基于數(shù)值模擬的巖石巷道深孔分段裝藥掏槽爆破研究

李成孝 ，楊仁樹, ，王雁冰 ，徐 斌 ，左進京 ，謝 平

（1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院, 北京 100083；2.北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京 100083；3.淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦, 安徽 淮南 232150）

0 引 言

安全生產(chǎn)和穩(wěn)定發(fā)展是當前礦業(yè)領(lǐng)域的主題，保障施工人員安全和提高生產(chǎn)效率成為了關(guān)鍵的解決方法。因此，提高單次作業(yè)效率成為了目前研究的熱點問題。對于瓦斯含量較高的地質(zhì)條件，巖石巷道是通風和運輸材料的重要巷道。而巖石巷道的推進速度決定了礦產(chǎn)資源的開發(fā)速度，其中巖石巷道掏槽爆破的掏槽孔參數(shù)決定了巖石掏槽爆破效率。在中國，目前多數(shù)的巖石巷道采用楔形掏槽方法，占比為73%，多數(shù)炮孔深度小于2 m[1-2]。隨著鉆孔設(shè)備技術(shù)提高以及支護效率增加，炮孔深度在2～3 m的爆破方案比例逐漸提高。

掏槽爆破是巖石巷道推進過程中的重要部分，良好的掏槽爆破效果可以縮短工作循環(huán)周期，提高施工效率。從掏槽形式來看，常見的掏槽方法包括直孔掏槽和斜孔掏槽以及混合掏槽方法，其中斜孔掏槽方法在小于2 m 的淺孔得到了較多應(yīng)用，然而隨著炮孔深度的增加，斜孔掏槽不再適用[3]。從裝藥方式來看，隨著炮孔深度增加，炮孔周圍受到巖石夾制作用更加明顯，破碎巖體與周圍巖體間的摩擦力加大，這些因素使得連續(xù)裝藥方式下掏槽孔爆破效率降低，難以為后續(xù)爆破提供充足的自由空間[4-5]。因此，通過改變掏槽孔爆破參數(shù)來提高掏槽爆破效果對巖石巷道掘進有著重要的工程意義。

許多學者通過不同角度研究了提高掏槽爆破效率的技術(shù)方法[6-12]。KHADEMIAN 等[13]研究了不同種類炸藥對巖石損傷的影響，發(fā)現(xiàn)巖石破碎強度與炸藥爆炸速度有關(guān)，使用Pentolite 類炸藥可以增加爆炸巖石產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量。龔敏等[14]研究了掏槽參數(shù)對煤礦巖巷爆破效果的影響，研究表明有中心孔更加有利于掏槽爆破，其主要對槽腔底部形成起主要作用。李廷春等[15]利用理論公式計算了堵塞長度的合理范圍，確定了一次成井掏槽爆破中不同處堵塞上限與下限。楊仁樹等[16]研究了中間起爆的圓柱形裝藥爆炸應(yīng)力場分布規(guī)律，起爆段的軸線方向以及傾斜方向上有效應(yīng)力衰減系數(shù)增加。數(shù)值模擬軟件的普遍應(yīng)用為掏槽爆破研究提供了更加高效和經(jīng)濟的方法。楊國梁等[17]利用數(shù)值模擬對比了復式楔形掏槽爆破與單楔形掏槽爆破應(yīng)力演化過程，研究表明采用復式楔形掏槽可以在孔底產(chǎn)生2 個應(yīng)力峰值，有利于槽腔底部巖石破碎。ZHANG 等[18]利用數(shù)值模擬方法研究了中心孔裝藥情況下的掏槽爆破過程。這種爆破設(shè)計能夠有效增加掏槽孔的破碎效果，使得掏槽效率增加20%左右。張召冉等[19]提出了多階段掏槽爆破方法，其特點是在主要掏槽孔內(nèi)側(cè)增加4 個較淺的輔助掏槽孔，利用輔助掏槽孔和中心孔先起爆為主要掏槽孔增加補償空間，減小了主掏槽孔受到的巖石約束作用。張奇等[20]研究了分階分段直眼掏槽爆破，通過實驗對比了同深和不同深分階分段掏槽爆破效果，結(jié)果表明遠距離小直徑空孔能夠提高掏槽效率。鄒新寬等[21]利用數(shù)值模擬研究了楔形分段掏槽爆破，模擬結(jié)果表明分段掏槽爆破的孔底應(yīng)力峰值和破壞深度對比常規(guī)掏槽爆破有著大幅提升，現(xiàn)場爆破振動測試結(jié)果表明分段掏槽爆破可以將振動強度降低30%以上。HUO 等[22]基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場提出了優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)的深孔爆破技術(shù)，該技術(shù)用來控制側(cè)向爆破開挖中的巖石損傷問題，結(jié)果表明炸藥分布均勻會引起爆炸能量分布均勻，通過增加炮孔行數(shù)以及減少裝藥系數(shù)可以有效控制爆破損傷。

