深孔松動爆破在硬巖巷道綜掘中的應用研究

孟秀峰 楊 博,2

(1.山西能源學院，山西省晉中市，030600;2.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054)

綜掘機在煤礦巷道掘進中使用的越來越多，綜掘機在煤巷及軟巖巷道能夠充分發(fā)揮其效能，巷道成型好，勞動強度低，具有鉆爆法無法比擬的優(yōu)點。當遇到較為堅硬的巖石時，綜掘機的切割速度減慢，截齒消耗增大，掘進成本增加。針對此情況，通常選擇鉆爆法及淺孔松動爆破配合綜掘機掘進，也有選擇深孔松動爆破，使巖石形成裂隙，破壞其整體性，然后采用綜掘機掘進。

深孔松動爆破技術已成功應用于邊坡處理、瓦斯抽采、過地質構造等，在硬巖綜掘巷道研究及應用較少，爆破參數與上述方面也存在很多差異，因此，硬巖巷道綜掘深孔松動爆破有待于進一步深入研究，本文以潞安集團古城煤礦硬巖巷道掘進為背景，提出了采用深孔松動爆破配合綜掘機掘進的方法，得到成功應用。

1 工程概況

現場試驗選擇潞安礦區(qū)古城煤礦主斜井掘進，基巖段設計里程545～2004 m，傾角為15°，基巖段設計為直墻半圓拱型，掘進寬度為6.3 m，掘進高度為4.5 m，掘進斷面積為24.08 m2，為典型大傾角大斷面(下山)斜巷。

基巖段巖性以砂巖為主，較堅硬，整體性好。經測試，巖石的堅固性系數大于7。據調研發(fā)現，基巖段掘進初期545～984 m距離采用爆破掘進，每班進尺不足0.8 m，后試用EBH418型掘進機掘進，每班切割進尺不足0.5 m。由于巖石硬度大，綜掘機切割巖石變得困難，綜掘機效率無法發(fā)揮，嚴重制約掘進速度。

2 爆破裂紋擴展數值計算

2.1 計算模型及參數

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行模擬，計算模型長8 m，高6 m，厚度方向取一個單元。炮孔直徑75 mm，藥卷直徑65 mm；炮孔長度25 m，裝藥長度15 m，封堵長度10 m。

本節(jié)模擬主要涉及巖石，巖石選用薄殼單元、彈塑性模型作為基本模型，炸藥采用JWL狀態(tài)方程進行模擬，因此在巷道掘進模擬中常采用Mohr-Coulomb模型，巖石力學參數如下：細砂巖容重γg為27.4 kN/m3，彈性模量E為3.4 GPa，抗壓強度RC為64.50 MPa，抗拉強度RL為7.0 MPa。

2.2 模擬結果分析

使用LS-DYNA2D軟件模擬炮孔爆破的過程，使用Fcomp功能把該時刻的爆破等效應力云圖輸出，結果如圖1所示。

分析爆破裂隙發(fā)展過程可知，破碎區(qū)形成時間很短，大概只有0.1 ms；1.2 ms后裂隙區(qū)基本形成，半徑大約為1.65 m。

使用LS-PREPOST的History功能把距離炸藥中心1.55 m處單元X方向和Y方向的應力—時間曲線輸出，結果如圖2所示。該單元在爆破過程中X方向和Y方向所受的最大拉應力分別為21 MPa 和15 MPa，均大于巷道掘進圍巖的動態(tài)抗拉強度，故能夠破壞巖石。

圖1 等效應力波傳播圖

圖2 距爆破中心1.55 m處的應力—時間曲線

3 深孔松動爆破方案設計

3.1 鉆爆器材

打鉆成孔是實施深孔預裂爆破技術的首要工序，也是最關鍵的一環(huán)。采用MKQJ90/25鉆機進行打孔，鉆孔直徑為75 mm。炸藥采用滿足該掘進工作面安全等級的特制水膠炸藥藥柱，藥柱規(guī)格?65 mm×1000 mm、3.0 kg/卷。起爆雷管使用煤礦許用1～5段毫秒延期電雷管。

3.2 爆破參數

合理的爆破參數是綜掘硬巖松動爆破的關鍵。因此，根據現場情況和綜掘機自身特點，選擇合理的炮孔深度、孔網參數、單孔裝藥量等爆破參數。

(1)炮眼深度。炮眼深度是影響綜掘機掘進速度的重要技術參數。炮眼深度與鉆眼機具的性能、爆破范圍等有關，并保證施工巷道不因爆破受到破壞。

(2)孔網參數。孔網參數是指炮孔間排距，深孔松動爆破的目的是增加巖體中的裂隙，不要求巖體粉碎或形成拋擲，因此，炮孔間排距可稍大。

根據爆轟理論和應力波理論，間排距半徑通常按下式進行計算：

式中：σd——巖石抗拉強度，MPa；

b——炮眼排距，mm；

a——炮眼間距，mm；

m——炮孔鄰近系數，取0.6～0.9；

R——裂隙擴展半徑，mm；

db——炮眼直徑，取75 mm；

dc——藥包直徑，取65 mm；

D1——炸藥爆速，取3200 m/s；

ρw——炸藥密度，乳化炸藥密度取1110 kg/m3；

γ——巖石泊松比，取0.2；

α——應力波衰減值；

n——應力增大系數，取8～10。

由上式計算得炮孔間距a為1200～1600 mm，排距b為720～1440 mm，深孔松動爆破的目的是增加巖體中的裂隙，不要求巖體粉碎或形成拋擲，炮孔間排距可稍大，因此，a取1500 mm，b取1400 mm，如圖3所示。

