深埋底抽巷炮掘水間隔裝藥結(jié)構(gòu)與炮眼布置優(yōu)化

劉少偉，隋紀(jì)勝，賈后省，付孟雄，于 濤，姚丙傲

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.河南省新鄭煤電有限公司，河南 新鄭 451100)

鉆爆法作為破巖成巷(隧)的主要技術(shù)手段之一，具有施工成本低、效率高的特點(diǎn)，適用于低瓦斯礦井巷道及隧道掘進(jìn)[1]。隨著我國煤炭資源開采逐步向深部發(fā)展，巷道埋深增加，圍巖應(yīng)力增大，導(dǎo)致炸藥單耗增加、成巷(隧)效率降低，而巷道掘進(jìn)的施工進(jìn)度是制約井下開采效率的因素之一[2]。如何實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)并保證施工進(jìn)度及施工人員的安全，成為現(xiàn)階段亟需解決的難題。因此，對鉆爆中炮孔的布置、裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高要求。

如何提高炮孔利用率是國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的主要方向。謝理想[3]等采用數(shù)值模擬的方法對地應(yīng)力與應(yīng)力波傳播進(jìn)行了分析，研究結(jié)果得出地應(yīng)力對應(yīng)力波產(chǎn)生的壓力荷載具有抵制作用，使得巖體受壓力荷載作用產(chǎn)生的損傷范圍受到影響；胡建華[4]等利用CAD和LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建了爆破精細(xì)化網(wǎng)格模型，認(rèn)為應(yīng)力波相互疊加作用是影響掏槽腔體成型的關(guān)鍵；龔敏[5]等運(yùn)用LSDYNA3D進(jìn)行掏槽參數(shù)優(yōu)化研究，對炮孔的布置形式進(jìn)行了優(yōu)化，模擬結(jié)果得出當(dāng)炮孔中存在空孔時(shí)，可使掏槽效率提高30%以上；李啟月[6]等運(yùn)用LS-DYNA對不同直徑的空孔在爆破時(shí)的動態(tài)破碎過程進(jìn)行了模擬，得出了直孔掏槽的應(yīng)力分布規(guī)律；李延龍[7]等對水炮泥堵塞作用運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行研究，并獲得了炮泥在孔內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律；楊仁樹[8-9]等提出超深掏槽孔掏槽爆破技術(shù)用以提高炮孔利用率以及基于炮孔長度優(yōu)化的問題，證明了存在最優(yōu)掏槽孔超深系數(shù)η可使炮眼利用率達(dá)到最高；Yi[10]等探討了炮孔間微差起爆時(shí)應(yīng)力波之間的相互影響；戴俊[11]等利用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬雙炮孔爆破裂紋擴(kuò)展過程，得到了孔間裂縫的合理間距為400～700 mm；宗琦[12-15]等先后對水墊層裝藥對爆破效果的提升作用、炮孔水耦合裝藥爆破對孔壁產(chǎn)生沖擊壓力、炮孔不同的裝藥結(jié)構(gòu)對爆破能量影響以及水介質(zhì)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)爆破后對巖石的破壞范圍等方面做了大量研究；劉永勝[16]等對爆炸振動場和爆炸應(yīng)力場進(jìn)行研究，分析了巖體中缺陷處填充空氣或水對爆炸應(yīng)力場的影響；楊建華[17]等針對深埋圓形隧洞爆破開挖過程，分析了不同掏槽方式對開挖面地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)圍巖振動的力學(xué)特性，從掏槽方式選擇、孔網(wǎng)參數(shù)布置、起爆網(wǎng)路優(yōu)化的角度探討了誘發(fā)振動的控制方法；鄭祥濱[18]等對單螺旋空孔直眼掏槽的爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律與成腔過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)爆破效果與掏槽孔至空孔的距離相關(guān)；楊國梁[19]等對復(fù)式掏槽爆破進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)式掏槽爆破更有利于孔底巖石向自由面拋出；單仁亮[20]等對巷道掏槽爆破的作用機(jī)理進(jìn)行研究，提出了應(yīng)力應(yīng)變特性和巖石性質(zhì)對掏槽爆破效果的影響；鐘明壽[21]等根據(jù)爆炸力學(xué)的相關(guān)理論建立起耦合裝藥、不同耦合介質(zhì)(包括水、空氣和泥土)裝藥條件下炮孔壁處爆炸載荷和透射波比能量的計(jì)算方法。

