角柱形掏槽孔布置及毫秒延時爆破效果分析與應用

段寶福 柴明星 張正欣 孫宗軍

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院,山東 青島 266590;2.山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東 青島 266590;3.青島瑞翰科技集團,山東 青島 266061)

鉆爆法作為巖巷掘進中的主要技術,對巷道掘進效率的提升有重要影響。特別是在中深孔爆破掘進中,直眼掏槽的爆破進尺和效率高于斜眼掏槽,而在多數工作面受限的巷道中,直眼掏槽更是主要的掏槽方式[1]。

為了提高巷道掘進效率,不少學者對含空孔直眼掏槽爆破進行了深入研究。LANGEFORS等[2]總體分析了直眼掏槽的碎巖機理,構建了空孔直徑影響爆破作用的半理論半經驗公式。STEPANOV等[3]通過理論和模型試驗,探究了同時起爆平行炮孔的爆破效果,得到了該種爆破方式下的最大碎巖范圍。SHAPIRO等[4]對不同形狀的掏槽爆破技術進行了分析,得出了最佳形狀的掏槽孔布置方案。李洪偉等[5]通過電子雷管的模型試驗,研究了直眼掏槽爆破掏槽孔與輔助孔間延期時間對掏槽爆破效果的影響,給出了孔間最佳延期時間范圍,并通過對直眼掏槽爆破過程進行數值模擬,驗證了最佳延期時間。王遠來等[6]針對直眼掏槽孔打孔數量過多的問題,通過理論分析確定了炮孔和空孔間距的取值范圍,通過數值分析和工程實例得出空孔處應力集中的變化規律,并給出適用的炮孔直徑和孔間距。汪平[7]開展了單空孔直眼掏槽爆破、三空孔直眼掏槽爆破和三空孔直眼掏槽爆破改進共3種方案的現場爆破效果對比試驗,試驗結果表明:適當提高空孔的數量,增大掏槽爆破的補償空間,可顯著提高巷道爆破掘進效率。范興俊[8]對直眼掏槽爆破的各種形式進行了總結,依據爆轟波理論和爆轟波衰減規律設計了九孔菱形中部間隔裝藥的掏槽方式,并結合LS-DYNA數值模擬方法進一步確定了該方式的粉碎圈和裂隙圈范圍,從而驗證了掏槽方式的可行性。

現有研究大多傾向于掏槽孔爆破半徑和破碎機理,在角柱形掏槽孔間距、布孔方式和起爆方式分析方面有待進一步深入。本研究通過理論推導,得出了理論最適宜孔間距,據此建立不同孔間距、不同布孔方式和不同起爆方式的數值模型,并結合工程實例進行了綜合分析,分析結果有助于提高巖巷掘進效率和經濟效益。

1 最適宜爆破孔和空孔間距理論計算

現階段,常用計算裂隙的經驗公式為

式中,R′L為裂隙圈半徑,mm;rb為爆破孔半徑,mm;Pd為不耦合裝藥爆腔壓力,Pa;ST為巖石抗拉強度,Pa;α1為應力波衰減系數;λ為側向應力系數,可進行如下計算

式中,μd為動態泊松比;μ為靜態泊松比。

式(1)、式(2)中相關參數取值見表1。

表1 巖石材料相關參數Table 1 Parameters related to rock materials

式(1)中,Pd可進行如下計算:

式中,ρ0為炸藥密度,kg/m3;D為炸藥的爆轟速度,km/s;D炮為炮孔直徑,mm;D藥為藥卷直徑,mm;n為壓力增加系數。

確定爆破孔和空孔間距還需要考慮空孔處的裂隙區,即[9]:

式中,σ孔為孔壁切向應力,N;Rr為反射拉伸波形成的裂隙半徑,mm。

在工程實踐中,掏槽孔的最優參數需要滿足多種因素和限制條件,方可適應復雜的工程環境。為有效防止碎石填滿空孔,導致能量浪費,并滿足補償空間理論[10]的要求,本研究考慮到爆破孔和空孔的最小間距,計算公式為[11]

