L1)(c+σ2tanφ)

(7)

則成腔阻力降低了

Δf=2L1[x(c+σ1tanφ)+y(c+σ2tanφ)]

(8)

根據(jù)以上分析可以看出，預裂孔中的切縫裝藥爆炸后沿槽腔A1A3A9A7B1B3B9B7輪廓所形成的定向預裂面，會降低槽腔四周各面所受的成腔剪切阻力，有利于掏槽孔爆破成腔。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立數(shù)值模型

由于所設計的基于切縫裝藥定向預裂的中深孔掏槽爆破方案為直孔掏槽，在垂直于炮孔軸向的任意截面上各炮孔間的距離保持不變，且炮孔的裝藥長度遠大于其直徑，因此在不考慮炮孔端部特殊爆破效應的前提下，為了減少數(shù)值模擬的計算量，可以采用二維有限元模型[23]。如圖5所示，運用ANSYS/LS-DYNA顯式動力有限元軟件建立尺寸為2 000 mm×2 000 mm的二維掏槽爆破模型。根據(jù)1.2節(jié)中的爆破方案設計，該掏槽爆破模型共包含有9個預裂孔和4個掏槽孔，兩種類型炮孔的直徑均為42 mm。預裂孔的水平和豎直炮孔間距分別為600 mm和500 mm，預裂孔中采用直徑29 mm的藥卷，藥卷外側(cè)有壁厚4 mm的PVC切縫管，切縫管上設有寬度4 mm的軸向切縫，各預裂孔中切縫裝藥的切縫數(shù)量和切縫方向按照圖2所示進行建模。掏槽孔的水平和豎直炮孔間距也分別為600 mm和500 mm，各掏槽孔均位于每4個預裂孔連線矩形的中心，掏槽孔中采用直徑35 mm藥卷。預裂孔和掏槽孔的炸藥分別在0和500 μs時刻起爆，起爆點均位于各炮孔藥卷正中心，采用*INITIAL_DETONATION關鍵字定義起爆時間和起爆點。

(a)

在本次模擬中，炸藥和空氣被視為流體介質(zhì)使用ALE(arbitrary Lagrangian Eulerian)網(wǎng)格，切縫管與巖體作為固體介質(zhì)采用Lagrange網(wǎng)格，兩種類型介質(zhì)之間的力學信息傳輸通過定義流固耦合算法來實現(xiàn)[24]，切縫管與巖體之間則需要設置自動面面接觸。此外，模型周圍需要施加人工黏滯無反射邊界條件，能夠吸收剪切波和膨脹波以消除邊界應力波反射對模擬結(jié)果的影響[25]。

3.2 材料模型與參數(shù)

炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_DURN高能燃燒材料模型，同時使用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程描述爆轟產(chǎn)物的壓力、體積與能量之間的相互關系[26]

(9)

式中:PJ為狀態(tài)方程決定的爆轟壓力，Pa；A,B為炸藥材料常數(shù)，GPa；R1,R2,ω為炸藥材料常數(shù)，無量綱；E0為爆轟產(chǎn)物初始內(nèi)能，GPa；V為爆轟產(chǎn)物相對體積，無量綱。炸藥材料參數(shù)如表2所示。

表2 炸藥材料參數(shù)

空氣采用*MAT_NULL空材料本構(gòu)，同時采用線性多項式作為狀態(tài)方程[27]

p0=C0+C1γ+C2γ2+C3γ3+

(C4+C5γ+C6γ2)E1

(10)

ξ=1/V0-1

(11)

式中:p0為壓強；C0～C6為狀態(tài)方程參數(shù)；γ為黏滯系數(shù)；E1為單位體積內(nèi)能；V0為初始相對體積。空氣材料參數(shù)如表3所示。

表3 空氣材料參數(shù)

巖體和切縫管選用各向同性隨動塑性硬化材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。該模型考慮了動載作用下材料所具有的應變率效應[28]，因此常用于求解各類材料的爆炸沖擊問題。本次模擬所采用的巖體材料參數(shù)見1.1節(jié)所述，切縫管材料參數(shù)如表4所示。

表4 切縫管材料參數(shù)