鉆爆法適用范圍廣泛，所以在未來很長一段時(shí)間內(nèi)將作為巷道掘進(jìn)的主流工藝[22]，而目前大部分學(xué)者都是針對炮孔的布置形式進(jìn)行研究，鮮有對裝藥結(jié)構(gòu)的研究。文章以趙家寨礦巖巷鉆爆法施工為背景，提出水間隔柱狀不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，旨在為類似巖巷掘進(jìn)提供可參考的施工方案。

1 底抽巷掘進(jìn)面概況及存在問題

趙家寨礦14206工作面主采二1煤，煤層埋深約400 m。底抽巷沿灰?guī)r掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱形，尺寸為5.1 m×3.6 m，凈面積15.8 m2，設(shè)計(jì)長度1 036.2 m，灰?guī)r的堅(jiān)固性系數(shù)為7。因巷道底板為砂質(zhì)泥巖與砂巖互層，采用綜掘機(jī)沿巷道掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)段大量用水會導(dǎo)致巷道底板遇水泥化，不利于現(xiàn)場施工，因此采用鉆爆法掘進(jìn)，巷道圍巖層位關(guān)系及掘進(jìn)斷面如圖1所示。

圖1 巷道圍巖層位關(guān)系及掘進(jìn)斷面Fig.1 Layer relationship and excavation cross-section of surrounding rock in tunnels

現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，循環(huán)進(jìn)尺短的主要原因?yàn)椋禾筒劭缀捅缆淇椎拈g距超過了藥柱的有效破碎半徑，導(dǎo)致炮孔之間未完成切割，無法為后續(xù)爆破提供新的自由面，造成整體進(jìn)尺較短，循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m，炮孔利用率為75%，且掘進(jìn)面超欠挖現(xiàn)象較嚴(yán)重。因此，需對14206工作面的底抽巷圍巖爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 水間隔裝藥結(jié)構(gòu)及爆破效果分析

2.1 巖石爆破破碎機(jī)理

炸藥在巖體中爆破時(shí)，爆炸瞬間產(chǎn)生爆生氣體和爆生產(chǎn)物使炮孔周圍巖石破碎，形成微小顆粒和初始裂隙。沖擊波在傳播過程中衰減成應(yīng)力波，在孔壁的切向產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成徑向破裂，當(dāng)徑向壓縮應(yīng)力波傳播至自由面時(shí)，反射形成拉伸波，若反射拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度，則會引起巖石進(jìn)一步破裂，包括初始裂隙的擴(kuò)展和二次裂隙的形成[23]。爆生氣體的膨脹、擠壓、尖劈作用促使裂隙發(fā)生延伸和擴(kuò)張，形成巖石碎塊。炸藥爆炸沖擊圍巖過程如圖2所示。

圖2 炸藥爆炸沖擊圍巖過程Fig.2 Process of explosive impact on surrounding rock

2.2 單孔爆破計(jì)算模型構(gòu)建及裝藥結(jié)構(gòu)方案

為了提高巖巷的成巷速度，采用數(shù)值模擬水間隔柱狀不耦合裝藥(以下簡稱水間隔裝藥)條件下，炸藥爆炸形成的有效破碎半徑和孔底的破碎狀態(tài)，以確定最優(yōu)的炮孔間距和裝藥結(jié)構(gòu)。

由文獻(xiàn)[24]可知，與空氣間隔裝藥相比，水間隔裝藥應(yīng)力衰減慢，壓力作用時(shí)間長，炮孔透射比能量大，可提高爆炸的能量利用率。因此，筆者僅對水間隔條件下巖石破碎效應(yīng)進(jìn)行分析。

