巷道掘進中爆破對鄰近巷道圍巖及支護的影響

魏 凱，朱殿瑞

(1．潞安集團蒲縣常興煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000;2．太原重型機械集團有限公司 軋鋼設(shè)備分公司，山西 太原 030024;3．太原理工大學(xué) 煤機樓0210實驗室，山西 太原 030024)

井巷掘進是煤礦開采中的重要工作，鉆爆法是這項地下工程中的主要方法之一?；鹚幵诒ㄟ^程中釋放出巨大的能量，這些能量主要以波的形式在介質(zhì)中傳播，在破壞介質(zhì)的同時，也會使爆源附近的圍巖發(fā)生力學(xué)變化甚至造成圍巖破壞。因此，施工中充分掌握爆破動載作用對鄰近巷道圍巖的力學(xué)效應(yīng)，以確定合理的爆破參數(shù)和支護參數(shù)非常必要。由于影響因素較多，目前國內(nèi)外對這一問題的研究不甚理想。本文利用巖體爆破損傷斷裂機理對鄰近巷道圍巖在爆破動載作用下的損傷破壞進行分析，結(jié)合巷道的支護理論，對巷道的支護設(shè)計提供借鑒。

1 巷道支護概述

空間開挖后，圍巖的破壞分為四個區(qū)域：Ⅰ區(qū)為破碎區(qū)，無法繼續(xù)承受變形且隨重力冒落，Ⅱ區(qū)有一定的變形承載力及外載，在圍巖維護期間內(nèi)不會發(fā)展為Ⅰ區(qū)，Ⅲ區(qū)為基本不受開挖影響的彈性區(qū)且可承受較大外載，Ⅳ區(qū)為原巖應(yīng)力區(qū)。硐室支護主要針對Ⅱ區(qū)［1］。

目前，巷道支護主要有錨桿支護、金屬支架支護、噴射混凝土支護及混合支護(如錨噴支護)幾種。錨噴支護提高了圍巖的整體性，加強了圍巖的力學(xué)性能，保證了巷道的穩(wěn)定性。下面主要介紹錨噴支護的機理。

錨噴支護是將錨桿、噴射混凝土及金屬網(wǎng)組合起來的一種支護結(jié)構(gòu)。支護組合緊貼圍巖，封閉巖體裂隙，改變圍巖應(yīng)力場分布，限制圍巖自由發(fā)展。它可充分利用巖塊的鑲嵌、咬合及自鎖作用，與圍巖一同變形，構(gòu)成一個新的整體性承載體。錨噴支護主要以錨桿支護為理論基礎(chǔ)，錨桿支護理論有懸吊理論、組合梁理論、壓縮拱理論、圍巖松動圈理論等等［2］。

2 爆破對鄰近巷道圍巖的影響

2．1 爆破作用下巖石損傷斷裂機理

巖石的物理力學(xué)性能是影響爆破效果的重要因素之一，巖石的破壞形式主要有單軸壓縮下的縱向破裂、剪切破壞、拉伸破壞及線載荷引起的拉伸破壞幾種。根據(jù)這些破壞形式，巖石強度分為抗拉強度、抗壓強度和抗剪強度三種。研究表明，巖石的抗拉強度是抗壓強度的1/10，所以爆破中最大的破壞來自于拉伸和剪切破壞［3］。

作為脆性材料，巖石的破碎機理很復(fù)雜，普遍認為巖石的破壞主要是其固有裂紋的擴展，現(xiàn)行的巖石破碎理論主要有NAG－FRAG模型和K－G模型［1］。

NAG－FRAG模型認為受爆炸波作用的裂紋數(shù)量和裂紋擴展速度決定巖石破壞程度和范圍，其數(shù)學(xué)

模型如下：

式(1)表示裂紋密度Ng與裂紋總數(shù)N0成正比，與裂紋半徑R成指數(shù)關(guān)系，R1為分布常數(shù);式(2)表示垂直于裂紋面的拉應(yīng)力σ決定了裂紋成核速度N·，σn0為臨界成核應(yīng)力，σ1為靈敏度，N·0為臨界成核速度;式(3)則表明裂紋拉應(yīng)力和裂紋面氣體壓力P0共同決定了裂紋的擴展程度，T1表示裂紋擴展系數(shù)，σg0為擴展臨界應(yīng)力。只要知道了材料參數(shù)和破壞參數(shù)σ1、N0、σn0等，即可求得爆破破壞程度。

K－G模型巖石受到動載時，與動載波相關(guān)分布的原生裂紋被激活并擴展，從而決定巖石破壞程度。其數(shù)學(xué)模型如下：

式(4)用來計算巖石的平均破碎尺度Lm，式(5)為巖石破壞后的損傷模型。式中D為損傷裂紋，A為破壞面積，K為體積彈性模量，ε為體積應(yīng)變，λ為拉梅常數(shù)。了解材料常數(shù)及爆破參數(shù)，通過一系列計算公式可以求得巖石破壞情況。

