煤礦巖巷爆破掘進周邊質量控制技術研究

彌壯壯，張向榮，李 剛，陳帥志，趙志偉，康一強

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083； 2.中煤第五建設公司第一工程處，江蘇 徐州 221000)

目前，煤礦巖巷快速掘進大多使用鉆爆法進行施工，該方法易于操作，對圍巖和設備要求比較低。掏槽技術是巖巷爆破技術的關鍵，炮眼利用率的提高和周邊成型達到光面爆破水平是巖巷快速掘進的保障，而楔形掏槽是使用較多且效果較好的一種掏槽技術[1]。超欠挖現象是巖巷快速掘進時經常遇到的問題，它的存在一定程度上制約著巷道的成型質量和掘進效率的提升[2]。針對這一問題，許多學者提出了切槽孔爆破、異形藥包爆破和切縫藥包爆破定向斷裂控制爆破技術。其中切縫藥包易于制作、成本較低、操作方便，在現場應用較為方便，因此在巖巷控制成型方面有著廣泛的應用。楊仁樹等[3]為了對切縫藥包定向斷裂機理有更深的認識，把有機玻璃作為試驗的模型材料，使用高速攝影技術和新型數字焦散線系統對切縫藥包在不同情況下爆炸時裂紋擴展的規律進行了系統研究；陳程等[4]對因爆炸形成的先爆炮孔產生定向裂紋缺陷的動態行為進行了研究；羅勇等[5]通過模型試驗驗證了切縫藥包爆炸時能量有方向的集中，有效地控制了裂紋的擴展方向，并設計了爆破參數；張志雄等[6]通過實驗室模型試驗確定了切縫藥包的不耦合系數、切縫管參數，并在現場對爆破參數進行了驗證。

1 切縫藥包作用原理以及爆破過程

切縫藥包是在具有一定強度和密度的藥包外殼上加工出一定角度、特定形狀和數量的切縫。它的爆破原理是通過切縫控制爆炸應力場的分布和爆生氣體對介質的準靜態作用，最終達到定向控制爆破開裂方向。在非切縫處，爆轟產物直接沖擊其外殼表面，由于爆轟波陣面上產物的密度小于外殼的密度(塑料等)，且爆轟產物的壓縮性普遍大于外殼的壓縮性，因此爆轟產物就會在該表面產生反射沖擊波，衰減后的透射波對于孔壁的有效能量得到極大的削弱，很大程度上降低了切縫區域孔壁產生徑向裂縫的可能。在切縫管上由于切縫的存在，爆轟產物將會直接作用于切縫方向上的孔壁巖石。爆轟產物能流比較集中，若被爆介質的臨界沖量密度小于爆轟產物的沖量密度，就會在炮孔壁上產生破裂，初始裂隙預先形成。此外，由于阻礙作用，其他方向的爆轟產物都往切縫方向集中，這就使得切縫方向的破壞程度加強。另外，由于爆生氣體的準靜作用，使因推動作用下已形成的徑向裂縫繼續擴展。

切縫藥包爆破過程大體上分為三個步驟：一是炸藥開始起爆到切縫管內炸藥爆炸徹底；二是爆炸形成的沖擊波與巖體的相互作用使得切縫管外初始裂隙預先形成；三是爆生氣體促使初始裂縫繼續向外擴展，同時由于熱和沖擊的共同作用，管壁破壞。

2 基于LS-DYNA的切縫藥包爆破數值模擬分析

2.1 有限元模型建立

切縫藥包數值模型由巖體、空氣、切縫管、炸藥組成，采用單炮孔形式。巖體模型尺寸為250 mm×250 mm，模型中心是炮孔，孔徑為10 mm，炸藥直徑為6 mm，不耦合系數為1.67。炸藥與切縫管緊貼，切縫管厚度為1 mm，縫寬為1 mm。由于試驗中可以將其處理為平面情況，模型厚度取1 mm。為滿足實際巖體無邊際情況，模型邊界設置為無反射邊界，施加透射條件。炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，使用JWL狀態方程模擬爆轟過程中壓力和比容的關系。巖石采用JHC材料模型進行模擬。切縫管在炸藥爆炸過程中被擠壓至炮孔壁并發生破壞，動態力學行為較為復雜。切縫管簡化為彈塑性材料采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。模型平面結構見圖1，材料物理力學參數見表1。

圖1 模型平面結構圖Fig.1 Model plane structure diagram

表1 材料物理力學參數
Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

材料密度/(kg/m3)爆速/(m/s)C-J壓力/GPa彈性模量/GPa泊松比屈服強度/MPa炸藥1 6403 90027---巖石2 800--350.2780

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 爆炸過程時程分析

炸藥從起爆到傳播至炮孔壁壓力分布云圖如圖2所示。由圖2可知，在0.448 μs時炸藥內爆炸過程結束，爆轟產物在切縫處聚集并出現尖端狀應力分布，切縫處出現應力集中現象，此外，在爆轟產物的作用下，切縫管向外擴張；在1.048 μs時，爆炸沖擊波達到切縫炮孔壁，切縫方向的巖石形成初始尖端狀裂紋；在1.849 μs時，非切縫處的炮孔壁才出現爆炸應力波且此時非切縫處應力大小明顯小于切縫處，極大地降低了非切縫處裂紋擴張的可能；在2.148 μs時，由于爆生氣體的推動作用，切縫管與破孔壁接觸，形成侵蝕破壞。