模擬采用非線性動力有限元軟件LS-DYNA，計(jì)算模型如圖3(a)所示，建立四分之一模型，鏡像得到全模型。四分之一模型尺寸為1 m×1 m×3 m，采用solid164實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，巖石、空氣、炸藥均采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1 cm，計(jì)算時(shí)長1 ms。不同工況時(shí)模型尺寸相同，炸藥、空氣和水均采用初始體積分?jǐn)?shù)法設(shè)置，采用動力松弛法設(shè)置10 MPa應(yīng)力，計(jì)算時(shí)間步與模型最小網(wǎng)格匹配。模型邊界被限制在XOY平面上，并被定義為無反射邊界模擬波在無限巖體內(nèi)傳播。炮孔直徑為38 mm，炸藥尺寸為?35 mm×300 mm，選用礦用乳化炸藥，炸藥密度為1.0 g/cm3，裝藥方案見表1。

表1 裝藥方案Table 1 Charging scheme

在距炮孔口0.35 m和孔底0.35 m及巖石中部0.8，1.6 m處分別選取4個(gè)測點(diǎn)(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)作為分 析對象，測點(diǎn)位置如圖3(b)所示。

2.3 模型材料及本構(gòu)方程

炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型，炸藥狀態(tài)方程采用EOS_JWL方程描述[25]。

式中，P1為爆炸產(chǎn)生的壓力；V為相對體積，即當(dāng)壓力為P1時(shí)的體積與初始體積的比值；E0為炸藥的初始比內(nèi)能；A，B，R1，R2，ω為參數(shù)，由試驗(yàn)確定。

炸藥狀態(tài)方程的主要參數(shù)為：V= 1.0 g/cm3，E0= 4.192 GPa，A= 214.4 GPa，B= 0.812 GPa，R1= 4.2，R2=0.9，ω= 0.15。炸藥的材料參數(shù)為：密度ρ1＝1.0 g/cm3，爆速D＝0.4 cm/μs，單位體積爆轟能E＝4.192 GPa。

空氣采用MAT_NULL材料模型，狀態(tài)方程采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL方程描述[26]。

式中，P2為空氣壓力；E2為初始單位體積內(nèi)能；C0～C6為與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其中C0=C1=C2=C3=C6= 0，C4=C5=0.4；μ=ρ/ρ0- 1，其中，ρ，ρ0分別為當(dāng)前氣體密度和初始時(shí)刻密度。

空氣狀態(tài)方程及材料參數(shù)值見表2。

表2 空氣狀態(tài)方程及材料參數(shù)值Table 2 Air state equation and material parameter values

通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對現(xiàn)場取樣的巖石進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，巖石材料采用RHT模型，因?yàn)榛炷梁蛶r石都具有應(yīng)變硬化、損傷軟化和應(yīng)變率效應(yīng)等特性，所以巖石的部分參數(shù)可采用RHT混凝土的本構(gòu)模型來描述巖石在沖擊動載下的損傷行為[27]，巖石材料參數(shù)見表3。

表3 巖石主要力學(xué)參數(shù)Table 3 Main mechanical parameters of rock

2.4 爆破動態(tài)損傷特征

為觀察到不同方案爆破后巖石的動態(tài)破碎特征，采用數(shù)值化提取技術(shù)對巖石的損傷演化過程進(jìn)行分析，不同裝藥結(jié)構(gòu)巖石損傷演化結(jié)果如圖4所示。

圖4 4個(gè)方案在不同時(shí)步的巖石損傷演化Fig.4 Rock damage evolution of four schemes at different time steps

由圖4可知，隨著裝藥量的逐漸減少，炸藥爆炸產(chǎn)生的損傷區(qū)域呈顯著縮小的趨勢。方案1中，在200 μs時(shí)爆炸形成圓柱形損傷區(qū)，此時(shí)損傷部位光滑平整；在500 μs時(shí)，模擬爆炸運(yùn)行結(jié)束后孔底產(chǎn)生大面積破碎。方案2中，在200 μs時(shí)爆炸形成圓柱形光滑平整的受損區(qū)域；在500 μs時(shí)，巖石中部形成“喇叭狀”的破壞損傷后未繼續(xù)擴(kuò)展，表明此時(shí)模擬爆炸的計(jì)算已經(jīng)完成，底部水炮泥的存在緩解了應(yīng)力波的沖擊，對孔底損傷較小。方案3中，在200 μs時(shí)，爆炸形成了圓柱形損傷區(qū)，孔底無損傷；在500 μs時(shí)，2段裝藥柱完全起爆，上、下段形成“喇叭狀”損傷，因底部水炮泥的存在緩解了應(yīng)力波的沖擊，孔底無損傷。方案4中，在200 μs時(shí)，爆炸形成了2段球型的破碎區(qū)域，損傷區(qū)光滑平整，無孔底損傷；在500 μs時(shí)，巖石破碎形成漏斗狀破壞，損傷未繼續(xù)擴(kuò)展，表明此時(shí)模擬爆炸的計(jì)算已經(jīng)完成，底部水炮泥的存在緩解了應(yīng)力波的沖擊，由于裝藥量較少，上、下2個(gè)藥柱間未形成有效的爆破空腔。

