大直徑中空眼在巖巷掘進中的應用

郝英劍

(河南焦煤能源有限公司九里山礦， 河南 焦作市 454000)

0 引言

煤礦開采中，巖巷掘進工程量、工期和投資均占相當大的比重，特別是煤與瓦斯突出礦井抽采瓦斯需要掘進大量的頂底板巖巷，加快巖巷掘進速度顯得尤為重要[1-3]。巖巷掘進工法主要有鉆爆法和綜掘法，鉆爆法在巖巷掘進中占據主導地位，但我國鉆爆法巖巷掘進進尺長時間徘徊在 60 m/月的水平。制約巖巷掘進的因素有很多，關鍵在于掏槽，因此，掏槽技術對巖巷掘進水平的提高及緩解采掘矛盾至關重要[4-6]。現階段炮眼深度以2.0 m左右為主，隨著煤炭開采強度的提高，對巖巷進尺的要求提高，探索孔深2.5 m以上的爆破技術是必要的[7]。但是，隨著炮眼深度的加大，炸藥爆炸后破壞巖體并拋擲形成槽腔的難度加大。為解決上述難題，通過數值模擬試驗并在現場試驗，使用了大直徑中空眼配合直眼掏槽，提高掏槽效率和掘進進尺。

1 大直徑中空眼直眼掏槽

掏槽眼的主要作用是順利導出中心巖石，為后續巖石爆破提供更大的自由面，同時，考慮到為掏槽眼人為增加自由面來保證掏槽效果。炮孔深度加大后，掏槽區周圍巖體對掏槽區巖體的夾制作用明顯增加，掏槽爆破更加困難[8-11]。為解決上述難題，在九里山礦使用了掏槽眼中間留不裝藥的大直徑空眼的方法，即預留中空眼。中間掏槽眼是一個直徑為146 mm的大空眼，如圖1所示，圖中涂黑表示中空眼位置。

圖1 大直徑中空眼直眼掏槽

使用大直徑中空眼在能夠達到順利掏槽的前提下，又降低了炸藥的消耗。另一方面，中空眼可以為爆破創造自由面，有效地縮減掏槽眼爆破抵抗線值，確保掏槽成功。

2 數值模型建立

采用 FLAC3D建立了大直徑中空眼的分析模型，以九里山礦16101底抽巷為工程背景，根據工程地質條件，模型外形尺寸為：長×寬×高=20 m×10 m×15 m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，斷面尺寸為：寬度4000 mm，巷道高度3500 mm，墻高1500 mm，大直徑中空眼直徑為146 mm，位置位于腰線以下300 mm，掏槽眼直徑為38 mm，4個掏槽眼與中空眼的間距為300 mm。采用摩爾-庫侖模型，模型頂部施加上部巖層等效載荷，16101底抽巷埋深為380 m，取上覆巖層的自重應力為11 MPa；本地區圍巖穩定，地質構造不復雜，煤層平整無褶皺，

側壓力系數取為1，即為11 MPa；模型左右兩邊界無水平位移；底部為固定約束，即在x、y、z方向位移為零；采用大應變的應變模式。開挖前先進行初始地應力平衡計算，然后施工中空眼和掏槽眼。巷道三維模型及網格劃分如圖2所示。

圖2 巷道三維模型

3 模擬結果與分析

根據在中空眼施工前后的數值模擬計算結果，從塑性區分布、圍巖應力分布、圍巖變形分布和截面上應力、位移分布等方面分析了大直徑中空眼施工前后所產生的影響。

3.1 施工中空眼前后塑性區分析

大直徑中空眼施工前后的塑性區分布圖如圖3所示，可以看出，在施工中空眼后，中空眼周圍出現了明顯的塑性區，并且周邊掏槽眼的塑性區也有擴大，這說明中空眼為掏槽眼爆破提供了額外的自由面，同樣對于2.8 m的掏槽眼來說，由于自由面的增加，使爆破后的炮眼利用率要優于無中空眼的情形。

圖3 塑性區分布

3.2 施工中空眼前后位移變化分析

（1）垂直位移。施工中空眼后，圍巖應力受到了破壞，圍巖向鉆孔方向變形。圖4的數值模擬結果顯示，在施工中空眼后，圍巖的垂直位移量顯著增加，位移分布也發生了變化，位移明顯圍繞中空眼分布，中空眼附近的位移量最大，然后向兩邊減少。從圖4（a）可以看出，位移變形的最大位置出現在腰線上掏槽眼周圍，然后位移向兩幫擴散，并且具有明顯的對稱性。與施工過中空眼后的位移分布明顯不同；施工中空眼后，位移分布沿中空眼上下由大變小，并且掏槽眼孔口周圍也出現了和圖4（a）一樣的位移量，對比分析充分說明，施工中空眼后，巷道巖石位移變形都向中空眼周圍變化。