式中,R1為考慮巖石碎脹的爆破孔和空孔間距,mm;rd為空孔半徑,mm;h為裝藥系數,即裝藥長度與炮眼長度之比,一般取0.7[12];K為巖石膨脹系數。

通過式(5)計算,能夠得出符合補償空間理論的爆破孔和空孔間距,依據該式得出的限制間距,有助于進一步獲得最適宜間距取值。

2 直眼掏槽爆破數值模型

2.1 工程背景

本研究以山西天地王坡煤業有限公司3206高抽巷為例進行分析。該巷道設計長度為2 162.5 m,是3206工作面瓦斯抽放專用巷。3206高抽巷斷面形狀為矩形,巷道掘進斷面寬3.5 m、高3.4 m,掘進斷面面積11.9 m2。工作面巖石以石英砂巖和砂質泥巖為主,堅固性系數為4～8,屬中硬巖石。

結合巷道基本情況以及表1,得出R′L=264 mm,Rr=68 mm,R1=111 mm。進一步計算得,Rmax=R′L+Rr=332 mm,Rmin=111 mm。本研究選擇R=Rr+R1=179 mm作為最適宜間距,是因為該值處于最大和最小值范圍內,滿足補償空間理論等因素的限制條件,作為最適宜間距最為合適。

對于理論得出的最適宜間距還需要多種方式進一步驗證其適用性。因此假定最適宜間距為179 mm,運用數值模擬軟件建立多種數值模型進行分析,在此基礎上,結合工程實際爆破效果予以評價。

2.2 數值模型參數和尺寸選擇

數值模型為邊長1 000 mm、高10 mm的立方體,采用solid164單元類型,巖石和空氣部分占據整個模型,爆破孔和空孔直徑均為42 mm,模型網格按照10 mm劃分,四周設置無反射邊界,約束上下面的豎向位移。

爆破孔和空孔的最小間距采取140、170、200、230 mm 4種間隔,根據不同的延時次數,又分為同時起爆、兩段毫秒延時起爆和三段毫秒延時起爆3種情況,并且每種延時情況又分為多種布孔方式,如圖1～圖3所示。理論上說,雖然空孔直徑越大越好,但是為了施工方便,本研究使空孔和爆破孔的直徑相同。對于同時起爆,圖1中,模型1橫向爆破孔間距是縱向爆破孔間距的2倍,模型2橫向和縱向爆破孔間距均相同。對于兩段毫秒延時起爆,模型1、模型2與圖1中模型相同,起爆方式不同;模型3炮孔間距相同,炮孔間距為炮孔和空孔間距的2倍;模型4爆破孔與模型3相同,空孔的橫縱距離均為爆破孔間距的1/2。對于三段毫秒延時起爆,模型1、模型2與圖2中模型3、模型4相同,起爆方式不同。

圖1 同時起爆模型Fig.1 Simultaneous detonation models

圖2 兩段毫秒延時起爆模型Fig.2 Two-segment millisecond delay initiation models

圖3 三段毫秒延時起爆模型Fig.3 Three-segment millisecond delay initiation models

2.3 材料參數及本構方程

模型采用多物質流固耦合(ALE)算法,其中將炸藥和空氣部分作為流體處理,巖石部分作為固體處理。相互作用采用*constrained_lagrange_in_solid[13]關鍵字來設定。巖石本構方程選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,該模型可描述各向同性硬化和隨動硬化塑性模型,還可以考慮應變率的影響,適用于梁、殼和實體單元,計算效率很高。巖石材料的具體參數取值見表2。炸藥計算模型采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,為了保證炸藥順利起爆設定炸藥的狀態方程為*EOS_JWL,炸藥材料和狀態方程的具體參數取值見表3。空氣材料選擇*MAT_NULL,其狀態方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL[14-15],空氣材料的具體參數取值見表4。

表2 砂巖基本物理力學參數Table 2 Basic physical and mechanical parameters of sandstone

表3 JWL狀態方程參數Table 3 Parameters of JWL state equation

表4 空氣材料和狀態方程參數Table 4 Air material and equation of state parameters

2.4 數值計算模型可靠性驗證

數值模型建立后需驗證其可靠性,確保模擬結果能夠有效反映基本爆破機理[16]。在爆破孔和空孔連接方向均勻地選擇7個測點,得出的振動速度與薩道夫斯基公式理論解對比如圖4所示。

