深孔爆破的炮孔封堵機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化研究

尹忠昌 ，宋俊生 ，王文翰

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083；2.應(yīng)急管理部信息研究院, 北京 100029）

0 引 言

煤礦以10～20 m/a 的速度向地層深部延伸，高地應(yīng)力、高地溫和高孔隙水壓的三高問(wèn)題嚴(yán)重，沖擊地壓頻發(fā)，特別是煤層開采過(guò)程中，堅(jiān)硬頂板不容易垮落，大面積懸頂極易誘發(fā)沖擊地壓[1-2]。大同礦區(qū)在2016 年發(fā)生的采空區(qū)大面積垮落事故造成重大人員傷亡[3]。為了避免堅(jiān)硬頂板的大面積懸頂并且降低巷道周圍的應(yīng)力集中程度，現(xiàn)場(chǎng)通常采用巷幫的開設(shè)卸壓槽、打卸壓鉆孔、頂板爆破卸壓、頂板水力壓裂、開掘卸壓巷等多種卸壓方法破壞堅(jiān)硬頂板的整體性，將巷道附近的高應(yīng)力削弱或轉(zhuǎn)移。其中最常用的卸壓方法主要有爆破卸壓和水壓致裂[2,4]。但水力壓裂弱化堅(jiān)硬頂板方法存在準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高、見效慢等缺點(diǎn)。爆破卸壓的方法因其操作簡(jiǎn)單而且在采煤工作面的前方安全距離進(jìn)行，不影響正常的采煤工作，因此在我國(guó)煤礦的堅(jiān)硬頂板工程中得到了廣泛運(yùn)用[5-6]。

由于超深孔爆破卸壓的爆破孔定位、鉆機(jī)定位、鉆孔作業(yè)、裝藥和封孔等一系列爆破工藝都是在巷道內(nèi)部完成的，在爆破過(guò)程中，一旦出現(xiàn)爆生氣體泄露、巷道自由面鼓包或在巷道表面形成爆破漏斗等現(xiàn)象，這將破壞頂板的整體性和完整性，存在誘發(fā)頂板垮落等事故的安全隱患，因此超深孔爆破的封堵環(huán)節(jié)尤為重要。但在施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作中，由于技術(shù)人員和工人沒有意識(shí)到炮孔封堵的重要性，為了減少工作量和節(jié)省勞動(dòng)時(shí)間，常常造成封堵效果差、爆破效果也不理想。封堵質(zhì)量差主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：①炮孔堵塞長(zhǎng)度太短或封堵強(qiáng)度不夠，炮泥在爆破的高壓爆生氣體作用下產(chǎn)生“沖孔”現(xiàn)象，俗稱“打槍”，“沖孔”導(dǎo)致大量爆破能量快速泄露，不能有效地破壞圍巖，達(dá)不到爆破卸壓的目的。而且爆破產(chǎn)生的有害氣體的大量泄漏極易損害現(xiàn)場(chǎng)工人的健康。②相反地，由于擔(dān)心出現(xiàn)“沖孔”而故意加大炮孔的封堵長(zhǎng)度，致使爆破破碎區(qū)域遠(yuǎn)離煤層頂板，達(dá)不到煤層頂板的有效破壞，工作面推進(jìn)后仍然不能及時(shí)垮落，造成大面積懸頂繼而誘發(fā)沖擊地壓。③由于封堵長(zhǎng)度不夠但是孔口附近堵塞強(qiáng)度過(guò)高，這時(shí)候炸藥產(chǎn)生的巨大壓力形成外部爆破作用，在巷道頂板形成爆破漏斗，嚴(yán)重地破壞了巷道頂板的整體穩(wěn)定性，更容易誘發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>

造成上述現(xiàn)象的主要原因是對(duì)炮孔封堵的機(jī)理認(rèn)識(shí)不清和封堵施工質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)。針對(duì)上述問(wèn)題，采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究分析超深孔爆破條件下炮泥的封堵作用機(jī)理以及封堵長(zhǎng)度等參數(shù)的影響規(guī)律，獲得炮孔在完全封堵作用下爆生氣體對(duì)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及裂隙生成范圍，優(yōu)化炮泥封堵長(zhǎng)度參數(shù)，以期獲得良好的爆破效果。