為進(jìn)一步說明4種裝藥結(jié)構(gòu)的破碎范圍，繪制了剖面損傷線，如圖5所示。

圖5 巖石損傷剖面線Fig.5 Rock damage profile lines

由圖5可知，4種方案徑向(x)最大破碎范圍約為60 cm，軸向(y)最大破碎范圍約為210 cm。

為了解4種裝藥結(jié)構(gòu)起爆后對巖石內(nèi)部損傷程度，提取各測點(diǎn)的損傷值并進(jìn)行定量分析，如圖6所示。由圖6可知，RHT模型通過損傷值定義破碎范圍，由測點(diǎn)Ⅰ，Ⅱ可知，在孔底水炮泥的作用下，巖石損傷值由全長裝藥的完全破碎(損傷值為1)變?yōu)榫植繐p傷，減小了施工現(xiàn)場超挖的現(xiàn)象；測點(diǎn)Ⅲ，Ⅳ結(jié)合圖5分析，在水炮泥的壓縮下，分段裝藥也具有等長裝藥大致相同的軸向破碎距離，能夠形成光滑的破碎范圍，在一定程度上減少了炸藥的單耗，節(jié)省了施工成本。

圖6 各測點(diǎn)圍巖損傷值曲線Fig.6 Curves of surrounding rock damage value of each measuring point

2.5 應(yīng)力傳播特性分析

為分析爆破過程中應(yīng)力的變化趨勢，提取各測點(diǎn)的有效應(yīng)力并繪制成曲線，如圖7所示。

圖7 各測點(diǎn)有效應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.7 Effective stress time history curves of each measuring point

2.6 爆破后圍巖振動特征分析

爆破振動作為爆破的危害之一[28]，必須在施工過程中引起足夠的重視。為分析爆破后圍巖振動特征，提取各測點(diǎn)的振速數(shù)據(jù)并繪制成曲線，如圖8所示。由圖8可知，在測點(diǎn)Ⅰ處，方案1，2，3的最大振速相近，約0.38 m/s；方案4的略小，約0.35 m/s。在測點(diǎn)Ⅱ處，方案1因無水炮泥封底而受到應(yīng)力波的直接作用，速度瞬間增大至5.3 m/s左右；方案2，3，4因孔底受水炮泥黏滯性的影響，最大振速約0.35 m/s。對比測點(diǎn)Ⅰ和Ⅱ的數(shù)據(jù)可知，水的黏滯作用可以降低應(yīng)力波對巖石的沖擊作用。在測點(diǎn)Ⅲ處，方案3的最大振速約0.51 m/s；方案1，2的相近，約0.39 m/s；方案4的藥量較少，起爆后測點(diǎn)受到的最大振速約0.28 m/s。在測點(diǎn)Ⅳ處，方案3的最大振速約0.7 m/s；方案2的約0.65 m/s；方案1，4的較小，其中方案1約0.41 m/s，方案4約0.32 m/s，這是由于方案1的裝藥結(jié)構(gòu)中無水炮泥封堵孔底，應(yīng)力波主要作用在孔底，徑向測點(diǎn)受到的爆轟速度減小。對不同裝藥結(jié)構(gòu)下炸藥的有效破碎半徑進(jìn)行分析可知，方案1，2，3的破碎效果大致相同，徑向破碎半徑約為60 cm。因此，可根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果有針對性地對裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置。