目前，對于巖石巷道掏槽爆破技術(shù)的研究主要集中在掏槽孔以及中心孔的調(diào)整。這些方法與技術(shù)在淺孔掏槽爆破工程中得到了很好的實踐。然而對于深孔爆破，這些方法帶來的成效是有限的。早期煤礦專用雷管的延期時間固定，使得掏槽孔內(nèi)只能實現(xiàn)1 次爆破，現(xiàn)場工人通常采用增加炮孔數(shù)量和增加掏槽孔內(nèi)炸藥數(shù)量來提高掏槽效率。然而，這些操作會增加經(jīng)濟成本、工作循環(huán)周期以及增加爆破振動。隨著數(shù)碼電子雷管在中國礦業(yè)領(lǐng)域的推進，掏槽孔內(nèi)采用分段掏槽爆破成為提高掏槽效率的關(guān)鍵因素。基于上述原因，以淮南顧北礦巖石巷道爆破掘進為工程背景，提出了巖石巷道掘進分段掏槽爆破技術(shù)。借助數(shù)值模擬軟件，揭示了分段裝藥掏槽爆破空腔形成的動力學特性，并且與傳統(tǒng)的連續(xù)裝藥掏槽過程進行對比。通過設(shè)置5 種不同的分段裝藥結(jié)構(gòu)，得到了適用于現(xiàn)場情況的上部分段裝藥比例。最后，通過現(xiàn)場實踐證明采用分段裝藥可以提高掏槽爆破效率。

1 深孔分段裝藥掏槽爆破數(shù)值模型

1.1 SPH-FEM 方法驗證

光滑粒子流體動力學SPH 方法由LUCY[23]和GINGOLD[24]首先提出并用于天體物理現(xiàn)象，隨后廣泛應(yīng)用于連續(xù)固體力學和流體力學中。SPH 對于處理模擬中的大變形和運動交界面問題有著很好的效果。它基于Lagrange 算法，優(yōu)點在于不需要建立網(wǎng)格，在工程實踐中得到了普遍運用。然而SPH 方法對于處理邊界條件存在缺陷，同時其計算過程復雜導致時間較長[25-26]。有限元法(FEM)是目前非常成熟的數(shù)值方法，對于靜力學以及小幅度沖擊變形有著高效的求解過程。在爆破過程中，炮孔附近的介質(zhì)會在短時間發(fā)生巨大變形而且很難保持連續(xù)性，因此FEM 方法很難對裂紋萌生以及高速運動過程進行精確求解[27]。為了解決上述問題，采用SPH 和FEM 聯(lián)立的模擬方法。這種方法既能實現(xiàn)炮孔附近巖體變形和巖石碎塊拋撒過程，同時也能保證邊界區(qū)域計算的穩(wěn)定性。