1 炮孔封堵機(jī)理研究

20 世紀(jì)70 年代我國(guó)有些爆破工作者曾受到國(guó)外誤導(dǎo)而大力推廣“國(guó)外的無(wú)堵塞反向起爆技術(shù)”[7]，但該技術(shù)最終因?yàn)槿狈碚撝С侄椰F(xiàn)場(chǎng)爆破效果差，很快便被終止使用了。大量試驗(yàn)結(jié)果研究證明，不堵塞爆破時(shí)有50%的氣體能量從孔口損失[8-9]。楊年華通過(guò)理論和實(shí)踐分析證明了堵塞炮泥有三大作用：可延長(zhǎng)孔內(nèi)爆炸高壓氣體作用時(shí)間，提高炸藥能量利用率；可增加孔內(nèi)炸藥爆炸反應(yīng)的完全程度，提高炸藥爆速，減少有毒氣體生成量；可降低空氣沖擊波強(qiáng)度，減小個(gè)別飛石距離。高文磊等[10]通過(guò)試驗(yàn)得出在無(wú)填塞的情況下爆破的破碎范圍會(huì)比較小，有大塊產(chǎn)生而且?guī)r體的不能完全破碎且有大塊產(chǎn)生。大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)表明[11-17]炮孔堵塞有以下作用：①消減空氣沖擊波，阻擋了炸藥有害氣體的迅速噴出；②延長(zhǎng)爆生氣體作用時(shí)間，增加了爆生氣體對(duì)裂紋的擴(kuò)展時(shí)間作用，使得裂紋擴(kuò)展增長(zhǎng)；③降低了炸藥單耗，即單位體積巖石炸藥消耗量。但是到目前為止，炮泥封堵機(jī)理和理論仍不完善[18-21]，炮泥充填材料選擇及填塞長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)的選取和計(jì)算方法也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)定，達(dá)不到爆破預(yù)期效果。

根據(jù)現(xiàn)代爆破理論，炸藥爆轟后形成的高溫高壓爆生氣體急速膨脹，充滿整個(gè)炮孔內(nèi)部，炮泥里端受到的爆生氣體壓力P0[22]為：

式中：ρ為炸藥密度；D為炸藥爆速；dc為炸藥藥卷直徑；db為炮孔直徑；γ為等熵膨脹指數(shù)，一般γ=3;n為爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞孔壁時(shí)的壓力增大系數(shù)，n=10。

在爆生氣體的作用下，炮泥先后經(jīng)歷了壓實(shí)、剪切破壞、整體移動(dòng)等階段，炮泥的受力模型如圖1所示。

圖1 炮泥的受力分析Fig.1 Stress analysis of stemming

假定爆破時(shí)氣體為等熵膨脹：

式中：P為爆生氣體壓力；V為爆生氣體體積。

因此當(dāng)炮泥封堵物發(fā)生壓縮移動(dòng)后，爆生氣體體積膨脹變化主要包含炮泥壓實(shí)過(guò)程引起的體積膨脹和炮泥移動(dòng)造成的體積膨脹兩個(gè)部分，忽略炮泥壓實(shí)過(guò)程的體積變化，則炮泥封堵物里端移動(dòng)x距離后的爆生氣體壓力Px為

式中：l為炮孔長(zhǎng)度；ls為炮泥封堵長(zhǎng)度；x為里端炮泥封堵物壓縮移動(dòng)的距離。

炮泥封堵物由于受到爆生氣體壓力Px的作用發(fā)生變形，同時(shí)由于炮孔巖石壁的剛性約束，當(dāng)炮泥受到擠壓后，炮泥發(fā)生徑向膨脹對(duì)炮孔壁施加力，根據(jù)泊松效應(yīng)，炮泥的摩擦阻力F0為：

式中：λ為側(cè)向系數(shù)，λ =μd/(1-μd) , μd為動(dòng)態(tài)泊松比；f為炮泥與炮孔壁間的摩擦因數(shù)，取f=0.02。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，此時(shí)將炮泥視為一個(gè)整體對(duì)象來(lái)研究，炮孔內(nèi)炮泥受到爆生氣體的膨脹壓力和炮泥與炮孔壁之間的摩擦阻力的作用，因此炮泥受到的合力引起的加速度a為