對于巖體模型而言，還需要在求解文件中添加單元失效關鍵字*MAT_ADD_EROSION，將巖體的拉壓強度參數(shù)定義為巖體單元的失效判據(jù)，可以模擬槽腔內(nèi)部巖體的損傷破壞[29]。具體的失效判據(jù)為：當單元承受的有效應力超過巖石動抗壓強度時，單元會自動從模型中刪除，該判據(jù)可以用于模擬炮孔近區(qū)粉碎圈的形成；而當單元承受的有效應力超過巖石動抗拉強度時單元也會自動被刪除，該判據(jù)則用于模擬炮孔中遠區(qū)爆生裂紋的動態(tài)擴展演化[30]。

3.3 模擬結(jié)果與分析

將包含3.1節(jié)和3.2節(jié)所述數(shù)值模型、材料本構(gòu)以及巖體單元失效判據(jù)的求解文件提交至求解器，求解結(jié)束后采用后處理程序LS-PREPOST4.5輸出不同時刻巖體損傷演化情況，如圖6所示。由圖6可知，當預裂孔中的切縫裝藥爆炸以后，爆炸載荷透過切縫管作用于炮孔壁，炮孔周圍較小范圍內(nèi)巖體受壓破碎形成粉碎區(qū)，由于切縫管結(jié)構(gòu)對炸藥爆破能量的導向作用，切縫方向初始裂隙發(fā)育程度顯著高于非切縫方向，然后在爆炸應力波和爆生氣體的協(xié)同作用下[31]，切縫方向爆破裂紋進一步擴展延伸，直到裂紋沿著相鄰預裂孔連線相互貫穿形成定向預裂面。

(a) 50 μs

緊接著500 μs時刻掏槽孔中的炸藥起爆，爆炸載荷可以直接作用于炮孔壁，掏槽孔周圍較大范圍內(nèi)的巖體受壓破碎形成粉碎區(qū)，并在粉碎區(qū)四周邊緣分布有初始裂隙，在爆炸應力波和爆生氣體的協(xié)同作用下初始裂隙進一步擴展延伸。由于預裂孔中切縫裝藥先行爆破使得相鄰預裂孔之間形成了定向預裂面，當掏槽孔爆炸應力波傳播到定向預裂面會形成反射拉伸應力波，導致定向預裂面附近巖體產(chǎn)生層裂破壞。且由于切縫裝藥定向預裂使得巖體不再是連續(xù)的整體，掏槽孔爆破裂紋前端到達定向預裂面，與定向預裂面相互貫通后不再繼續(xù)向前擴展延伸。

為了進一步探究定向預裂面對掏槽孔爆炸應力波傳播的影響，取左上方水平方向的兩個預裂孔，然后在水平兩預裂孔連線中點處槽腔輪廓內(nèi)外兩側(cè)距離連線20 mm處設置測點，然后輸出測點等效應力時程曲線，如圖7所示。由圖7可知，槽腔輪廓內(nèi)側(cè)的測點在預裂孔和掏槽孔爆炸應力波的作用下會依次產(chǎn)生兩個應力峰值，而槽腔輪廓外側(cè)的測點僅會在預裂孔爆炸應力波作用下產(chǎn)生一個應力峰值。這主要是由于預裂孔中切縫裝藥爆破后沿著槽腔輪廓形成了定向預裂面，對掏槽孔爆炸應力波的傳播形成阻隔作用。因此槽腔輪廓外部巖體不再承受掏槽孔爆炸應力波的作用，而掏槽孔爆破能量則可以全部用于破壞槽腔內(nèi)部巖體，使之形成易于拋擲的破碎巖塊。