綜上可知，方案1雖形成了光滑的圓柱形損傷區(qū)域，但同時(shí)導(dǎo)致孔底大面積破碎，且容易造成能量流失；方案2和方案3雖然裝藥量較少，但均產(chǎn)生了與方案1大致相同的損傷區(qū)域，能量得到了較為合理的利用；方案4由于裝藥量太少，并未形成有效的損傷區(qū)域。與方案1相比，方案2，3，4由于孔底水炮泥的存在，有效減弱了應(yīng)力波對孔底的沖擊，縮小了孔底的損傷范圍，防止了施工現(xiàn)場超挖現(xiàn)象的發(fā)生。

3 底抽巷掘進(jìn)面爆破數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

為提高巷道掘進(jìn)單次進(jìn)尺深度，滿足現(xiàn)場施工任務(wù)需要，對炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)和布置設(shè)計(jì)了2種模擬方案。方案1為井下生產(chǎn)實(shí)際布置，如圖9(a)所示；方案2為根據(jù)單炮孔模擬結(jié)果對裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置進(jìn)行優(yōu)化后的改進(jìn)方案，如圖9(b)所示。

圖9 2種方案的炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)Fig.9 Arrangement of blast holes and charging structures for two schemes

裝藥量統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 裝藥量統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of drug dosage

3.2 模型構(gòu)建

為更清晰地對比空氣間隔裝藥與水間隔裝藥在巷道掘進(jìn)中的優(yōu)劣，建立全斷面等比例模型模擬2種裝藥方案在掘進(jìn)過程中的破巖情況，模型尺寸為10 m×10 m×3 m，如圖10所示。

圖10 巷道全斷面爆破模型Fig.10 Full section blasting model of roadway

為避免因網(wǎng)格畸變嚴(yán)重而運(yùn)算報(bào)錯(cuò)，炮孔采用映射網(wǎng)格劃分，周圍巖體采用掃掠劃分。

由于爆炸分析過程較復(fù)雜，為了便于對結(jié)果進(jìn)行分析，做如下基本假設(shè)：

3.1 氣管導(dǎo)管固定的重要性 氣管導(dǎo)管妥善固定對麻醉術(shù)中及術(shù)后的安全管理至關(guān)重要，稍有不慎，即可能造成嚴(yán)重的并發(fā)癥。據(jù)報(bào)道，氣管內(nèi)插管的非計(jì)劃拔管是常見的全身麻醉的主要并發(fā)癥，甚至危及患者的生命安全［1-4］。氣管導(dǎo)管妥善固定是手術(shù)順利開展的先決條件，良好的導(dǎo)管固定方法是患者術(shù)中及術(shù)后安全管理的重要保障。

(1) 以網(wǎng)格變形來描述巖石破碎的過程，忽略實(shí)際施工過程中新自由面的產(chǎn)生對后續(xù)爆破的影響。

(2) 忽略巖石中節(jié)理裂隙對破巖的影響。

3.3 爆破效果分析

3.3.1 方案1 爆破效果分析

爆破模型方案1模擬采用集中裝藥結(jié)構(gòu)，全部正向起爆。為了能直觀觀測到巖石內(nèi)部爆破產(chǎn)生的破碎，沿模型軸向選取一系列截面，如圖11所示，炮孔周圍巖石的臨界損傷程度用不同的顏色表示，損傷梯度從紅色減小到綠色。由損傷剖面顯示可知，損傷值由爆炸位置向外擴(kuò)展時(shí)逐漸減小。

圖11 方案1爆破損傷模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of blasting damage in scheme 1

由圖11(a)可知，爆破結(jié)束后距孔口500 mm內(nèi)，巖石破碎效果較差，雖然已炸出巷道輪廓，但是炮孔之間并未貫通，巖石并未被切分破碎，其依舊保持原有的完整性，且沒有形成新的自由面，不能為上部巖石的拋擲提供空間；距孔口500～1 200 mm，因處于炸藥的中心，爆破效果較好，形成了清晰的輪廓線，但炮孔之間并未被切分破碎，整體處于完整狀態(tài)，并且掏槽孔間有未被擾動巖石，無法使用挖裝機(jī)破碎清除；距孔口1 200～1 500 mm，已炸出巷道輪廓，炮孔之間并未貫通，但是對巖石的擾動較大，可以采用挖裝機(jī)破碎清除；距孔口1 500～1 700 mm，巖石并未被切分破碎，其完整性高且未被擾動，無法實(shí)現(xiàn)破碎清除。由圖11(b)可知，外側(cè)光面孔在空氣間隔下應(yīng)力波在孔道內(nèi)傳遞，在巷道外形成光滑的破碎區(qū)，對徑向損傷較小，損傷半徑約為5 cm。