同普通爆破相比，超深孔爆破要避免產(chǎn)生爆破漏斗現(xiàn)象，因此要求：①炮孔中炮泥封堵長(zhǎng)度應(yīng)大于爆破最小抵抗線；②炮泥受壓后開始移動(dòng)至移動(dòng)結(jié)束，最里端的炮泥距離自由面仍然大于最小抵抗線，即ls-x＞w，確保爆生氣體作用下的炮泥移動(dòng)不產(chǎn)生爆破漏斗的外部破壞作用，從而確保巷道頂板不受到破壞。

爆破漏斗內(nèi)巖石破碎時(shí)間（不包括破碎后巖石運(yùn)動(dòng)的時(shí)間）td為：

式中:w為抵抗線；CP為巖石中縱波傳播速度；CR為巖石中瑞利波的速度；

因此當(dāng)炮泥移動(dòng)ls-x=w所需要的時(shí)間不大于td，即可確保內(nèi)部的炸藥作用不會(huì)產(chǎn)生爆破漏斗的外部作用，因此可推導(dǎo)出最短的封堵長(zhǎng)度為

通過(guò)式（7）及現(xiàn)場(chǎng)條件可以計(jì)算出合理的封堵長(zhǎng)度ls。

2 炮泥采樣和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)

炮泥主要選用黏土、砂、水泥和水，按照一定的比例，通過(guò)攪拌機(jī)均勻攪拌，然后以風(fēng)壓為動(dòng)力進(jìn)行模擬封孔，封孔參數(shù)同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)，成型炮泥如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)共制作了38 塊試樣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得炮泥平均密度為17.0 kN/m3。根據(jù)應(yīng)變控制直剪儀測(cè)得成型炮泥的黏聚力C=52.45 kPa，內(nèi)摩擦角φ=26.1°。圖3 為直剪試驗(yàn)后的破壞炮泥試樣。

圖2 制作成型炮泥土樣Fig.2 Making shaped clay samples

圖3 直剪試驗(yàn)后破壞炮泥試樣Fig.3 Damaged clay sample after direct shear test

3 有無(wú)炮泥封堵的爆破應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

ANSYS/LS-DYNA 是一款功能齊全的顯示求解軟件，可以用來(lái)分析沖擊、爆炸、碰撞等多種非線性問(wèn)題[23-24]。在處理巖石炸藥爆破問(wèn)題時(shí)，LS-DYNA采用SHELL 單元中的2D-SOLID162 單元軸對(duì)稱程序來(lái)模擬爆破在巖石中應(yīng)力場(chǎng)變化，采用JWL 方程描述氣體壓力-體積物理變化狀態(tài)方程，JWL 方程的壓力與體積關(guān)系公式如下：

式中：V為相對(duì)體積；E0為初始內(nèi)能密度。取值為3.6×109J/m3；A、B、R1、R2、ω為炸藥具體參數(shù)，本文模型炸藥采用乳化炸藥，其參數(shù)相應(yīng)數(shù)值見表1 和表2。

表1 炸藥材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Properties of explosive and JWL equations

表2 空氣材料參數(shù)Table 2 Properties of air

使用LS-PrePost 后處理軟件進(jìn)行求解計(jì)算并展示爆破過(guò)程。圖4a 為有炮泥封堵時(shí)爆破不同時(shí)間段的巖石有效應(yīng)力分布云圖，對(duì)比圖4b 為無(wú)炮泥封堵時(shí)爆破不同時(shí)間段的巖石有效應(yīng)力分布云圖。2組模型起爆方式均為正向起爆，炸藥引爆后，爆炸沖擊波迅速?gòu)乃幹蛲鈹U(kuò)展，將藥包緊鄰的巖石壓碎，形成壓碎圈后，沖擊波衰減為應(yīng)力波繼續(xù)向外傳播，遇到自由界面反射形成反射拉應(yīng)力波，邊界處巖石受到拉應(yīng)力形成裂隙。

圖4 有無(wú)炮泥封堵情況下不同爆破時(shí)間的炮孔圍巖有效應(yīng)力Fig.4 Effective stress diagram of surrounding rock of blast holes in different blasting times with or without plugging