圖4 振動速度數據對比曲線Fig.4 Comparison curves of vibration velocity data

由圖4可知:數值計算解和理論公式得出的結果變化趨勢基本一致,后者總體上小于前者,原因在于實際工程中巖層中存在多種裂隙和不同巖層等多種因素的影響,這些因素能夠有效降低振動效應,起到了類似減震溝[17-18]的減振效果,但總體變化趨勢一致,且結果相差不大,因此使用該模型模擬爆破具有一定的可靠性。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 不同間距對比

依據含空孔掏槽爆破巖石的開裂機理,結合數值模擬計算,從中能夠得出同類型布孔方式條件下,不同間距的對比方式。本研究主要分析空孔被填滿情況、爆破孔和空孔連接處測點的有效應力和最終裂隙擴展情況。由于篇幅有限,故以同時起爆模型1(圖1(a))為例,分析間距判別方法。

3.1.1 空孔被擠壓程度

同時起爆模型1各間距空孔處的應力分布特征如圖5所示。

圖5 同時起爆模型1各間距空孔處應力分布Fig.5 Stress distribution at each spacing empty hole in No.1 simultaneously detonate model

由圖5可知:在140 mm間距中,空孔在150 μs時被碎石填滿,空孔被完全擠壓;對比170 mm間距的空孔,雖然所剩空孔的體積很小,但是滿足了補償空間理論,且所用時間也較長,說明相比于140 mm間距,170 mm間距優勢更為明顯,但是為了防止后續爆生氣體的二次氣楔作用所產生的碎巖將剩余的空間填滿,因此有必要對此間距做進一步分析;200 mm間距的空孔剩余體積較大,約占原來的1/4,剩余的體積較多,且對比170 mm間距情況所用時間僅僅推遲了10 μs,雖然保證了空間被完全占據,但是所剩空間過大;由于230 mm間距所示的空間甚至小于200 mm間距的空間,故直接排除。由此可以推出較為優勢的間距為170～200 mm,并排除140 mm間距的情況,這與理論公式所得數據相近。

3.1.2 爆破孔和空孔連接處測點的有效應力

在模型爆破孔和空孔連接方向均勻布置7個測點,得到有效應力的時程曲線。將各個曲線的穩定有效應力進行統計,而后篩除小于砂巖抗拉強度的應力值,取7個應力值的平均值作為該間距的有效應力,再對比4種間距的有效應力,從中取最小值即可作為較優應力,具體數據曲線如圖6所示。

圖6 同時起爆模型1有效應力隨間距變化曲線Fig.6 Variation curve of effective stress with distance for No.1 simultaneous detonation model

由圖6可知:有效應力隨著間距的變化先下降后增長再下降,變化起伏較大;在170 mm處達到最低值,該處有效應力大于砂巖的抗拉強度且又處于曲線的最低值,因此符合最適宜條件。

3.1.3 裂隙擴展情況

1 000 μs時,同時起爆模型1的最終裂隙分布特征如圖7所示。

由圖7可知:所有情形下的裂隙均延伸出了邊界,最終所有孔均貫通。其中200 mm間距的裂隙范圍明顯少于其他情況,230 mm間距的裂隙在空孔周圍沒有很好地粉碎,裂隙較少。而140 mm間距和170 mm間距兩種情況均在空孔處具有較好的粉碎效果,但由于排除了140 mm間距的情況,所以170 mm間距的情況較好。

3.1.4 最適間距

綜合3種判斷方法,只有170 mm間距的情況最為突出,因此在此種布孔方式下,170 mm為最適宜間距。

最終通過32組應力波分析和32組裂隙擴展情況分析,得出各模型的最適宜間距取值見表5。

表5 各模型最適宜間距Table 5 Optimal spacing of each model mm

3.2 不同布孔方式對比

由3.1節得出各種布孔方式的最適宜間距后,通過對比相同起爆段數的模型,能夠得出最優布孔方式,本研究以兩段毫秒延時起爆模型(圖2)為例進行分析。

3.2.1 爆破孔和空孔連接處測點的有效應力

兩段毫秒延時模型間距的有效應力隨間距的變化曲線如圖8所示。

圖8 兩段毫秒延時起爆各模型有效應力隨間距變化曲線Fig.8 Variation curves of effective stress with spacing of each model of two-segment millisecond delay initiation

