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        巖巷掘進(jìn)掏槽爆破理論與技術(shù)研究進(jìn)展

        2014-04-01 05:53:32黃寶龍
        中國礦業(yè) 2014年10期
        關(guān)鍵詞:空孔斜孔微差

        黃寶龍

        (中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

        目前,我國煤礦巖巷掘進(jìn)普遍采用鉆孔爆破法,所以爆破技術(shù)是影響和制約巖石巷道掘進(jìn)速度和質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)之一。

        巖巷爆破掘進(jìn)的特點(diǎn)是只有一個自由面,所受的夾制力很大,不利于爆破[1]。為了克服此困難,在工作面布置掏槽炮孔,首先爆破掏槽炮孔,形成槽腔,產(chǎn)生新的自由面,從而為后繼炮孔爆破提供有利條件。掏槽效果決定了炮孔利用率,因此,掏槽方式的選擇與掏槽爆破參數(shù)的設(shè)計極為關(guān)鍵。目前,掏槽方式一般可分為兩大類:斜孔掏槽和垂直孔掏槽,它們各有不同的優(yōu)缺點(diǎn),適用的范圍也各不相同。

        數(shù)十年來,國內(nèi)外學(xué)者針對巖巷掏槽爆破問題,通過理論分析、室內(nèi)試驗、數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗等多種途徑開展了大量研究,取得了許多成果。本文歸納分析了掏槽技術(shù)的研究進(jìn)展,并介紹了一種新的掏槽技術(shù)——準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)。

        1 斜孔掏槽技術(shù)研究現(xiàn)狀

        斜孔掏槽是我國煤礦巖巷掘進(jìn)所普遍采用的方式。斜孔掏槽的特點(diǎn)是掏槽炮孔與巖巷掘進(jìn)工作面斜交。斜孔掏槽通常有以下幾種基本形式[1]:①楔形掏槽;②半楔形掏槽;③錐形掏槽;④扇形掏槽。斜孔掏槽的優(yōu)點(diǎn)主要有:適應(yīng)性強(qiáng),任何巖石均可采用;拋擲能力強(qiáng),槽腔內(nèi)已破碎的巖塊容易拋出,從而產(chǎn)生有效自由面;需要的炮孔數(shù)量少;精度要求低,掏槽效果受炮孔位置和傾角的精確度影響較小。

        斜孔掏槽的缺點(diǎn)主要有:①炮孔與工作面的夾角范圍為55~75°,進(jìn)行深孔爆破時,受巷道斷面寬度限制,鉆桿無法擺開,炮孔深度受限;②巖塊拋擲距離長,易崩壞臨時支護(hù)和巷道的設(shè)備,爆堆分散,造成裝巖與清碴困難;③槽口部位為后繼炮孔提供的自由面的抵抗線小,而槽底部位的抵抗線大,由于槽底巖石所受的夾制作用要強(qiáng)于槽口部位的巖石,因此,對后繼炮孔爆破不利。由于上述原因,中深孔爆破采用斜孔掏槽方式的爆破效果不佳。

        斜孔掏槽的爆破機(jī)理復(fù)雜,目前關(guān)于斜孔掏槽爆破的文獻(xiàn)大多是工程應(yīng)用總結(jié),理論研究很少。

        2 垂直孔掏槽理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀

        垂直孔掏槽的特點(diǎn)是[1]:炮孔全部與工作面垂直;所有炮孔互相平行;炮孔的間距較??;一般存在一定數(shù)量的空孔,這些空孔作為其他炮孔的自由面,并為破碎巖石膨脹提供補(bǔ)償空間,空孔直徑大于或等于其他炮孔直徑。垂直孔掏槽可歸納為4種類型:角柱形、螺旋型、裂隙型與分層裝藥逐段掏槽。

        垂直孔掏槽的優(yōu)點(diǎn):①掏槽布置不隨炮孔深度和斷面寬度的改變而改變,而只是將裝藥量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,方便實行機(jī)械化鉆孔;②爆堆集中,便于出碴;③巖塊拋擲距離小,臨時支護(hù)與巷道內(nèi)的設(shè)備不易被崩壞;④巷道斷面寬度對深孔爆破無影響。