在運用SPH-FEM 進行模擬分析之前，需要對這種方法的合理性進行驗證，其中最重要的是驗證SPH 和FEM 接觸邊界處的應(yīng)力傳遞問題。建立了如圖1 所示的單炮孔平面模，網(wǎng)格尺寸為8 cm×8 cm。SPH 與FEM 接觸面采用CONTACT_TIED_N ODES_TO_SURFACE 設(shè)置。在兩者邊界處設(shè)定2 個相鄰測點分別為PS和PF，圖2 給出了PS和PF的壓力曲線。通過圖2 可以發(fā)現(xiàn)接觸面兩側(cè)的壓力峰值幾乎相等，標準差 σ為0.01，這證明了力在兩個區(qū)域界面處的傳遞是連續(xù)的。因此，SPH-FEM 耦合方法合理性得到了驗證。

圖1 單孔爆破平面模型Fig.1 Plate model for single hole blasting

圖2 測點壓力曲線Fig.2 Pressure curve at measuring point

1.2 分段裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

對于分段裝藥爆破模擬，由于只有1 個炮孔，建立了全模型，模型尺寸為6 m×6 m×6 m。如圖3 所示，該模型中SPH 區(qū)域尺寸為5 m×5 m×5 m，包括了巖石部分、堵塞部分以及炸藥部分，由于現(xiàn)場施工中采取的是全堵塞方式，所以模型與現(xiàn)場保持一致。SPH 外層被FEM 單元包圍。為了模擬無限巖體工況，在FEM 區(qū)域的外部施加無反射邊界來消除反射應(yīng)力波的影響。FEM 單元和SPH 粒子數(shù)量分別為167 735 和254 140。

圖3 模型示意Fig.3 Model diagram

圖4 展示了掏槽孔的裝藥結(jié)構(gòu)。為了增加對比性，右側(cè)為傳統(tǒng)的連續(xù)裝藥方式。左側(cè)為分段裝藥結(jié)構(gòu)，分為第一段裝藥和第二段裝藥結(jié)構(gòu)，其中第一段裝藥結(jié)構(gòu)靠近自由面，第二段裝藥結(jié)構(gòu)靠近孔底。第一段裝藥結(jié)構(gòu)長度為l1,炸藥長度為b1,堵塞長度為a1。第二段裝藥結(jié)構(gòu)長度為l2, 炸藥長度為b2,堵塞長度為a2。第一段裝藥結(jié)構(gòu)與第二段裝藥結(jié)構(gòu)的爆破延遲時間為5 ms。探究的是不同裝藥結(jié)構(gòu)對掏槽爆破的影響，因此第一段與第二段裝藥量占比變化為自變量。定義 γ為第一段裝藥長度l1與總裝藥長度 (l1+l2)的 比，即 γ=l1/(l1+l2)，簡稱為第一段占比。為了和現(xiàn)場施工情況一致，需要保證數(shù)值模型中掏槽孔總裝藥密度與不同分段部分的裝藥密度相同。在淮南顧北礦巖石巷道掘進施工中，原方案掏槽孔深度為1.8 m，每個掏槽孔放入3 卷炸藥，單卷炸藥長度為0.43 m?？梢钥闯鲅b藥總長度為1.29 m，掏槽孔的線裝藥密度為0.72。在新方案中，為了消除炸藥量增大對結(jié)果的影響，對于深3 m 的炮孔仍然采取了相近的線裝藥密度使其貼近工程實際。對于所有的模擬情況，每段裝藥的線裝藥密度為0.7，即b1/l1=b2/l2=0.7?？傃b藥長度為2.1 m，總堵塞長度為0.9 m。建立了一個連續(xù)裝藥模型(案例 0)和5 個不同第一段占比的模型案例(案例1—5)。不同案例參數(shù)見表1。

表1 不同裝藥占比案例的參數(shù)Table 1 Parameters of different charge proportion case

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Charge structure diagram

1.3 材料參數(shù)

1.3.1 巖石材料

模擬的巖石爆破拋擲過程需要選用能夠承受高壓、大變形以及高應(yīng)變率的巖石材料。Holmquist-Johnson-Cook (HJC)模型提供的損傷模型以及強度方程可以滿足上述模擬要求[28]。其中損傷模型考慮了等效塑性應(yīng)變和體積應(yīng)變的累計損傷，表示為