圖4 中分析對(duì)比有無(wú)炮泥封堵時(shí)的爆破后圍巖有效應(yīng)力云圖。在1 000 μs 時(shí)，可以看出有炮泥封堵時(shí)炸藥附近的巖石破碎區(qū)域更大，應(yīng)力波及范圍更廣，可以得出爆破時(shí)由于炮泥的封堵作用有效減少了爆生氣體的逸出，爆生氣體做功效率極大提高，圍巖所受的有效應(yīng)力明顯增加。在2 000 μs 時(shí)，可以看出炮泥堵塞附近圍巖并未受到較大的有效應(yīng)力，而無(wú)炮泥封堵時(shí)靠近自由面一側(cè)巖體比有炮泥封堵時(shí)受到更大的應(yīng)力作用，在無(wú)需爆破破巖區(qū)域消耗了較多能量，降低了炸藥能量的有效破巖利用率。在4 000 μs 時(shí)，無(wú)炮泥封堵時(shí)應(yīng)力迅速傳播至整個(gè)模型內(nèi)，炮孔附近圍巖破碎范圍增加，尤其在起爆點(diǎn)向孔外方向周圍巖體出現(xiàn)大的裂紋，能量并沒有充分作用于預(yù)先設(shè)計(jì)的爆破區(qū)域。相反地，在炮泥封堵的作用下，應(yīng)力并沒有很快向孔口擴(kuò)散，炮泥封堵部分沒有產(chǎn)生裂隙，也沒有產(chǎn)生爆破的外部作用（爆破漏斗）。破碎區(qū)域主要集中在炸藥附近圍巖區(qū)域，且在起爆點(diǎn)位置沿徑向破壞范圍加深，有效地控制了爆破范圍。在8 000 μs 時(shí)，無(wú)炮泥封堵條件下巖石在自由端形成幾條較大的裂隙，炸藥能量多耗散在離自由面處巖層，大大降低了爆破破巖效率，且對(duì)巖巷的穩(wěn)定及安全性產(chǎn)生較大影響。

為了對(duì)比有無(wú)封堵條件下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，在兩個(gè)模型中選擇一組觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)圍巖的應(yīng)力變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在孔口內(nèi)距模型上邊界0.5 m 處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)每隔1 m 設(shè)置一個(gè)，共設(shè)置4 個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖5 所示。監(jiān)測(cè)得到的有效應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。

圖5 圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Location map of rock stress monitoring points

圖6 有堵塞監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力Fig.6 Effective stress with blocked monitoring points

圖7 無(wú)堵塞監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力云Fig.7 Effective stress of non-blocking monitoring points

理論研究認(rèn)為炮泥封堵作用能夠增加孔壁的全部爆炸沖量20%。由圖6 與圖7 的模擬結(jié)果對(duì)比分析可知，有炮泥封堵爆破時(shí)，相同監(jiān)測(cè)位置的巖石有效應(yīng)力峰值明顯大于無(wú)炮泥封堵爆破，這是因?yàn)闆]有炮泥封堵時(shí)，爆生氣體溢出導(dǎo)致應(yīng)力峰值偏小。對(duì)比圖中A監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以明顯看出，有炮泥封堵爆破的應(yīng)力峰值比無(wú)炮泥封堵爆破時(shí)更快達(dá)到，而且有炮泥封堵的峰值比無(wú)炮泥封堵的要高40%左右，說(shuō)明有炮泥封堵爆破時(shí)爆生氣體作用時(shí)間更長(zhǎng)，壓力衰減更慢，炸藥對(duì)巖石深部區(qū)域的爆破作用更集中，爆破破巖效果更好。

4 炮泥運(yùn)動(dòng)規(guī)律及封孔參數(shù)的數(shù)值模擬

1979 年著名學(xué)者Peter Cundall 基于離散元理論開發(fā)了PFC（Particle Flow Code）數(shù)值模擬軟件。PFC 作為一種離散元模擬軟件，其通過(guò)圓盤或者圓球顆粒為單元，模擬其單位粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及互相作用力，主要用來(lái)解決復(fù)雜性的巖土問(wèn)題[25]。