        垂直孔掏槽的缺點(diǎn):技術(shù)復(fù)雜;炮孔數(shù)量多;炸藥單耗高;形成的槽腔較??;拋擲能力差;精度要求高,掏槽效果易受炮孔間距和平行度的誤差所影響。

        2.1 垂直孔掏槽理論研究進(jìn)展

        為了滿足生產(chǎn)實踐的需求,從20世紀(jì)50年代開始,眾多學(xué)者與工程技術(shù)人員對垂直孔掏槽爆破進(jìn)行了理論研究。

        2.1.1 空孔效應(yīng)

        垂直孔掏槽一般都布置了空孔,空孔具有以下作用[2]:為應(yīng)力波反射提供自由面;應(yīng)力集中作用;卸壓作用;為破碎巖石提供膨脹空間作用。數(shù)十年來,多位學(xué)者對空孔的作用及參數(shù)進(jìn)行了研究。

        U.Langefors等[3]根據(jù)巖石在爆破作用下所產(chǎn)生的3種不同的破壞情況:破碎、拋擲與塑性變形,確定了不同的空孔直徑情況下相應(yīng)炮孔間距的范圍,在其建立的計算公式中體現(xiàn)了空孔的作用。

        對空孔的應(yīng)力集中作用,已進(jìn)行了理論與試驗研究。正交試驗分析得知,空孔半徑是影響掏槽效率的最顯著因子[4]。

        從上述研究成果來看,空孔在垂直孔掏槽中起到了至關(guān)重要的作用。但由于空孔效應(yīng)研究涉及的因素眾多,此方面還值得深入探討。

        2.1.2 拋擲過程

        槽腔內(nèi)破碎巖塊的拋擲過程,對于理解掏槽爆破機(jī)理十分有益,已有多位學(xué)者研究了垂直孔掏槽的拋擲過程。

        林從謀等[5]將槽腔劃分為2個區(qū)域,利用流體動力學(xué)基本方程,建立了槽腔內(nèi)破碎巖塊拋擲過程的物理模型和數(shù)學(xué)模型。對于槽腔內(nèi)的巖塊拋擲體,張奇[6]建立了二相流運(yùn)動模型。林大能等[7]認(rèn)為槽腔內(nèi)碎塊是在內(nèi)側(cè)氣碎混合體的膨脹壓力下,克服側(cè)限摩擦力而被拋出槽腔的。對于掏槽拋渣,利用數(shù)理統(tǒng)計和流體力學(xué)方法,是一個新的思路。

        由于槽腔內(nèi)破碎巖塊的拋擲極為迅速,過程又十分復(fù)雜,這就使得該問題的研究特別困難,目前還處在探索階段。

        2.1.3 爆破參數(shù)

        巖巷掘進(jìn)爆破的關(guān)鍵是掏槽,而掏槽效果主要取決于掏槽爆破參數(shù)是否合理,所以,掏槽爆破參數(shù)研究對于工程實踐具有重要意義。

        炮孔深度、孔距、空孔直徑等因素對垂直孔掏槽爆破效果的影響,通過力學(xué)模型和數(shù)值計算得到了定量分析。裝藥量計算公式則根據(jù)垂直孔掏槽機(jī)理導(dǎo)出。

        起爆微差是一個非常重要的參數(shù),不能應(yīng)用一般的微差爆破機(jī)理來分析垂直孔掏槽爆破。利用分段微差起爆,宗琦等[8]獲得了炮孔垂直于工作面情況下的爆破漏斗特性曲線。目前,還不能由解析法和數(shù)值計算求得巖石斷裂速度隨各因素變化的規(guī)律,分形理論是研究微差爆破機(jī)理和微差爆破延時優(yōu)化的一種新的途徑[9]。槽腔內(nèi)巖石碎塊的運(yùn)動過程及槽腔內(nèi)掏空率與時間的定量關(guān)系,可確定掏槽孔與崩落孔之間的微差起爆時間[10]。迄今為止,還未提出垂直孔掏槽爆破起爆微差時間的理論依據(jù),這是個需要繼續(xù)研究的問題。