采用的是經(jīng)過動態(tài)斷裂試驗和理論分析得到的一組巖石材料HJC 本構(gòu)參數(shù)，見表2[29]。

表2 HJC 模型參數(shù)Table 2 Parameters values for HJC model

1.3.2 炸藥材料

炸藥采用的是JWL 模型，其壓力方程可以表示為

其中，A、B、ω、R1、R2為方程參數(shù)；V為相對體積；E為初始體積內(nèi)能。炸藥選用乳化炸藥，炸藥密度為1.15 g/cm3，爆速3 200 m/s。其各項參數(shù)見表3[30]。

表3 炸藥參數(shù)Table 3 Parameters values for explosive

1.3.3 土壤材料

現(xiàn)場工程實踐中使用的封堵材料是由土壤制成。筆者使用的土壤參數(shù)來源于文獻[18,31,32]。表4 展示了模擬中使用的土壤參數(shù)。

表4 土壤參數(shù)Table 4 Parameters values for soil

2 深孔分段裝藥掏槽爆破模擬分析

2.1 巖石拋擲過程分析

圖5 給出了連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)下巖石爆炸拋撒損傷演化過程。炸藥被引爆后會沿著軸線方向繼續(xù)引爆剩余炸藥(圖5a)，同時，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波會沿著半徑方向?qū)r體進行作用。通過圖5b 可以看出在2 948 μs 時爆炸應(yīng)力波對巖體在徑向的損傷范圍明顯增大，其增大幅度遠大于在軸向的范圍。由于周圍巖體的約束作用以及應(yīng)力波在傳播過程中的損耗，導致爆炸應(yīng)力波在半徑方向上的作用是有限的。經(jīng)過2 100 μs 后，巖體在半徑方向的損傷范圍沒有明顯擴大。由于自由面的存在以及炮孔提供的空間，使得破碎巖體朝著自由面方向移動。

圖6-圖10 給出了當 γ不同時巖石爆破損傷演化過程。當 γ=0.3 時(圖6)，第一段裝藥距離自由面較近，使得炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波會快速突破堵塞并到達自由面。爆炸應(yīng)力波與自由面接觸后會形成反射拉伸波進一步對自由面附近的巖體進行破壞。圖6c 展示了第二段裝藥起爆之前，第一段炸藥爆炸已經(jīng)形成了一個槽腔，這給下部巖體掏槽爆破提供了新的自由面。當 γ=0.3 時，第二段裝藥量遠大于第一段，最終形成的損傷演化圖呈現(xiàn)下部寬上部稍窄的趨勢(圖6d)。

圖6 γ=0.3 的損傷演化過程Fig.6 Damage evolution process of γ=0.3

圖7 對應(yīng)的是 γ=0.4 時的損傷演化過程，其過程大致與 γ=0.3 時的相同。然而，由于第一段裝藥增加，使得相應(yīng)的堵塞長度增加，第一段裝藥爆炸產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波到達自由面的時間變長，這使得爆炸應(yīng)力波有更長的時間作用在徑向巖體，最終的損傷演化圖表現(xiàn)為第一段炸藥引起的損傷區(qū)范圍增大。

圖7 γ=0.4 的損傷演化過程Fig.7 Damage evolution process of γ=0.4

圖8 為 γ=0.5 時的損傷演化過程，盡管圖8 中上下兩段裝藥量相同，然而損傷演化圖表明上部巖體和下部巖體的損傷區(qū)范圍明顯不同。文獻[33-35]表明當鉆孔深度以百米量級為基礎(chǔ)進行探測，地應(yīng)力才會有明顯影響，炮孔深度為3 m，因此可以忽略上部裝藥和下部裝藥受到的地應(yīng)力區(qū)別。造成上下兩部分巖體損傷區(qū)不同的原因主要在于上部裝藥距離自由面更近，這導致爆炸應(yīng)力波的能量除了在徑向范圍作用，更多的是朝著自由面方向破碎巖體以及推動巖體粒子拋擲。第一段裝藥創(chuàng)造了新自由面，但新自由面受到形成時間以及爆炸能量的約束，使得新自由面的范圍遠小于原自由面。第二段裝藥的能量會在半徑方向分布較多，在朝著新自由面方向分布較少。最終，第二段裝藥附近巖體損傷范圍大于第一段裝藥。

