巷道掘進(jìn)中爆破對(duì)鄰近巷道圍巖及支護(hù)的影響

魏 凱，朱殿瑞

(1．潞安集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000;2．太原重型機(jī)械集團(tuán)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(jī)樓0210實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

井巷掘進(jìn)是煤礦開采中的重要工作，鉆爆法是這項(xiàng)地下工程中的主要方法之一。火藥在爆炸過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(shí)，也會(huì)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(dòng)載作用對(duì)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(hù)參數(shù)非常必要。由于影響因素較多，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問題的研究不甚理想。本文利用巖體爆破損傷斷裂機(jī)理對(duì)鄰近巷道圍巖在爆破動(dòng)載作用下的損傷破壞進(jìn)行分析，結(jié)合巷道的支護(hù)理論，對(duì)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 巷道支護(hù)概述

空間開挖后，圍巖的破壞分為四個(gè)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(hù)期間內(nèi)不會(huì)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(hù)主要針對(duì)Ⅱ區(qū)［1］。

目前，巷道支護(hù)主要有錨桿支護(hù)、金屬支架支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)及混合支護(hù)(如錨噴支護(hù))幾種。錨噴支護(hù)提高了圍巖的整體性，加強(qiáng)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(hù)的機(jī)理。

錨噴支護(hù)是將錨桿、噴射混凝土及金屬網(wǎng)組合起來的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)組合緊貼圍巖，封閉巖體裂隙，改變圍巖應(yīng)力場(chǎng)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(gè)新的整體性承載體。錨噴支護(hù)主要以錨桿支護(hù)為理論基礎(chǔ)，錨桿支護(hù)理論有懸吊理論、組合梁理論、壓縮拱理論、圍巖松動(dòng)圈理論等等［2］。

2 爆破對(duì)鄰近巷道圍巖的影響

2．1 爆破作用下巖石損傷斷裂機(jī)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(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度三種。研究表明，巖石的抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)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(jī)理很復(fù)雜，普遍認(rèn)為巖石的破壞主要是其固有裂紋的擴(kuò)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(rèn)為受爆炸波作用的裂紋數(shù)量和裂紋擴(kuò)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(kuò)展程度，T1表示裂紋擴(kuò)展系數(shù)，σg0為擴(kuò)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(dòng)載時(shí)，與動(dòng)載波相關(guān)分布的原生裂紋被激活并擴(kuò)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(jì)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(jì)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(duì)本爆破點(diǎn)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(yuǎn)小于抗壓應(yīng)力，巖石環(huán)向裂隙擴(kuò)展形成破碎區(qū);破碎區(qū)外，振動(dòng)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(dòng)區(qū)［1］。

爆炸對(duì)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(dá)自由面時(shí)，會(huì)從界面反射變?yōu)槔觳ā．?dāng)爆炸源距自由面較近時(shí)，反射拉伸波及環(huán)向拉伸合應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)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(yuǎn)時(shí)，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(shí)，釋放的能量被巖石吸收，只有巖石吸收能量達(dá)到巖石承受極限時(shí)，巖石表面開始產(chǎn)生鼓包、片裂、拋擲等。反之，巖石不會(huì)發(fā)生破壞。E為巖石爆破性能的重要指標(biāo)。

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(duì)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?jī)?chǔ)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(kuò)大使能量密度降低，巖石質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(jì)往往會(huì)考慮對(duì)鄰近巷道的影響，故爆破工程產(chǎn)生的爆炸波對(duì)原有巷道的影響主要集中在地震波部分，故主要對(duì)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(hù)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(dòng)，由橫波和縱波組成，后者在介質(zhì)表面或分界面?zhèn)鲃?dòng)，分為勒夫波和瑞利波。振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間是表征地震波的主要參數(shù)［1］。

振幅A表征地震波的強(qiáng)度，一般通過測(cè)量振動(dòng)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(huì)破裂掉落。與振動(dòng)頻率f對(duì)應(yīng)的頻譜特性也是分析地震波的一個(gè)重要指標(biāo)，實(shí)測(cè)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(kuò)展，應(yīng)力場(chǎng)加強(qiáng)。

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(qiáng)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(yán)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(cè)得的主頻基本相同，主頻穩(wěn)定。當(dāng)爆炸藥量大時(shí)，由于爆炸反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，藥室正負(fù)壓激蕩時(shí)間延長(zhǎng)，爆源激發(fā)的地震波主頻處于低頻段。反之，藥量大時(shí)，主頻處于高頻段。距離小的時(shí)候，爆源深度增加，高頻率成分增加。

圖1 某實(shí)測(cè)地震波頻譜圖

式中k，α均為與爆破參數(shù)和地理?xiàng)l件相關(guān)的衰減系數(shù)，Q為裝藥量，R為振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)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(duì)支護(hù)的影響

根據(jù)對(duì)2號(hào)井左側(cè)大巷的工作情況分析，確定支護(hù)方式為錨噴支護(hù)，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(qiáng)度C20。錨桿數(shù)分析時(shí)對(duì)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(dòng)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(jì)表兩個(gè)測(cè)點(diǎn)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(chǎng)的大量數(shù)據(jù)表明，地震波能量與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相關(guān)性很大，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度越大，地震波的破壞程度越大。工程上常用振動(dòng)速度衡量地震波安全性，莎道夫斯基公式可用來計(jì)算地震波振動(dòng)速度v：

圖2 輸入X方向的動(dòng)載波速度時(shí)程曲線

表1 兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的FLAC分析值

通過比較分析巷道圍巖應(yīng)力分布圖及各測(cè)點(diǎn)的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)巷道頂部和底部圍巖在受到動(dòng)載作用時(shí)，相對(duì)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(shí)錨桿周圍巖石應(yīng)力集中增大。為了適應(yīng)爆破動(dòng)載對(duì)鄰近巷道影響情況，調(diào)整錨桿支護(hù)，采用10根錨桿及11根錨桿兩種情況對(duì)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(shí)，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(jì)方法設(shè)計(jì)的支護(hù)受爆破影響并不是很合理，考慮動(dòng)載作用調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)改善支護(hù)有較明顯的幫助。

4 結(jié)論

1)分析了巷道掘進(jìn)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(jìn)對(duì)已有鄰近巷道圍巖的影響情況。

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

3)整個(gè)研究過程可為新巷道掘進(jìn)中，爆破工程對(duì)鄰近巷道支護(hù)的影響分析提供借鑒，并為原巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

本模型采用上工作面巷道的遞進(jìn)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(shí)間，同時(shí)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_(dá)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(jì)效益增長(zhǎng)點(diǎn)。

［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(bào)，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(cè)［J］．煤炭工程，2011(4)：47－48．

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

［4］ 梁運(yùn)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(zhǎng)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．