3.3.2 方案2 爆破效果分析

爆破模型方案2模擬采用集中裝藥結(jié)構(gòu)，全部正向起爆，爆破模擬結(jié)果如圖12所示。

圖12 方案2爆破損傷模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of blasting damage in scheme 2

由圖12(a)可知，在炮孔口處的水炮泥和黏土炮泥共同作用下，應(yīng)力波被壓縮、減弱，雖然爆炸未完全破碎孔口，但巖石內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生損傷，可用挖裝機(jī)掏碎清除，這既可以減少孔口巖石的拋擲，又能減少對附近機(jī)械的破壞，保護(hù)了施工人員的安全。距孔口300 mm處爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波相互疊加，對徑向巖石進(jìn)行破壞，使各炮孔之間相互貫通，巖石被切割成較小塊體后形成環(huán)向的破碎區(qū)，并在動能作用下向自由面拋落；距孔口1 100 mm處屬于炸藥集中區(qū)，周圍巖石破碎最為劇烈，炮孔之間完全貫通；距孔口1 100～1 800 mm處，周圍巖石破碎后巷道輪廓清晰，炮孔之間的巖石均已完成切割；距孔口1 800～2 000 mm處，由于底部藥量減少，巖石內(nèi)部雖已被爆破，但其損傷度較低，挖裝機(jī)無法實(shí)現(xiàn)破碎清除。

由圖12(b)可知，爆破后巖體整體損傷區(qū)域光滑平整，對巷道擾動較小，爆破形成的輪廓軌跡滿足現(xiàn)場的施工要求。

由上述2個(gè)方案的爆破模擬效果分析可知，采用優(yōu)化后的方案，不僅總炸藥用量減少，而且大幅提高了巖體的破碎范圍和破碎程度，極大地破壞了巖體的完整性，使爆炸產(chǎn)生的裂紋在巖體內(nèi)連接而切割了巖體，為后續(xù)爆破提供了新的自由面，并增加了巷道掘進(jìn)的進(jìn)尺深度，滿足了巖巷掘進(jìn)的要求。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為趙家寨礦14206工作面底抽巷，采用優(yōu)化后的裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置方式。在實(shí)際施工中，由于巖體為非理想均質(zhì)的彈性體，其含有原生裂隙和孔隙等，在爆破后水炮泥受高壓沖擊，水進(jìn)入裂隙和孔隙中形成“水楔”，提高了巖石被爆后的破碎范圍，優(yōu)化后的巷道掘進(jìn)進(jìn)尺為1.8 m，炮孔利用率為90%。優(yōu)化前后爆破效果對比如圖13所示，采用優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置后，在水炮泥的黏滯作用下，爆破后的孔底光滑平整，無超欠挖發(fā)生。

圖13 優(yōu)化前后爆破效果對比Fig.13 Comparison of blasting effects before and after optimization

5 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬了單孔爆破水間隔裝藥結(jié)構(gòu)，合理的裝藥結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生與等長裝藥大致相同的損傷區(qū)域，且使能量得到較為合理的利用，減少炸藥用量；孔底水炮泥有效減弱了應(yīng)力波對孔底的沖擊，縮小了孔底損傷范圍，防止了施工現(xiàn)場超挖現(xiàn)象的發(fā)生。

(2) 由全斷面分段裝藥爆破數(shù)值模擬結(jié)果可知，裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置優(yōu)化改進(jìn)方案相較于原方案，爆破后巖體整體損傷區(qū)域光滑平整，對巷道擾動較小，爆破形成的輪廓軌跡能夠滿足現(xiàn)場的施工要求，且減少了炸藥損耗，節(jié)約了施工成本。

(3) 以趙家寨礦14206工作面底抽巷為試驗(yàn)地點(diǎn)，采用優(yōu)化后的裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置方式?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的炮孔利用率達(dá)到了90%，單次進(jìn)尺可達(dá)1.8 m，且爆后掘進(jìn)面平整光滑，無超欠挖現(xiàn)象發(fā)生。