圖8 γ=0.5 的損傷演化過程Fig.8 Damage evolution process of γ=0.5

圖9 和圖10 展示的損傷演化結(jié)果相似，他們均表現(xiàn)出上部寬下部窄的明顯趨勢。當 γ=0.6 和γ=0.7 時，第一裝藥多于第二段裝藥，炸藥產(chǎn)生的能量主要在在巖體上部分布。這有利于上部巖體的破碎以及新自由面的形成，但第二段炸藥量較少使得下部巖體被破壞范圍有限，不利于下部巖石顆粒的拋撒。

圖9 γ=0.6 的損傷演化過程Fig.9 Damage evolution process of γ=0.6

圖11 給出了 γ =0.3 和 γ=0.7 時2 種裝藥結(jié)構(gòu)下爆炸腔體在自由面處的形狀。圖中紅色虛線代表孔口處邊緣輪廓，綠色虛線代表孔底處邊緣輪廓。當?shù)谝欢窝b藥較少時，孔口處空腔的面積較小，而孔底形成的空腔面積較大；當?shù)诙窝b藥較多時，孔口處空腔面積遠大于孔底處。這與損傷演化圖表現(xiàn)的規(guī)律基本一致。

圖11 空腔在自由面處的形狀Fig.11 Shape of cavity at free surface

2.2 巖石粒子速度分析

為了進一步研究巖體粒子拋撒過程受裝藥結(jié)構(gòu)的影響，對炮孔周圍不同深度的巖體進行劃分。如圖12 所示，將距離自由面1 m 以內(nèi)的巖體稱為上部，距離自由面1～2 m 的巖體稱為中部，距離自由面2～3 m的巖體稱為下部。在距離炮孔水平方向20 cm 處布置3 個測點A、B和C，記為GA、GB和GC，3 個測點分別位于三層巖體的中間位置。圖13—圖15 給出了當裝藥結(jié)構(gòu)不同時，3 個測點處巖石粒子速度v隨時間變化情況，表5 給出了不同測點對應(yīng)速度峰值。

表5 不同測點處的速度峰值Table 5 Peak velocity at different measuring points

圖12 炮孔不同深度分區(qū)Fig.12 Different depth zoning of blast hole

圖13 測點A 處的速度曲線Fig.13 Velocity change curve at gauge point A

圖13 為測點A處的巖石粒子速度變化曲線。當采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時，上部分巖體粒子速度較小，粒子速度在較長時間內(nèi)都有波動。這是因為連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)使得炸藥集中在巖體下部，爆炸應(yīng)力波優(yōu)先作用在下部巖體，上部巖體更多受到的是爆炸應(yīng)力波引起的振動作用。采用分段裝藥后，隨著y增大，由第一段裝藥爆炸引起的巖體粒子速度峰值減小，γ=0.3 時速度峰值最大，v=388 m/s。第二段裝藥爆炸對上部巖體粒子的速度影響不大，這是由于上部巖體粒子離開自由面后在空氣中自由擴散，第二段裝藥爆炸產(chǎn)生的能量難以對遠距離的粒子運動產(chǎn)生影響。

圖14 展示了中部巖體粒子速度變化曲線。連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)會使中部巖體在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的速度，然后速度會迅速降低。隨著 γ增大，由第一段炸藥爆炸引起的巖體粒子速度峰值增大。當 γ=0.3 和γ=0.4 時，第一段炸藥距離中部巖體較遠，因此引起的速度峰值較小。第二段炸藥爆炸時， γ=0.5 引起的速度峰值較大， γ =0.3 和 γ=0.4 時速度峰值接近。γ =0.6 和 γ=0.7 時，第二段炸藥爆炸對粒子速度的影響較小。