2．2 圍巖爆破破碎情況

本文主要分析爆破工程下鄰近巷道圍巖的變化情況，鄰近巷道圍巖對本爆破點而言相當(dāng)于自由面，故模型可近似為爆炸發(fā)生在自由面附近的形式。

在藥包半徑的2～3倍范圍內(nèi)，巖石粉碎，形成粉碎區(qū)，消耗沖擊波很大能量;在藥包半徑8～10倍范圍內(nèi)，應(yīng)力波引起的巖石徑向壓縮導(dǎo)致環(huán)向拉伸，由于抗拉應(yīng)力遠小于抗壓應(yīng)力，巖石環(huán)向裂隙擴展形成破碎區(qū);破碎區(qū)外，振動波和爆炸產(chǎn)生氣體只有很小的能量，引起巖石彈性變形，稱為震動區(qū)［1］。

爆炸對自由面的作用視爆炸源與自由面的距離而定。爆炸產(chǎn)生的壓縮波到達自由面時，會從界面反射變?yōu)槔觳?。?dāng)爆炸源距自由面較近時，反射拉伸波及環(huán)向拉伸合應(yīng)力大于巖體的抗拉強度，則圍巖從界面開始拉伸破壞，發(fā)生片裂、鼓包或拋擲現(xiàn)象;當(dāng)爆炸源距自由面較遠時，拉伸應(yīng)力不足以引起巖石破

式中Q代表相同炸藥性能前提下炸藥用量，E為單位炸藥量情況下巖石臨界破裂所吸收的最大能量，Wc為炸藥埋深。式(6)表明：炸藥爆炸時，釋放的能量被巖石吸收，只有巖石吸收能量達到巖石承受極限時，巖石表面開始產(chǎn)生鼓包、片裂、拋擲等。反之，巖石不會發(fā)生破壞。E為巖石爆破性能的重要指標。

2．3 爆破波的傳播規(guī)律

根據(jù)爆破應(yīng)力波的傳播過程及爆破巖石的變化，將爆破波對應(yīng)分為三部分。藥包爆炸急劇釋放能量，產(chǎn)生振幅、頻率及波速極大沖擊波，沖擊波在粉碎區(qū)消耗20%～25%的能量，這些消耗的能量儲存在尺度極小的粉碎物中、融化的介質(zhì)中及爆破氣體中;在破碎區(qū)，沖擊波隨著傳播應(yīng)力幅值不斷減小，波速降低，變?yōu)閼?yīng)力波，應(yīng)力波使巖石破碎，但巖石塊度較大，此部分能量占60%左右;應(yīng)力波衰減到不足以破壞巖石而僅能導(dǎo)致其彈性變形的情況下稱其為地震波，地震波能量為爆破總能量的15%左右［4］。

波陣面的擴大使能量密度降低，巖石質(zhì)點運動的內(nèi)摩擦及波傳播過程中的追趕卸載是爆炸波衰減的原因。新巷道設(shè)計往往會考慮對鄰近巷道的影響，故爆破工程產(chǎn)生的爆炸波對原有巷道的影響主要集中在地震波部分，故主要對地震波的特性及衰減做分析。

雖然地震波攜帶能量較其他波少，但忽視它的作用往往造成已有巷道支護的損壞，巷道圍巖的坍塌冒落。爆破地震波分為體波和面波兩種，前者在介質(zhì)內(nèi)部傳動，由橫波和縱波組成，后者在介質(zhì)表面或分界面?zhèn)鲃?，分為勒夫波和瑞利波。振幅、頻率和持續(xù)時間是表征地震波的主要參數(shù)［1］。

振幅A表征地震波的強度，一般通過測量振動位移、速度及加速度確定振幅，振幅超過圍巖允許的臨界值，圍巖會破裂掉落。與振動頻率f對應(yīng)的頻譜特性也是分析地震波的一個重要指標，實測的某地震波頻譜分布見圖1。由圖1可見由于傳播介質(zhì)的非線性，地震波頻譜具有不規(guī)則的廣譜性，且隨著波的壞，僅導(dǎo)致原聲裂紋擴展，應(yīng)力場加強。