由圖8可知:各模型的最適宜孔間距均選擇為曲線中的最小值(表5),并且均符合在大于砂巖抗拉強度的基礎上取最小值的條件。因此,本研究在此基礎上直接對比各模型最適宜孔間距的有效應力最小值,發現模型4中170 mm間距為最適宜孔間距,并且該模型的有效應力整體較小。

3.2.2 裂隙擴展情況

1 000 μs時,兩段毫秒延時爆破模型中的最適宜間距裂隙擴展情況如圖9所示。

圖9 兩段毫秒延時起爆各最適宜間距最終裂隙分布Fig.9 Distribution of the final cracks at each optimal distance between two-segment millisecond delay initiations

由圖9可知:模型2的裂隙開裂范圍最小,模型3最大,模型1開裂范圍呈長方形分布,模型2開裂范圍集中在空孔處,模型3和模型4開裂范圍呈菱形分布。巖石碎裂程度方面,模型3和模型4巖石已經粉碎,而模型1中存在較大的巖層,模型2巖石粉碎程度太高,范圍過小,說明用于粉碎空孔附近處巖石的能量過剩,能量分布不均勻。因此綜合分析,模型3和模型4較優,再結合有效應力分析,模型4最優。

3.2.3 最優布孔方式

依據上述分析方法得出各模型的最優布孔方式為同時起爆模型1(圖1(a))、兩段毫秒延時起爆模型4(圖2(d))和三段毫秒延時起爆模型2(圖3(b))。

3.3 不同起爆順序對比

按照3.2節得出各種起爆方式的最優布孔方式后,通過對比不同起爆時間的模型,能夠得出最優起爆方式。

3.3.1 爆破孔和空孔連接處測點的有效應力

3種最優布孔方式的有效應力隨間距的變化曲線如圖10所示。

圖10 不同起爆順序下各模型有效應力隨間距變化曲線Fig.10 Effective stress variation curves of each model with spacing under different initiation sequences

由圖10可知:模型4和模型2的變化趨勢均為先下降后上升,模型1的變化較為波動,呈先下降后上升再下降的變化規律。模型1有效應力整體較大,因此直接排除;模型4的有效應力均小于模型2,因此兩段毫秒延時起爆模型4較優。

3.3.2 裂隙擴展情況

1 000 μs時,170 mm孔間距下同時起爆模型1、兩段毫秒延時起爆模型4和三段毫秒延時起爆模型2的裂隙擴展情況如圖11所示。

圖11 最優模型間距裂隙分布Fig.11 Distribution of cracks with optimal model spacing

由圖11可知:模型4和模型2在空孔附近處裂隙較為密集,開裂情況較好,模型1空孔附近裂隙相對較少且不夠密集。在外部相鄰爆破孔開裂情況中,模型1開裂較差,甚至部分沒有開裂,而模型4和模型2雖然裂隙不多也并未向外擴展,但是在該處形成了一定的破碎,裂隙呈菱形分布,通過分析可以排除同時起爆模型1。模型4和模型2的內部裂隙開裂都較為均勻,對于兩者需進一步開展適宜性分析,但兩者均采用相同的布孔方式,故可以認為該布孔方式最優。

3.3.3 最優模型

由上述分析可知:兩段毫秒延時起爆模型4和三段毫秒延時起爆模型2為較優解,兩者為同種布孔方式、不同起爆方式,再結合3.3.1節分析可知,模型4的有效應力較優,因此得出最優起爆順序為兩段毫秒延時起爆,最優布孔方式為兩段毫秒延時起爆模型4,最適間距為170 mm。該結論與第1節理論公式推導出的結果相差不大,在工程實踐中可以適當調整孔間距。

4 工程實例分析

4.1 爆破參數設計

依據2.1節的工程背景,新方案以兩段毫秒延時起爆為最優起爆順序,兩段毫秒延時起爆模型4(圖2(d))為最優布孔方式,170 mm為最適宜間距,(其他爆破參數與舊方案相同);舊方案的掏槽方式為兩段毫秒延時起爆模型2(圖2(b))。新方案炮孔布置如圖12所示,工作面各類炮孔參數取值見表6。