        掏槽爆破參數(shù)尚沒有非常適宜的確定方法,設(shè)計出炮孔數(shù)目少、形式簡單、材料消耗小、效率高的掏槽爆破參數(shù)是廣大科研人員的努力目標(biāo)。

        2.1.4 掏槽機(jī)理

        掏槽機(jī)理是掏槽爆破研究的根本所在,通過掏槽機(jī)理研究,可以更好地指導(dǎo)爆破參數(shù)設(shè)計。

        單孔和多孔爆破漏斗的形成機(jī)理分析表明:合理設(shè)計直孔掏槽方式,應(yīng)該以炮孔間距和炮孔堵塞長度為核心,確保有足夠的爆炸作用時間使深部空間巖石充分破碎并拋出槽腔[11]。不偶合裝藥起爆后巖體中粉碎區(qū)和破裂區(qū)的范圍的計算,從理論上解決了炮孔裝藥量與炮孔間距之間的相互合理性問題[12]。在柱狀耦合裝藥條件下,埋深在臨界深度以下時,沖擊波做功消耗的能量約占爆炸總能量的40%,用于擴(kuò)腔和擴(kuò)展主要裂隙的爆生氣體能量約占總能量的23%,剩余能量有小部分用于新增裂紋數(shù)目,其余都損失掉了[13]。

        掏槽機(jī)理研究是建立在炸藥與巖石的相互作用基礎(chǔ)上的,難度很大,目前,國內(nèi)外對掏槽機(jī)理的研究還處在摸索階段,需要科研工作者加倍努力。

        2.2 垂直孔掏槽方式研究進(jìn)展

        從20世紀(jì)70年代開始,國內(nèi)多家單位對垂直孔掏槽進(jìn)行了工藝試驗。在馬脊梁礦巖巷掘進(jìn)中,采用了無空孔的三角復(fù)式直孔分階掏槽方式、三角復(fù)式分階分段掏槽、六棱柱分段掏槽和四角柱復(fù)式分階分段掏槽,炮孔利用率達(dá)到94%以上[14]。在堅韌難爆的石灰?guī)r中,成功應(yīng)用了分層分段直孔掏槽技術(shù)[15]。

        經(jīng)過這些年的實踐,有的單位成功應(yīng)用了垂直孔掏槽爆破技術(shù),但當(dāng)爆破條件(如巖石性質(zhì)、炸藥性能等)發(fā)生改變時,已有的成功經(jīng)驗難以適應(yīng)這些變化,掏槽容易失敗。

        3 準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)研究現(xiàn)狀

        單仁亮等[16]提出了準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)(圖1),這是一種新型的深孔掏槽爆破技術(shù),該技術(shù)的特點(diǎn)是型式簡單、具有良好的掏槽效果、易操作,適應(yīng)性強(qiáng),該技術(shù)已取得國家發(fā)明專利。目前,該技術(shù)已在我國多個礦區(qū)得到了成功應(yīng)用。

        圖1 準(zhǔn)直孔掏槽[16]

        圖1(a)中,1#~6#炮孔為準(zhǔn)直孔(與工作面夾角在75~85°之間),7#與8#炮孔為直孔,a為準(zhǔn)直孔炮孔間距,b為槽口間距。圖1(b)中,準(zhǔn)直孔裝1段雷管,裝藥量為掏槽藥量的絕大部分;直孔裝2段雷管,僅在孔底裝少量炸藥。圖1(c)中,準(zhǔn)直孔首先起爆,槽腔內(nèi)巖石大部分破碎并被拋出。圖1(d)中,直孔起爆后,槽腔底部殘余巖石被拋出,從而起到擴(kuò)腔作用。

        準(zhǔn)直孔掏槽本質(zhì)上與斜孔掏槽和垂直孔掏槽均不相同,而是結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn),摒棄了兩者的缺點(diǎn)。