爆破漏斗理論是爆炸發(fā)生于自由面附近模型的指導(dǎo)理論，爆破強度越大，沖擊漏斗底圓半徑越大，漏斗內(nèi)巖石破壞越劇烈，自由面片裂及拋擲越嚴重。在自由面巖石形成破壞的臨界狀態(tài)用公式(6)表示：傳播，高頻成分衰減大于低頻成分。不同爆破相同距離測得的主頻基本相同，主頻穩(wěn)定。當(dāng)爆炸藥量大時，由于爆炸反應(yīng)時間長，藥室正負壓激蕩時間延長，爆源激發(fā)的地震波主頻處于低頻段。反之，藥量大時，主頻處于高頻段。距離小的時候，爆源深度增加，高頻率成分增加。

圖1 某實測地震波頻譜圖

式中k，α均為與爆破參數(shù)和地理條件相關(guān)的衰減系數(shù)，Q為裝藥量，R為振動質(zhì)點距爆源距離。式(7)表明地震波能量隨著距離的增加呈冥函數(shù)規(guī)律衰減。

3 爆破對支護的影響

根據(jù)對2號井左側(cè)大巷的工作情況分析，確定支護方式為錨噴支護，錨桿M20－d18－1 800 mm，配套球面托盤130mm×130mm，9根錨桿間距1 100mm，排距1 100 mm，每桿采用中速樹脂Z2905兩卷錨固，噴射150 mm混凝土，強度C20。錨桿數(shù)分析時對比9根、10根和11根3種情況，錨桿間距相應(yīng)變化。利用FLAC軟件數(shù)值模擬爆破引起動載作用下錨桿的受力和變形情況，本例中輸入的地震波波形圖X方向見圖2，Y方向類似。

根據(jù)仿真結(jié)果，取統(tǒng)計表兩個測點的最大位移與應(yīng)力值列表見表1。

地震波的能量隨傳播距離增大而減弱，其規(guī)律主要用莎道夫斯基公式近似處理。施工現(xiàn)場的大量數(shù)據(jù)表明，地震波能量與質(zhì)點振動速度相關(guān)性很大，質(zhì)點振動速度越大，地震波的破壞程度越大。工程上常用振動速度衡量地震波安全性，莎道夫斯基公式可用來計算地震波振動速度v：

圖2 輸入X方向的動載波速度時程曲線

表1 兩個測點的FLAC分析值

通過比較分析巷道圍巖應(yīng)力分布圖及各測點的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)巷道頂部和底部圍巖在受到動載作用時，相對于圍巖受自重影響，應(yīng)力增大，圍巖位移也增大，兩幫變化不大，9根錨桿時錨桿周圍巖石應(yīng)力集中增大。為了適應(yīng)爆破動載對鄰近巷道影響情況，調(diào)整錨桿支護，采用10根錨桿及11根錨桿兩種情況對比。采用10根錨桿，巖石位移及應(yīng)力變化較大，圍巖及錨桿受力情況明顯改善;采用11根錨桿時，效果不明顯。結(jié)論為：根據(jù)原有只考慮圍巖自重的設(shè)計方法設(shè)計的支護受爆破影響并不是很合理，考慮動載作用調(diào)整支護設(shè)計參數(shù)，對改善支護有較明顯的幫助。

4 結(jié)論

1)分析了巷道掘進爆破工程作用下，巖石的損傷破壞情況及爆破波的傳播和衰減過程，并利用相關(guān)的理論模型分析了新巷道爆破掘進對已有鄰近巷道圍巖的影響情況。

2)根據(jù)工程實例及數(shù)值模擬，研究了爆破產(chǎn)生的動載隊鄰近巷道支護的影響，并依據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了支護參數(shù)。

3)整個研究過程可為新巷道掘進中，爆破工程對鄰近巷道支護的影響分析提供借鑒，并為原巷道的支護設(shè)計提供參考。

本模型采用上工作面巷道的遞進式瓦斯治理模式，無需施工頂板走向高抽巷和底板瓦斯抽放巷，節(jié)約了大量的巖巷施工時間，同時減少了巖巷開拓的成本，并且所有鉆孔的瓦斯?jié)舛染?0%以上，順層定向鉆孔瓦斯?jié)舛壬踔量蛇_70%以上，可以作為優(yōu)質(zhì)清潔的能源，為礦井增加新的經(jīng)濟效益增長點。

［1］ 楊 東，仇海生，王世棟．寶積山煤業(yè)公司702工作面合理預(yù)抽參數(shù)確定［J］．遼寧工程術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007(26)：34－36．

［2］ 姜玉超．正陽煤礦2#煤層回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測［J］．煤炭工程，2011(4)：47－48．

［3］ 林柏泉，張建國．礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)［M］．徐州．中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996：45－54．

［4］ 梁運培，文光才．頂板巖層“三帶”劃分的綜合分析法［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(5)：39－42．

［5］ 郝長勝．采空區(qū)埋管抽放技術(shù)在采煤工作面的應(yīng)用［J］．煤，2010，19(4)：16－18．