硬巖體強(qiáng)度弱化范圍理論分析與工程驗(yàn)證

付寶杰，涂 敏

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

隨著綜采、綜放技術(shù)的應(yīng)用和高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的迅猛發(fā)展，采煤、掘進(jìn)速度不匹配的問(wèn)題日益突出［1－2］。為縮短新井的建井期和緩解正在生產(chǎn)礦井的采掘接續(xù)，巖巷快速掘進(jìn)成為影響礦井生產(chǎn)穩(wěn)定、發(fā)展的關(guān)鍵，也是制約礦井水平、采區(qū)、采場(chǎng)“三大接替”的瓶頸。因此，尋求一條高效快掘的新路，成為相當(dāng)現(xiàn)實(shí)而重要的工程問(wèn)題。

對(duì)于全巖巷道，當(dāng)巖石硬度小于6 時(shí)，綜掘進(jìn)能夠較穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn);巖石硬度大于8 時(shí)，一方面綜掘機(jī)掘進(jìn)速度低，另一方面對(duì)截割端部磨損相當(dāng)嚴(yán)重。通過(guò)超深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，使巷道圍巖整體強(qiáng)度降低，從而保證綜掘機(jī)械能夠在全巖巷道中不間斷或偶有間斷作業(yè)，打開高效快掘的局面［3－5］。

1 硬巖深孔預(yù)裂爆破機(jī)理

1.1 固體介質(zhì)爆破區(qū)域特征分布

炸藥在炮孔內(nèi)爆炸后，產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波和大量高溫高壓爆生氣體(見圖1)。由爆破孔傳播出來(lái)的強(qiáng)間斷沖擊波陣面上都是壓應(yīng)力，其強(qiáng)度要高出介質(zhì)的極限抗壓強(qiáng)度的許多倍，致使炮孔周圍的介質(zhì)產(chǎn)生過(guò)度粉碎，形成壓碎區(qū)。

圖1 無(wú)限介質(zhì)爆炸作用

沖擊波透射到介質(zhì)內(nèi)部，以應(yīng)力波形式向介質(zhì)內(nèi)傳播，在靠近壓碎區(qū)的介質(zhì)中產(chǎn)生徑向壓縮和切向拉伸。當(dāng)切向拉伸應(yīng)力超過(guò)介質(zhì)的動(dòng)抗拉強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生徑向裂隙，形成裂隙區(qū)。

當(dāng)應(yīng)力波進(jìn)一步向前傳播時(shí)，己經(jīng)衰減到不足以使介質(zhì)產(chǎn)生破壞，只能使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生震動(dòng)，以地震波形式傳播，直至消失，故把裂隙區(qū)以外的區(qū)域稱為震動(dòng)區(qū)。

深孔控制預(yù)裂爆破時(shí)，在掘進(jìn)工作面前方的巖體中產(chǎn)生了壓碎區(qū)和貫穿控制面的爆破裂隙區(qū)。壓碎區(qū)和爆破裂隙區(qū)的存在是有效降低巖體強(qiáng)度保證截割機(jī)具經(jīng)濟(jì)破巖的關(guān)鍵［6］。

1.2 爆破引起的圍巖松動(dòng)效應(yīng)

1.2.1 壓碎區(qū) 爆炸沖擊波在巖體內(nèi)衰減很快，其峰值壓力隨距離的變化規(guī)律［7］為

式中:為對(duì)比距離，rb為炮孔半徑;ρ、ρ0為巖石和炸藥的密度;cp分別為巖石中的聲速;V為炸藥爆速;γ 為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，一般取γ=3。

當(dāng)沖擊波到達(dá)壓縮區(qū)邊緣時(shí)，衰減為應(yīng)力波，即波速衰變成cp，根據(jù)動(dòng)量守恒求得邊緣處壓力峰值為

由巖石中沖擊波速度和巖石質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系，求得邊緣處巖石質(zhì)點(diǎn)位移速度為

式中:a、b為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)(見表1)。

表1 巖石參數(shù)(中砂巖)

則壓碎區(qū)半徑R0為

1.2.2 裂隙區(qū) 爆破形成的裂隙區(qū)是由拉伸破壞導(dǎo)致的，炮孔周圍的壓縮區(qū)相當(dāng)于擴(kuò)大了炮孔直徑，則壓縮區(qū)外應(yīng)力波峰值隨傳播距離r的變化關(guān)系［8］為

式中:D為損傷變量;，ν 為巖石的泊松比。

根據(jù)泊松效應(yīng)，裂隙區(qū)的切向拉應(yīng)力峰值為

當(dāng)巖石的抗拉強(qiáng)度為St時(shí)，求得爆破后圍巖中引起徑向裂隙的擴(kuò)展范圍為

實(shí)際爆破中若炮孔半徑rb=46.5 mm，ρ0=1.1g·cm－3，V=5 124 m·s－1，由表1 相關(guān)參數(shù)并結(jié)合式(7)計(jì)算，得出爆破后圍巖中引起裂隙擴(kuò)展半徑1.831 m。

2 數(shù)值模擬分析

基于ANSYS 動(dòng)力分析模塊LS－DYNA，建立由炸藥、空氣和巖石三部分組成的數(shù)值模型［9］，用以分析水膠炸藥爆破對(duì)硬巖體強(qiáng)度的弱化效果。在有限元建模時(shí)采用平面應(yīng)變方式，炸藥單元與空氣單元、空氣單元與巖石單元通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)方式聯(lián)系起來(lái)。炸藥采用JWL 狀態(tài)方程描述，空氣采用多項(xiàng)式狀態(tài)方程模擬，巖體采用彈塑性本構(gòu)模型。模型寬5.0 m，高3.0 m，中心處炸藥直徑Φ67 mm，鉆孔直徑Φ93 mm。