        單仁亮等[16]基于爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,分析了準(zhǔn)直孔掏槽的爆破機(jī)理,并進(jìn)行了模型試驗研究,分析了爆破參數(shù)對掏槽效果的影響[17]。

        現(xiàn)場應(yīng)用該技術(shù),均取得了良好的爆破效果。對于巖巷深孔爆破掘進(jìn)中存在的掏槽效率低和掏槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題,該技術(shù)提供了有效的解決途徑。

        4 掏槽爆破研究展望

        巖巷掏槽爆破研究是巖石動力學(xué)領(lǐng)域一個富有挑戰(zhàn)性的課題。本文綜述了國內(nèi)外巖巷掏槽爆破理論與技術(shù)的研究進(jìn)展,歸納了巖巷掏槽爆破的理論與試驗研究狀況及掏槽技術(shù)的工程應(yīng)用情況。該課題下一步的研究方向主要有以下方面。

        1)巖石動力強(qiáng)度理論和破壞準(zhǔn)則是掏槽爆破理論研究的根本所在,巖石動態(tài)破壞過程的研究對于掏槽爆破研究尤其重要。由于巖石材料的復(fù)雜性和特殊性,建立巖石動態(tài)本構(gòu)關(guān)系是一項任重道遠(yuǎn)的工作。

        2)巖體是包含節(jié)理、層理、裂隙、斷層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的非均勻、非連續(xù)的地質(zhì)體,對于這種復(fù)雜的介質(zhì),研究其在爆炸作用下的變形、破壞和運(yùn)動理論時,考慮所有影響因素是不切實際的,應(yīng)當(dāng)力求依據(jù)最少的巖石參數(shù)研究出利于工程應(yīng)用的掏槽爆破計算模型。掏槽爆破機(jī)理研究的根本目的是為工程實踐服務(wù),因此,應(yīng)將掏槽爆破機(jī)理研究與掏槽爆破參數(shù)設(shè)計緊密結(jié)合起來,要在掏槽爆破參數(shù)的優(yōu)化過程中,探索掏槽爆破機(jī)理。

        3)對于掏槽爆破研究,數(shù)值模擬技術(shù)是一種有意義的應(yīng)力分析手段和試驗工具,借助計算機(jī)模擬技術(shù)可以實現(xiàn)許多現(xiàn)場無法實現(xiàn)的試驗。掏槽爆破過程極為復(fù)雜,在現(xiàn)有條件下,槽腔內(nèi)部巖石的破碎現(xiàn)象還無法直接觀測到,因此,開展掏槽爆破過程的數(shù)值模擬研究是解決這一問題的有效途徑。

        4)對槽腔形成過程中爆炸應(yīng)力波的破壞作用,已有的研究成果多是分析單孔爆破機(jī)理,應(yīng)進(jìn)一步研究群孔爆炸應(yīng)力波共同作用機(jī)理。

        持續(xù)深入的掏槽爆破機(jī)理研究會促進(jìn)掏槽爆破技術(shù)的不斷發(fā)展,這對巖巷掘進(jìn)效率的提高是一個佳音。

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        [3] Langefors U,Kihlstrom B.巖石爆破現(xiàn)代技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983.

        [4] 林大能,陳壽如.直眼掏槽效率敏感因子的理論與試驗分析[J].煤炭學(xué)報,2005,30(1):40-43.

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        [6] 張奇,王小林,楊永琦,等.含空孔直眼掏槽爆破效果分析模型[J].工程爆破,2001,7(1):1-6.

        [7] 林大能,陳壽如.空孔直眼掏槽成腔模型理論與實踐分析[J].巖土力學(xué),2005,26(3):479-483.

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        [16] 單仁亮,黃寶龍,高文蛟,等.巖巷掘進(jìn)準(zhǔn)直眼掏槽爆破新技術(shù)應(yīng)用實例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(2):224-232.

        [17] 單仁亮,黃寶龍,蔚振廷,等.巖巷掘進(jìn)準(zhǔn)直眼掏槽爆破模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(2):256-264.

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