圖14 測點B 處的速度曲線Fig.14 Velocity change curve at gauge point B

圖15 展示了下部巖體速度變化曲線。 γ=0.7 時，第一段炸藥較長，第一段炸藥爆炸會對下部巖體粒子產(chǎn)生作用，從而產(chǎn)生第一個速度峰值。而對于其他 γ，第一段炸藥爆炸對下部巖體影響較小。第二段炸藥爆炸時， γ=0.7 的下部巖體粒子會產(chǎn)生最大的速度峰值，v=562 m/s。這是由于這種比例裝藥使得測點C正好處于第二段裝藥對應(yīng)的區(qū)域，炸藥產(chǎn)生的能量直接對下部巖體產(chǎn)生作用。第一段炸藥較多會產(chǎn)生較大的上部空腔，這為下部巖體粒子拋擲提供了新自由面，然而第二段裝藥較少使得下部巖體能夠拋擲的粒子有限。當 γ=0.3、0.4、0.5 時，第二段炸藥爆炸同樣產(chǎn)生了較大的速度峰值。

2.3 巖石爆破腔體

經(jīng)過損傷云圖和巖石粒子速度變化分析，可以初步認為當 γ≤0.5 時，分段裝藥結(jié)構(gòu)更有利于掏槽爆破。然而需要通過最終槽腔形成結(jié)果作出進一步的判斷。槽腔在XOZ平面處的截面形狀在圖16 中展示。圖17 為空腔截面的外部輪廓。連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)形成的空腔截面呈現(xiàn)圓柱狀，整體較為均勻。當γ=0.3、0.4 時，呈現(xiàn)出上部略窄下部寬的形狀。γ=0.5 時，空腔表現(xiàn)為上部和下部寬，而中部窄。隨著第一段占比增加，例如 γ=0.6、0.7 時，空腔上部面積明顯多于下部。

根據(jù)圖17 得到的空腔截面輪廓圖，利用Matlab 編寫了代碼來統(tǒng)計空腔截面輪廓線以內(nèi)的像素點數(shù)量。利用空腔截面內(nèi)像素點數(shù)量來反映空腔截面積變化。圖18 為統(tǒng)計得到的各空腔包含像素點變化。當 γ=0.4 時，空腔截面像素點數(shù)量達到了最大值3 999；當 γ=0.7 時，空腔截面像素點數(shù)量達到了最小值3 226。可以看出，對于6 種不同裝藥結(jié)構(gòu)案例，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)并且第一段占比為0.4 時形成的槽腔面積最大。結(jié)合損傷云圖以及粒子速度分析，可以認為 γ=0.4 時，可以產(chǎn)生最大的槽腔空間，有利于炸藥能量的充分利用。

圖18 截面XOZ 像素點數(shù)量隨上段裝藥占比變化Fig.18 Variation curve of pixel number of section XOZ with the proportion of charge in the upper section