4.1 基于LS-DYNA 模擬爆破荷載時(shí)程曲線

顆粒流程序PFC 程序中無(wú)法直接設(shè)置炸藥的物理參數(shù)而在運(yùn)行時(shí)體現(xiàn)炸藥爆炸過(guò)程，需通過(guò)賦予部分顆粒爆破荷載公式來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬爆破過(guò)程。PFC可以通過(guò)將爆破動(dòng)荷載的經(jīng)驗(yàn)公式處理后輸入，作為炸藥顆粒的初始力或者速度。但是經(jīng)驗(yàn)公式有時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相差較大，故本文采用ANSYS/LSDYNA 模擬實(shí)際情況，并記錄爆破瞬間與炸藥接觸段堵塞炮泥的受力時(shí)程曲線，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理后導(dǎo)入到PFC 中，準(zhǔn)確地模擬了PFC 模型中炮泥運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過(guò)程。

圖8 為典型的炮泥封堵物單元監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破時(shí)的X軸方向的應(yīng)力時(shí)程曲線，其峰值大小為1.5 GPa，峰值時(shí)刻為25 μs 處。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次模擬過(guò)程中只采用第一波峰時(shí)段應(yīng)力時(shí)程曲線。將此三角荷載使用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，在PFC 命令流程序中賦予炸藥顆粒該荷載，即可完第一波峰段作為PFC 中模擬的爆破三角荷載。

圖8 選取單元X 軸應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.8 Select the unit X-axis stress time history curve

4.2 不同的炮泥封堵長(zhǎng)度的堵塞模型分析計(jì)算

顆粒流PFC 軟件中的顆粒模型采用平行黏結(jié)模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)深孔爆破數(shù)據(jù)對(duì)比分析兩種不同封堵長(zhǎng)度的封堵效果。模型尺寸大小為3 100 mm×500 mm，炮孔直徑70 mm，炮泥長(zhǎng)度分別為2、3 m，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為20 000 步，模型觀測(cè)時(shí)間為8 ms。為便于觀察到較短炮泥運(yùn)動(dòng)到炮孔的過(guò)程，設(shè)置炸藥顆粒為紅色，炮泥顆粒為青色，巖石顆粒為綠色，黏滯邊界顆粒為藍(lán)色。長(zhǎng)度封堵為2 m 炮泥運(yùn)動(dòng)情況如圖9、圖10 所示。封堵長(zhǎng)度為3 m 炮泥運(yùn)動(dòng)情況如圖11、圖12 所示。

圖9 炮泥封堵長(zhǎng)度為2 m 模型8 000 時(shí)步運(yùn)動(dòng)情況Fig.9 8 000 time step movement of model with 2 meters plugging length

圖10 炮泥封堵長(zhǎng)度為2 m 模型16 000 時(shí)步運(yùn)動(dòng)情況Fig.10 Soil blocking length is 2 m model 16 000 time step movement

圖11 炮泥封堵長(zhǎng)度為3 m 模型8 000 時(shí)步運(yùn)動(dòng)情況Fig.11 Soil blocking length is 3 m model 8 000 time step movement

圖12 炮泥封堵長(zhǎng)度為3 m 模型16 000 時(shí)步運(yùn)動(dòng)情況Fig.12 Soil blocking length is 3 m model 16 000 time step movement

通過(guò)炮泥運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)：爆炸開始后時(shí)，緊挨炸藥的炮泥顆粒受到炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大推力作用向孔口方向迅速移動(dòng)，擠壓近鄰炮泥，土顆粒迅速互相擠壓，迅速縮小炮泥局部孔隙率，局部密度迅速增加。在軸向壓力作用下，外部炮泥受力并產(chǎn)生位移。通過(guò)測(cè)量炮泥里端密實(shí)區(qū)的移動(dòng)距離發(fā)現(xiàn)：封堵長(zhǎng)度為2 m 的炮泥位移為1.2 m，遠(yuǎn)大于封堵長(zhǎng)度為3 m 的46 cm 炮泥位移。由于2 m 長(zhǎng)的炮泥封堵長(zhǎng)度不夠，未能夠提供封堵炮孔所需要抵抗力，最終沖出炮孔。而3 m 長(zhǎng)的炮泥封堵則提供了足夠的抵抗摩擦阻力，同時(shí)增加了炮泥的慣性力，減緩了炮泥的運(yùn)動(dòng)速度，沒有發(fā)生“沖孔”現(xiàn)象。因此合理的炮泥長(zhǎng)度是確保爆生氣體作用及不產(chǎn)生外部破壞的主要因素。