圖3 炮孔布置圖

根據計算結果，確定炮孔間距1500 mm。結合現場實際情況，考慮施工安全和爆破造成圍巖損傷破壞，全斷面3個孔呈三角布置，下部布置兩個炮孔、上部布置一個炮孔，炮孔排距1400 mm。

(3)炮孔裝藥量。每個炮孔的裝藥量為45 kg，約為30個藥卷，藥卷規(guī)格?60 mm×500 mm、1.5 kg/卷。根據實際松動爆破情況、巖石硬度以及巖石節(jié)理發(fā)育情況進行調整。

(4)封孔方式和長度。封孔質量直接影響爆破質量。如果封孔長度短，會出現沖孔現象，或產生拋擲漏斗損壞影響松動效果；如果封孔長度過長，破巖能力小于抗爆能力，不能充分松動。因此，合理的封孔長度既要保證巖體松動破裂，同時又不能產生拋擲爆破漏斗。通過多次試驗，確定封孔長度為10 m時爆破效果最佳。

(5)裝藥與起爆。炮孔深度25 m，裝藥15 m，封孔10 m。3個孔均平行于巷道軸線方向鉆進。采用連續(xù)正向裝藥、風動封孔機封堵孔口，黃泥作為封堵材料，3個炮孔的深度、裝藥長度、裝藥量、封堵長度均相同，分別為25 m、15 m、45 kg、10 m，雷管級別分別為1、2、3級。每個炮孔一個起爆藥柱，每個起爆藥柱裝兩發(fā)同段雷管，分別用膠質導線引出，孔外串聯(lián)電起爆網路，接頭處使用防水膠布處理，確?？煽科鸨?。

4 試驗效果

(1)裂隙發(fā)育情況。通過了解炮孔的爆破情況，直觀地觀測爆破后炮孔孔壁裂隙發(fā)育情況。如圖4所示。

通過對近十年白花前胡研究文獻進行分析，發(fā)現前期對白花前胡的研究領域較廣，主要學科包括中藥學、農作物、生物學、藥學、農藝學、化學、園藝、植物保護、腫瘤學、林業(yè)、一般化學工業(yè)、農業(yè)基礎科學等，在研究方向上重點集中在化學成分和藥理作用等方面，但有關白花前胡的種質資源分析評價、優(yōu)良品種培育等方面的研究報道較少，對目前生產中普遍存在的早期抽薹現象關注度不夠。建議后期加強對白花前胡的種質資源收集與評價、科學合理的留種技術研究、優(yōu)質種子生產技術體系的建立等方面研究的關注與重視，解決制約生產發(fā)展的瓶頸技術問題，切實促進白花前胡種植產業(yè)的發(fā)展。

圖4 爆破后孔壁裂隙擴展情況

由圖4可知，由于巖石堅硬、整體性好，與封堵段的距離越小，受到爆破的影響越小，裂隙擴展小，孔壁內先出現徑向裂隙，軸向裂隙寬度小，如圖4(a)所示。隨著深度的增加，環(huán)向和徑向裂隙交錯、破碎呈龜裂狀。距孔口為16 m時，裂隙的寬度增大，孔壁石塊掉落，如圖4(b)所示。距離孔口23 m時，接近炮孔底部，孔壁上掉落的巖塊數量增多，塊度增大，破壞較為嚴重，難以判斷炮孔輪廓，如圖4(c)所示。到達炮孔底部時，崩落的巖塊堵塞炮孔，且?guī)r石較為破碎，如圖4(d)所示。

裂隙擴展觀測結果表明，采用深孔松動爆破可以有效地增加巖體內裂隙、降低其整體性；且?guī)r體內裂隙的發(fā)育程度與裝藥密切相關，在炮孔底部，爆炸應力波和爆生氣體作用時間較長，裂隙相互貫通，巖石整體性發(fā)生破壞，滿足綜掘機掘進要求。

(2)掘進速度。松動爆破后，形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)，巖體整體性變差，利于綜掘機掘進。現場試驗結果表明，裝藥段炮孔徑向1.0～1.2 m范圍巖體破碎，巖石呈塊狀切落，切割速度快。在封堵段和遠離炮孔區(qū)域與爆破前的巖石整體性相近，切割依舊困難、較爆破前切割速度變化不大，進而驗證了深孔松動爆破對巷道圍巖穩(wěn)定性影響小，利于巷道維護。實現平均每班進尺約1.2 m，較試驗前爆破掘進提高了約36 %。

(3)截齒消耗。在封堵段和遠離炮孔區(qū)域，截齒消耗量與試驗前相近，在裝藥段裂隙發(fā)育明顯，巖體整體性降低，截齒消耗顯著降低，平均截齒消耗5.62個/m，較試驗前9.26個/m降低39.3%。

5 結論

(1)結合現場實際情況，考慮施工安全和爆破造成圍巖損傷破壞，全斷面3個孔呈三角布置，間距1500 mm，排距1400 mm，孔深為25 m。炮孔要垂直于工作面，不能偏向。

(2)通過深孔松動爆破，硬巖巷道掘進速度提高了約36%，截齒損耗減少了約39.3%，同時改善了工作環(huán)境。

(3)在炮孔裝藥段1.0～1.2 m范圍內裂隙發(fā)育顯著，在封堵段和遠離炮孔區(qū)域受爆破影響較小，進而驗證了深孔松動爆破對巷道圍巖穩(wěn)定性影響小，利于巷道維護。

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