(a) 槽腔輪廓內(nèi)側(cè)測點

由于有限元算法存在一定局限性，本次模擬未能充分展示槽腔巖體的拋擲過程。但根據(jù)圖6中預裂孔爆破后的巖體損傷演化情況可以看出，利用切縫管結(jié)構(gòu)對炸藥爆破能量的導向作用，預裂孔爆破以后沿著預裂孔連線和槽腔輪廓形成了定向預裂面，定向預裂面將槽腔巖體與圍巖分離開來。結(jié)合2.2節(jié)的理論分析可知，由于預裂孔裝藥長度范圍內(nèi)的槽腔巖體已經(jīng)與圍巖發(fā)生脫離，那么當掏槽孔爆破以后爆生氣體開始推動槽腔巖體向外運動拋擲時，預裂孔底部裝藥長度范圍內(nèi)的槽腔表面與圍巖之間不存在剪切阻力，僅靠近預裂孔孔口端的未裝藥長度范圍內(nèi)的槽腔表面與圍巖之間存在剪切阻力?？梢娗锌p裝藥定向預裂能夠顯著降低槽腔四周各面的成腔剪切阻力，成腔阻力的下降將使得槽腔巖體能夠被輕易地拋擲出去，從而得到符合設計要求的槽腔。

4 現(xiàn)場試驗

為了探究基于軸向切縫裝藥定向預裂的掏槽爆破技術(shù)在巖巷中深孔爆破中的應用效果，按照圖1和表2所示的爆破方案和爆破參數(shù)實施巖巷中深孔全斷面爆破。由于測量手段的限制，在不影響整個工程進度的前提下，很難在爆破現(xiàn)場對掏槽效果進行單獨的測試和評價。因此，掏槽爆破效果通常采用全斷面爆破以后的循環(huán)進尺、炮孔利用率、炸藥單耗以及雷管單耗等爆破指標來間接衡量，爆破效果統(tǒng)計見表5。

表5 爆破效果統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表5可知，采用優(yōu)化掏槽爆破方案進行全斷面爆破試驗，平均循環(huán)進尺為2.34 m，平均炮孔利用率為93.6%，平均炸藥單耗為1.68 kg/m3，平均雷管單耗為2.05 發(fā)/m3。與采用楔形掏槽的普通中深孔爆破方案相比，平均循環(huán)進尺增加了0.29 m，平均炮孔利用率提高了11.6%，平均炸藥單耗降低了0.19 kg/m3，平均雷管單耗降低了0.13 發(fā)/m3。試驗結(jié)果表明，采用基于軸向切縫裝藥定向預裂的掏槽爆破技術(shù)，能夠改善中深孔掏槽爆破效果，進而提高全斷面爆破開挖效率和降低爆破成本。

5 結(jié) 論

針對巖巷中深孔掏槽爆破效果差的問題，設計了基于切縫裝藥定向預裂的中深孔掏槽爆破方案，并以此作為研究對象開展相關研究，得出如下結(jié)論：

(1) 預裂孔中的切縫裝藥爆破后形成的定向預裂面具有自由面效應和應力波阻隔效應，定向預裂面作為自由面會將掏槽孔爆炸應力波反射為拉伸應力波促使槽腔巖體發(fā)生拉伸破壞，并會阻隔掏槽孔爆炸應力波向槽腔外部傳播促使掏槽孔炸藥能量全部用于破壞槽腔巖體，因此槽腔巖體可以被充分破壞以形成易于拋擲出腔的破碎巖塊；而且，沿槽腔輪廓所形成的定向預裂面，具有降低槽腔四周各面所受的剪切阻力的作用，進而有利于掏槽孔爆破成腔。

(2) 數(shù)值模擬能夠?qū)崿F(xiàn)槽腔巖體損傷演化歷程的可視化，預裂孔中切縫裝藥先行爆破使得相鄰預裂孔之間形成了定向預裂面，掏槽孔應力波到達定向斷裂面后，定向斷裂面的反射拉伸作用導致預裂面附近產(chǎn)生拉伸層裂破壞，且槽腔輪廓外側(cè)測點僅在預裂孔爆炸應力波作用下產(chǎn)生一個應力波峰值，而槽腔輪廓內(nèi)側(cè)測點在預裂孔和掏槽孔爆炸應力波的作用下產(chǎn)生兩個峰值，證明了定向預裂面的應力波阻隔作用。

(3) 在巖巷中深孔爆破中采用基于軸向切縫裝藥定向預裂的掏槽爆破技術(shù)，爆后平均循環(huán)進尺增加了0.29 m，平均炮孔利用率提高了11.6%，平均炸藥單耗降低了0.19 kg/m3，平均雷管單耗降低了0.13 發(fā)/m3，爆破效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有普通中深孔掏槽爆破技術(shù)。