圖2 爆炸過程應力分布云圖Fig.2 Stress distribution cloud map of the explosion process

綜述所述，由于切縫管的存在，炸藥的爆轟產物開始集中在切縫處；當爆炸應力波到達切縫方向的炮孔壁后，初始裂紋就在切縫方向的巖石中形成，應力較非切縫方向明顯，切縫藥包定向斷裂效果明顯。

2.2.2 炮孔壁壓力值分析

在切縫藥包切縫方向及垂直切縫方向炮孔壁附近各選取一個特征空氣單元，獲得壓力時程曲線，如圖3所示。

圖3 炮孔壁特征單元壓力時程圖Fig.3 Time history diagram of the characteristic wall ofthe blasthole wall

圖3中A、B曲線分別代表切縫方向和垂直切縫方向炮孔壁空氣特征單元壓力時程曲線。由圖3可知，切縫方向在0.899 μs時達到應力峰值，時間比垂直切縫方向快1.4 μs。由于切縫方向先達到應

力峰值，切縫方向巖石預先形成初始裂隙，在后續爆生氣體的作用下充分擴展，實現定向斷裂的目的。在切縫藥包切縫方向壓力峰值比垂直切縫方向壓力峰值大0.15 GPa，聚能效果明顯。

綜上所述，切縫管有效地阻擋了爆生產物的釋放，使得能量沿著切縫方向提前聚集釋放，加強了對切縫方向巖石的作用，并且在一定程度上避免了非切縫方向巖石的破壞。

3 現場試驗研究

3.1 工程概況

寺家莊礦南一盤區北回風巷位于15#煤上7～10 m，巖性為灰色中砂巖，硬度f=6～8。直墻半圓拱斷面，掘進寬度為6 m，掘進高度為5.1 m，斷面積為26.7 m2。施工隊伍是現有人員53人，其中掘進工35人，電工和檢修人員10人，其他人員8人，采用“三八制”作業。

3.2 光面爆破參數

該回風巷采用楔直復合掏槽的方案，掏槽眼深度為2.4 m，其他炮孔深度為2.2 m，進尺為1.8～2.1 m，平均為2 m，炮孔利用率為91%。兩天三循環(3 m/d)。爆破方案參數見表2。

表2 爆破方案參數表Table 2 Blasting plan parameter table

注：雷管采用130毫秒延期電雷管，共119發，連線方式為串并聯，單耗1.52 kg/m3；若巖性發生變化，及時調整爆破參數

3.3 切縫管參數和現場裝填方案

3.3.1 切縫管參數

現場根據炸藥的尺寸和類型，采用外徑為40 mm，內徑為36 mm，壁厚為2 mm的阻燃抗靜電硬質PVC管材作為切縫管的材料，單根成品切縫管價格是5元。

3.3.2 切縫藥包現場裝填方案

在切縫管中裝入三卷乳化炸藥并填入炮泥封堵完成切縫藥包的制作；將切縫藥包裝入炮孔時，要求切縫方向沿巷道輪廓線方向，用炮棍緩慢將切縫藥包推入炮孔頂部，防止切縫藥包裝入方向變化；裝入切縫藥包后，繼續填入炮泥進行封堵。

3.4 等藥量、等間距切縫藥包爆破的現場試驗

試驗方案采用對比試驗，周邊眼間距及位置按照爆破圖表設計進行，巷道中心左邊部分周邊眼裝填切縫藥包，右邊部分周邊眼裝填普通藥包。左右兩邊炸藥量相同。

試驗結果表明等藥量、等間距的情況下，左、右兩邊周邊成型質量差異較大。左邊光面成型好且光滑，超挖在50 mm之內，半眼痕明顯，半眼痕率達93%；右邊成型較差，出現超欠挖，平均為200 mm。對比試驗效果見表3。

表3 對比試驗結果Table 3 Comparison of experimental results

3.5 等藥量、大間距切縫藥包爆破現場試驗

試驗方案采用對比試驗，巷道中心左邊部分周邊眼裝填切縫藥包，周邊眼間距增大100 mm為500 mm；右邊部分周邊眼裝填普通藥包，周邊眼間距及位置按照爆破圖表設計進行。左右兩邊炸藥量相同。

左邊周邊眼間距增大，采用切縫藥包爆破，爆破效果明顯優于右側普通藥包，光面成型良好、光滑平整，超挖在50 mm之內，半眼痕明顯，半眼痕率達85%；右邊爆后巷道輪廓參差不齊，圍巖破碎不平，出現超欠挖，平均為200 mm，殘留半眼痕少，對比試驗效果與3.4部分試驗結果基本一致。

試驗證明：巖巷周邊眼爆破中采用切縫藥包定向斷裂爆破能減少炸藥使用量，且成型更好，有效提高了周邊爆破質量。

4 結 論

1) 使用切縫藥包進行控制爆破，能夠大大增加半眼殘痕條數，眼痕率比普通爆破提高70%左右。

2) 以阻燃抗靜電硬質PVC管材為原材料的簡易切縫藥包在巖巷快速掘進中能起到提高巷道成型質量的效果，超欠挖量少，雷管、炸藥單耗、噴漿量、鋼筋網消耗量、輔助作業時間等方面有效減少，能為企業帶來可觀的效益。

3) 數值模擬分析和現場試驗效果的結論一致，充分證實了切縫藥包對于巷道成型質量的控制效果明顯，具有一定的理論意義和現實意義。