圖4 垂直位移分布

（2）水平位移。施工掏槽眼和中空眼后，巷道內巖石的水平位移分布如圖5所示。在未施工中空眼的情況下，水平位移云圖呈環狀分布，最大位移出現在巷道腰線上的掏槽眼周圍，逐漸向外部變化減少。在施工中空眼后，水平位移分布發生明顯變化，4個掏槽眼的位移量明顯增大，并且不再是環形遞減分布，中空眼兩側巖體向中間變形。從水平位移分布能夠看出，施工中空眼后，水平位移向中空眼靠攏。

圖5 水平位移分布

從水平和垂直位移可以看出，中空眼能夠使圍巖變形更加向巷道中心變化，使得爆破力更加集中，進而提高了爆破的效率。

3.3 掏槽眼周圍應力分析

（1）垂直應力。掏槽眼和中空眼施工過后垂直應力分布如圖6所示。圖6（a）是無中空眼的垂直應力分布，從圖中可以看出，垂直應力無規律可尋，掏槽眼附近有拉應力出現，但是數值都不大，而且無明顯的方向性，即無明顯的作用力方向，向四處分散不能形成集中的拉應力。圖6（b）為有中空眼的垂直應力分布，從圖中可以看出，中空眼周圍出現了較大的拉應力，拉應力隨著遠離中空眼其值越來越小，拉應力能夠反映圍巖所承受的程度，拉應力越大圍巖越易破碎，拉應力范圍越大，其破壞范圍也越大。由圖6（b）可以看出，中空眼周圍隨著距離的增加，其拉應力也逐漸減少，最大應力出現在孔口周邊，在中空眼周圍呈環形分布，能夠和周圍掏槽眼應力曲線共同形成拉應力破壞區，爆破后的破壞效果明顯優于沒有中空眼的情況。

圖6 垂直應力分布

（2）水平應力。數值模擬水平應力的分布如圖7所示。由圖7（a）可以看出，4個掏槽眼周邊都出現了較大的水平拉應力集中現象，但都是各自相對獨立，未形成貫穿的拉應力集中帶。從圖7（b）可以看出，施工中空眼后，在中空眼附近形成了較大的拉應力集中帶，并且向周邊巖體分散，和掏槽眼周邊的拉應力集中區能夠相互貫通，擴大了拉應力區的范圍。

圖7 水平應力分布

3.4 X=0斷面模擬結果分析

X=0斷面即是巷道中心垂直線的斷面，該斷面橫切中空眼和上下兩個掏槽眼，該斷面上的位移和應力能夠反映中空眼施工過后對周圍巖體和掏槽眼的影響情況。

（1）位移分析。X=0斷面上的垂直位移如圖8所示。圖8（a）為無中空眼時的垂直位移分布圖，最大位移出現在掏槽眼上下，最大值為240 mm，并隨著遠離掏槽眼位移量逐漸變小。為了使爆破效果較好，輔助掏槽眼應當布置在距離掏槽眼 250 mm～500 mm之間為宜。圖8（b）為施工中空眼后斷面的垂直位移分布圖，可以看出，掏槽眼的影響范圍包含在中空眼的影響范圍內，這說明掏槽眼爆破前已經形成了一定量的活動空間，掏槽眼爆破的效果要優于無中空眼的情形。

圖8 X=0斷面垂直位移分析

（2）應力分析。X=0截面垂直應力分布如圖9所示。圖9（a）為無中空眼時的垂直應力分布，圖9（b）為有中空眼時的垂直應力分布。截面上的垂直應力分布和位移分布相似，有中空眼后其垂直應力分布范圍較廣。

圖9 X=0斷面垂直應力分析

4 工程實例

16101 底抽巷位于16采區西翼，巷道原采用楔形掏槽，掏槽眼深度為1.9 m，其他炮眼深度為1.8 m，爆破循環進度為1.6 m，全斷面爆破的炸藥消耗總量為26 kg，雷管消耗68發，單位炸藥消耗16.25 kg/m。月掘進進尺86 m。

改進后采用大直徑中空眼直眼掏槽，每班采用3臺風鉆同時打眼，實行多機作業，采用長度3.0 m的鉆桿進行炮眼施工，掏槽眼深度不小于 2.7 m，其它眼深度不小于2.5 m，循環進尺提高到2.2 m，全斷面爆破炸藥消耗總量為32.4 kg，雷管消耗72發，單位炸藥消耗15.55 kg/m。月進尺118 m，提高了約40%，縮短了約2.4個月生產時間，節省人工工資43萬元、設備租賃費0.45萬元、電費2.3萬元計算，共節約109.8萬元。

5 結論及建議

（1）大直徑中空眼能夠提高炮眼的利用率，提高巖石爆破效果和炮眼利用率，減少單位炸藥消耗量和圍巖結構破壞程度。

（2）通過理論分析與現場試驗，優化、確定大直徑中深孔直眼掏槽爆破技術的相關參數。

（3）選擇合理的爆破參數，改善該巖巷掘進爆破效果，實現快速掘進和光面爆破。掏槽眼爆破范圍更大，爆破效果更好，能夠提高爆破的效率，爆破循環進尺達到2.2 m以上，為實現快速掘進、降低成本提供了可靠的技術支持。

（4）施工超前中空眼能夠提前探測掘進工作面前方的地質情況，為安全掘進提供保障。