圖12 炮孔布置示意(單位:mm)Fig.12 Schematic of the layout of blasting holes

表6 巷道爆破參數Table 6 Blasting parameters of roadway

4.2 爆破效果分析

通過對比新舊方案的爆破效果,進一步探討新方案能否提高巖巷掘進效率,現場實踐效果如圖13至圖15所示。

圖13 現場炮孔布置Fig.13 On-site blasting holes layout

圖14 巷道掘進效果Fig.14 Excavation effect of roadway

圖15 新舊方案爆破效果對比Fig.15 Comparison of the blasting effects of the new and original schemes

由圖13和圖14可知:現場根據理論模型和數值模型設置了相同的布孔方式和間距,掘進深度也符合預期,巷道成型完整,沒有出現超欠挖現象。由圖15可知:新方案的矸石更小,破碎更完全,舊方案矸石較大,但兩者的碎石大小均在可接受范圍內。

新舊方案的巷道主要爆破條件和技術經濟指標對比見表7。

表7 新舊方案主要爆破條件和技術經濟指標Table 7 Main blasting conditions and technical and economic indicators of the new and original schemes

結合表7分析可知:在施工措施和巖層相同的條件下,通過5次爆破掘進試驗,新方案與舊方案相比,平均爆破進尺增加了0.17 m,炮孔利用率提高了5%,槽腔體積增大了1.35 m3,單循環出巖量增加0.5 m3,可見新方案能夠有效提高巖巷掘進效率。在爆破耗材方面,掏槽藥量降低0.7 kg,每循環消耗炸藥量降低2.66 kg,炸藥單耗降低0.11 kg/m3,每米巷道消耗雷管降低1.7個,反映出新方案不僅提高了掘進效率,還大大降低了爆破耗材,提高了經濟效益。兩種方案中巖石爆破均比較充分,工作面巖石碎塊均勻,大塊率較低。多次爆破中除了個別出現少量大塊外,巖石均比較集中,大小處于較易拋擲的范圍,大幅降低了人工清矸的工作量。

4.3 峰值振動速度對比

在距離工作面300 m處設立振速測試儀,并將其安置在頂部錨網處,主要監測巷道頂部的合速度峰值振動速度,具體數據見表8。

表8 合速度峰值振動速度監測結果Table 8 Monitoring results of combined speed peak vibration speed cm/s

由表8可知:新方案的合速度峰值振動速度普遍小于舊方案,綜合5次試驗結果,取其平均值發現新方案的振動速度更小,對巷道的整體穩定影響更小。新方案的合速度峰值振速比舊方案平均減少了0.12 cm/s,可見新方案不僅能夠提高掘進效率和經濟效益,而且能夠減少振動帶來的影響,保障了巷道掘進安全施工。

5 結 論

(1)結合補償空間理論和應力集中效應,對裂隙半徑經驗公式進行改進,限制了半徑的最小值,并得出理論最適宜孔間距為179 mm;數值計算發現最適宜孔間距出現在有效應力最低處,結合數值計算和現場數據,驗證了最適宜孔間距取值的可行性和可靠性。

(2)理論分析結果、數值模擬結論和現場爆破效果在最適宜孔間距方面表現出一致性,綜合分析發現,最優起爆順序為兩段毫秒延時起爆,最優布孔方式為兩段毫秒延時模型4,最適孔間距為170 mm,數值計算結果、實際工程結論與理論結果差別較小,在實際工程中可適當小范圍調整孔間距。

(3)結合山西天地王坡煤業有限公司3206高抽巷現場爆破數據,發現新方案相比于舊方案爆破進尺增加0.17 m,炮孔利用率提高5%,每循環消耗炸藥量降低2.66 kg,每米巷道消耗雷管降低1.7個,振動速度平均降低0.12 cm/s,提高了經濟效益和巷道掘進效率,減少了振動帶來的潛在危害。

(4)本研究僅在數值模擬軟件中模擬了多種參數的變化,未在實際工程中進行詳細的參數變化分析,下一步可在工程施工中改變相關參數,進一步研究參數變化對爆破效果的影響。