1)炸藥狀態(tài)方程及參數(shù)。炸藥爆轟過(guò)程壓力和比容的關(guān)系采用JWL 狀態(tài)方程，即:

式中:A、B、R1、R2、ω 為材料參數(shù);P為壓力;V為相對(duì)體積;E0為初始比內(nèi)能。

二級(jí)煤礦許用水膠炸藥JWL 狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

表2 水膠炸藥JWL 狀態(tài)方程參數(shù)

2)空氣采用多項(xiàng)式狀態(tài)方程。

具體參數(shù)如表3所示。

表3 空氣狀態(tài)方程參數(shù)

3)模擬結(jié)果分析。炸藥爆炸后不同時(shí)刻的炮孔圍巖中的壓應(yīng)力和Von mises 應(yīng)力變化如圖2所示。巖石的抗壓強(qiáng)度在80 MPa 左右，抗拉強(qiáng)度在10 MPa 左右。由于巖石的抗拉強(qiáng)度相對(duì)其抗壓強(qiáng)度要低的多，當(dāng)炮孔附近圍巖中的壓應(yīng)力達(dá)到100 MPa 時(shí)，經(jīng)過(guò)單位換算數(shù)值達(dá)到0.002 時(shí)，巖石受到?jīng)_擊荷載作用引起的拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到60 MPa 左右，此時(shí)巖石中出現(xiàn)徑向拉裂縫。因此，壓應(yīng)力達(dá)到0.002 即形成巖石的裂隙范圍，以炮孔為中心，半徑1.8 m 范圍內(nèi)的巖石已經(jīng)弱化，可以通過(guò)綜掘機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)截割。

圖2 爆破應(yīng)力云圖

3 工程實(shí)踐

1)爆破方案。為了掌握深孔松動(dòng)爆破裂隙擴(kuò)展范圍，驗(yàn)證理論及數(shù)值分析結(jié)果，采用單孔松動(dòng)爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為新莊孜礦－812 m 水平B4膠帶大巷，巖石為細(xì)砂巖，平均硬度f(wàn)=8～9，炮孔布置如圖3所示，炮孔深度15 m，孔徑Φ93 mm，藥卷直徑Φ67mm，裝藥長(zhǎng)度10m，炮孔堵塞長(zhǎng)度5m，裝藥布置如圖4所示。

圖3 深孔爆破炮孔布置示意圖

圖4 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2)弱化效果分析。為考察大直徑深孔爆破對(duì)硬巖的弱化程度及范圍，深孔爆破前在新莊孜礦－812 mB4 膠帶大巷及相關(guān)巷道施工鉆孔，在施工過(guò)程中，由于鉆機(jī)硐室方位與膠帶大巷之間形成32°夾角，進(jìn)而形成如圖5所示的鉆孔及巷道布置方式。

圖5 方位改變后的鉆孔示意圖

通過(guò)對(duì)窺視孔窺視發(fā)現(xiàn)，從孔口位置到1.8 m一段，孔壁破損較嚴(yán)重，1.8 m 以后，孔壁保持完整狀態(tài)。8.12 m 開始，發(fā)現(xiàn)碎屑及裂痕，到9.05 m 位置，孔內(nèi)塌落巖塊過(guò)多，鏡頭無(wú)法進(jìn)入(見圖6)。

圖6 爆破前孔內(nèi)觀測(cè)照片

窺視孔9 m 位置其下部正對(duì)應(yīng)爆破孔，兩孔孔口標(biāo)高相差50 mm，據(jù)此計(jì)算出爆破孔松動(dòng)范圍1.6 m(見圖7)。

圖7 兩鉆孔位置關(guān)系圖

另外，在膠帶大巷掘進(jìn)期間對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，當(dāng)大巷掘進(jìn)7～9 m 一段時(shí)，巷道左幫出現(xiàn)卡釬現(xiàn)象，據(jù)此推測(cè)爆破孔松動(dòng)半徑在1.5～2.5 m 之間(見圖8)。對(duì)于爆破孔而言，該距離正好在過(guò)封孔段附近，膠帶大巷掘進(jìn)矸石較破碎，這也與因爆破產(chǎn)生的節(jié)理較發(fā)育有關(guān)。

圖8 預(yù)裂半徑分析圖

4 結(jié)論

1)硬巖巷道超深孔預(yù)裂爆破后會(huì)形成壓碎區(qū)、裂隙區(qū)、震動(dòng)區(qū)三個(gè)區(qū)域，壓碎區(qū)和裂隙區(qū)的存在是有效降低巖體強(qiáng)度、保證截割機(jī)具經(jīng)濟(jì)破巖的關(guān)鍵;

2)基于圍巖爆破后松動(dòng)效應(yīng)理論分析，爆破后鉆孔周邊引起裂隙擴(kuò)展范圍1.831 m;

3)通過(guò)對(duì)新莊煤礦－812 m 硬巖巷道進(jìn)行深孔爆破有限元數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在壓應(yīng)力達(dá)到0.002 時(shí)，形成弱化裂縫范圍，其弱化范圍半徑能夠達(dá)到1.8 m;

4)通過(guò)對(duì)新莊孜礦－812 m 水平B4 膠帶大巷硬巖進(jìn)行超深孔預(yù)裂爆破，鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)爆破松動(dòng)半徑能夠達(dá)到1.5～2.5 m 之間，取得了良好的弱化效果。

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