圖19 展示了連續(xù)裝藥與分段裝藥結(jié)構(gòu)（ γ=0.4）在自由面以上拋撒巖石粒子數(shù)量。對于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，在t=0～2 500 μs 之間巖石粒子拋出數(shù)量增加較快，2 500 μs 以后粒子增長幅度減緩，粒子總體增加速度均勻。對于 γ=0.4 的分段裝藥結(jié)構(gòu)，由于巖體上部炸藥并且先起爆，使得粒子拋撒數(shù)量在t=0～2 760 μs內(nèi)多于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。分段裝藥結(jié)構(gòu)時第一段炸藥能量有限，在t=2 760～5 509 μs，巖石粒子拋撒數(shù)量低于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。隨著第二段炸藥起爆(t=5 000 μs)，分段裝藥結(jié)構(gòu)的拋出粒子數(shù)量再次快速增加，在t=5 509 μs 時，分段裝藥結(jié)構(gòu)拋出的粒子數(shù)量再次高于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。兩者拋出粒子數(shù)量峰值差距為1 295，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)拋出的粒子比起連續(xù)裝藥增加了19.3%。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在淮南顧北煤礦巖石巷道鉆爆法施工過程中，原設(shè)計方案的掏槽孔采用楔形鉆孔方式，掏槽孔深度為1.8 m，其他孔在1.6 m 左右。隨著2021 年數(shù)碼電子雷管在中國的推廣以及鉆孔設(shè)備的提升，原有的設(shè)計方案不能滿足現(xiàn)階段的施工要求。新方案采取三角復式分階分段直眼掏槽方式，圖20 給出了掏槽孔布置圖。圖中藍色炮孔為1 階掏槽孔，孔深為1.5 m，采用連續(xù)裝藥；黃色炮孔為2 階掏槽孔，孔深為3 m，采用分段裝藥，數(shù)值模擬結(jié)果表明第一段裝藥占比為0.4 效果最好，因此在裝藥過程中控制第一段炸藥質(zhì)量（靠近孔口處）占單孔總藥量的0.4，第一段炸藥與第二段炸藥（靠近孔底處）之間用泥土間隔。采用液壓鉆孔設(shè)備鉆孔。使用數(shù)碼電子雷管進行延遲起爆，1 階掏槽孔內(nèi)放置一發(fā)雷管，2 階掏槽孔內(nèi)在第一段和第二段炸藥分別放置一發(fā)雷管。起爆時掏槽孔先爆破，1 階掏槽孔與2 階掏槽孔的第一段炸藥同時起爆，然后2 階掏槽孔第二段炸藥延時25 ms起爆，隨后引爆輔助掏槽孔及周邊孔。

圖20 掏槽孔布置Fig.20 Layout of cutting holes.

采用三角復式分階分段直眼掏槽方案進行了工程試驗，試驗結(jié)果良好。單循環(huán)進尺為2.48 m，炮孔利用率達到95.38%。圖21 給出了現(xiàn)場電子雷管的使用以及爆破后效果圖。

圖21 分段裝藥結(jié)構(gòu)掏槽爆破現(xiàn)場應(yīng)用Fig.21 Field application of cut blasting with sectional charging structure.

上述工程實踐證明，在煤礦巖石巷道爆破施工中，采用分段裝藥爆破的方法可以有效提高鉆孔利用率，增加單循環(huán)進尺。對于分段裝藥爆破，靠近孔口處的炸藥和巖體由于距離自由面較近，更容易破碎并從空腔拋出，這給孔底處的巖體提供了新的自由面。當孔底處的巖體爆炸時，新自由面的存在降低了巖體到自由面的距離，降低了剩余巖體的最小抵抗線和圍巖約束作用。

4 結(jié) 論

1）連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)引起的損傷范圍和空腔截面形狀為均勻的圓柱，而分段裝藥結(jié)構(gòu)的空腔截面形狀會隨著 γ的增加，由上部窄、下部寬變?yōu)樯喜繉?、下部窄?/p>

2）連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)掏槽爆破在時間和空間上創(chuàng)造了優(yōu)勢：第一段裝藥先起爆使上部巖體破碎并拋出，同時形成了新的自由面，為第二段裝藥起爆提供了充分的補償空間和降低了圍巖約束作用。自由面和不同段裝藥處的距離是影響爆破掏槽效果的決定因素。

3）上部巖體粒子拋擲速度峰值在第一次起爆后隨著 γ增大而減小；中部巖體粒子拋擲速度峰值在第一次起爆后隨著 γ增大而增大；當 γ≤0.5 時，各層巖體粒子速度均有著較高值。

4）當 γ=0.4 時，分段裝藥結(jié)構(gòu)下的爆破效果最好，形成的槽腔范圍最大。通過對三維數(shù)值模擬模型爆破效果的定量評估， γ=0.4 時的分段裝藥掏槽爆破效率相比連續(xù)裝藥提升了19.3%。