4.3 不同強(qiáng)度炮泥封堵模型分析計(jì)算

炮泥的整體強(qiáng)度和炮泥選土、風(fēng)壓、濕密度有密切聯(lián)系，對(duì)有效封堵炮孔至關(guān)重要。通過(guò)壓風(fēng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)炮泥的抗剪強(qiáng)度和壓實(shí)后炮泥密度正相關(guān)關(guān)系，為了研究不同強(qiáng)度炮泥對(duì)炮孔封堵效果的運(yùn)行規(guī)律，本文中選取16.5 kN/m3、17.5 kN/m3兩種不同炮泥密度進(jìn)行對(duì)比模擬。炮泥封堵長(zhǎng)度為3 m，模擬分析結(jié)果如下圖13、14 所示。

圖13 較高強(qiáng)度炮泥封堵長(zhǎng)度為3 m 模型運(yùn)行結(jié)果Fig.13 Result of higher strength soil blocking length is 3 m model

從圖13 和圖14 對(duì)比看出：由于密度較小、孔隙率較大的炮泥受到爆破荷載后其可壓縮的空間較大，其里端炮泥的自由面受到爆生氣體的作用后移動(dòng)距離較長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量炮泥端密實(shí)區(qū)移動(dòng)距離發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度較高（密度17.5 kN/m3）堵塞位移為32 cm，強(qiáng)度較低（密度16.5 kN/m3）堵塞位移為58 cm。如果此時(shí)封堵長(zhǎng)度不夠則很容易出現(xiàn)“沖孔”現(xiàn)象。

圖14 較低強(qiáng)度炮泥封堵長(zhǎng)度為3 m 模型運(yùn)行結(jié)果Fig.14 Result of lower strength soil blocking length is 3 m model

5 工程實(shí)踐

在內(nèi)蒙古某礦的工作面進(jìn)行了數(shù)十次深孔爆破試驗(yàn)，炮孔深度范圍在40～61 m，封孔長(zhǎng)度也根據(jù)炮孔的長(zhǎng)度和炸藥量進(jìn)行了優(yōu)化，部分爆破參數(shù)見表3。炮泥以當(dāng)?shù)氐酿ね辽惩粱旌衔餅橹?，加入部分水泥和水泥減水劑調(diào)制而成，采用壓風(fēng)裝藥裝置進(jìn)行封孔，爆破后現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)孔?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明壓風(fēng)封孔可以完全封堵炮孔，封堵的炮泥完好（圖15），既沒有出現(xiàn)打槍現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)爆破漏斗損壞頂板現(xiàn)象，巷道的內(nèi)表面及炮孔周圍頂板完好無(wú)損，進(jìn)一步說(shuō)明有效地封堵既能充分利用爆破能量，還能避免爆破引起的外部作用導(dǎo)致冒頂?shù)臑?zāi)難或誘發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)。

表3 某礦輔運(yùn)工作面爆破參數(shù)Table 3 Blasting parameters of typical mine transportation operation

圖15 有效封堵情況下爆破后封堵完好結(jié)果Fig.15 Results of intact stemming after blasting with effective stemming

6 結(jié) 論

1）在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際炮孔參數(shù)，以風(fēng)壓為動(dòng)力制作了炮泥試樣，并通過(guò)直剪試驗(yàn)，獲得了炮泥的黏結(jié)力和摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)。

2）應(yīng)用LS-DYNA 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：在炮泥有效封堵作用下炮孔內(nèi)部及圍巖的應(yīng)力明顯大于沒有封堵時(shí)的應(yīng)力；有炮泥封堵條件下測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力較無(wú)封堵提高了40%左右，驗(yàn)證了有效的封堵延長(zhǎng)了爆生氣體的作用時(shí)間，延遲了爆生氣體的衰減程度，提高了爆破的破巖效率。

3）通過(guò)PFC 軟件模擬分析了封孔長(zhǎng)度、炮泥強(qiáng)度兩個(gè)因素對(duì)封堵的影響規(guī)律。獲得了炮泥在爆破時(shí)被擠壓、壓實(shí)、剪切破壞然后位移的整體過(guò)程移動(dòng)規(guī)律。

4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了炮泥封堵設(shè)計(jì)及參數(shù)的合理性，并給出了最短的壓風(fēng)封堵長(zhǎng)度的計(jì)算方法。所建立的封堵模型能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的炮泥封堵參數(shù)及材料選擇提供了技術(shù)指導(dǎo)。