魯軍紀(jì) 褚懷保 葉紅宇

(1.湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖南 婁底417000;2.中南大學(xué)軟件學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083;3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作454000)

在礦井建設(shè)過(guò)程中，爆破法依然是目前掘進(jìn)破巖的主要手段。試驗(yàn)和實(shí)踐表明，炸藥爆炸釋放的能量在實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巖石破碎和破裂的同時(shí)有很大一部分不可避免地消耗在爆破有害效應(yīng)的轉(zhuǎn)化中，即不可避免的對(duì)圍巖造成一定的損傷［1-3］。這種損傷影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是對(duì)巖石力學(xué)性能的劣化，使圍巖的強(qiáng)度降低;二是在圍巖內(nèi)形成新的裂隙或者促使圍巖中原裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，降低圍巖的完整性。最終兩者必將影響圍巖的穩(wěn)定性，增加巷道支護(hù)難度和后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的維修維護(hù)成本。

在目前采掘矛盾日益凸顯的狀況下，增加炮孔深度全斷面一次起爆的中深孔全斷面爆破技術(shù)在巷道掘進(jìn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但在現(xiàn)有的爆破技術(shù)條件下，往往存在炮孔利用率低、循環(huán)進(jìn)尺小、矸石堆積在工作面、根底殘留嚴(yán)重、巷道成型質(zhì)量差、圍巖擾動(dòng)損傷大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度，在下山巷道爆破掘進(jìn)過(guò)程中這些問(wèn)題更為突出［4-5］。因此，提高巷道掘進(jìn)速度，對(duì)保證礦井正常接續(xù)和生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了提高下山巷道的掘進(jìn)速度，控制爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)損傷，在定向斷裂爆破理論分析的基礎(chǔ)上提出切縫管藥包定向斷裂復(fù)合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)中深孔全斷面爆破應(yīng)用，為切縫管定向斷裂爆破技術(shù)在巖巷快速掘進(jìn)中的推廣應(yīng)用提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 切縫管定向斷裂爆破裂紋的形成與擴(kuò)展

切縫管定向斷裂爆破是定向斷裂控制爆破技術(shù)的一種，是將炸藥裝入具有一定強(qiáng)度和密度的管內(nèi)，在管殼上開不同角度、數(shù)量和形狀的切縫，調(diào)控炸藥爆炸能量的釋放方向，控制介質(zhì)中爆破裂紋的形成位置和擴(kuò)展過(guò)程。

1.1 切縫管定向斷裂爆破初始裂紋的形成

切縫管的存在使炮孔內(nèi)壁介質(zhì)波阻抗發(fā)生改變，改變應(yīng)力波的傳播規(guī)律。藥包在切縫管內(nèi)不耦合裝藥時(shí)，藥包爆炸瞬間轉(zhuǎn)化為高溫高壓的爆轟產(chǎn)物，爆轟產(chǎn)物膨脹擠壓周圍空氣產(chǎn)生空氣沖擊波，空氣沖擊波向外傳播，在切縫管處作用于切縫管產(chǎn)生沖擊波，傳播至管殼與巖石分界面發(fā)生反射和透射，透射波作用于巖石介質(zhì);在切縫處空氣沖擊波直接作用于巖石介質(zhì)。藥包在切縫管內(nèi)耦合裝藥時(shí)，爆轟產(chǎn)物膨脹擠壓管殼在管殼內(nèi)產(chǎn)生沖擊波，傳播至管殼與巖石分界面發(fā)生反射和透射，透射波作用于巖石介質(zhì);在切縫處爆轟產(chǎn)物直接擠壓炮孔壁，在巖石中產(chǎn)生沖擊波。

式中，σI，σR，σT分別為入射、反射和透射應(yīng)力，Pa;ρ1c1，ρ2c2分別為2 種介質(zhì)的波阻抗，MPa·s/m。

巖石介質(zhì)的波阻抗大于切縫管的波阻抗，由式(1)可知，炸藥爆炸后作用于切縫處炮孔內(nèi)壁上的透射應(yīng)力大于切縫管內(nèi)壁的透射應(yīng)力，同時(shí)，切縫管是一種可塑性材料，其塑性變形會(huì)吸收一部分沖擊波能量，使非定向方向的沖擊能量得到衰減。由于切縫寬度很小，所以，切縫方向炮孔壁可認(rèn)為是受線性分布力σ1，非定向方向由于切縫管的存在承受均布面力σ2，則有σ1＞σ2。從切縫處取單元體，其受力情況如圖1 所示。

圖1 切縫孔壁處力學(xué)模型Fig.1 Mechanics mode of cut holes wall

單元體在σ1和σ2形成的壓力差下發(fā)生剪切破壞，在炮孔壁上形成初始裂紋，而且，在切縫處有較強(qiáng)的應(yīng)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子為非定向方向的3.75 ～5.4 倍，也促使切向方向的初始裂紋形成。

1.2 切縫管定向斷裂爆破裂紋擴(kuò)展

初始裂紋形成后，切縫方向裂紋的擴(kuò)展可分為3個(gè)階段:切向拉伸應(yīng)力作用下的擴(kuò)展、爆生氣體驅(qū)動(dòng)壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展、爆生氣體驅(qū)動(dòng)下的宏觀裂紋擴(kuò)展。

(1)爆炸應(yīng)力波作用下切向拉伸應(yīng)力作用下的裂紋擴(kuò)展。初始裂紋形成后，爆炸沖擊波迅速衰減為壓縮應(yīng)力波，爆炸應(yīng)力波作用下，巖石表現(xiàn)為強(qiáng)脆性，可用純脆性損傷斷裂準(zhǔn)則作為應(yīng)力波作用下巖石的損傷斷裂判據(jù)，根據(jù)Lematire 等效應(yīng)力概念［7］，當(dāng)?shù)刃?yīng)力σe達(dá)到巖石的動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)力σu時(shí)巖石斷裂，裂紋擴(kuò)展。巖石發(fā)生切向拉伸破壞，徑向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。

(2)爆生氣體驅(qū)動(dòng)壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。爆炸應(yīng)力波進(jìn)一步衰減后，切向拉伸應(yīng)力不能使巖石介質(zhì)發(fā)生拉伸破壞，爆炸應(yīng)力波作用下裂紋擴(kuò)展終止。高溫高壓的爆生氣體隨機(jī)充滿炮孔及形成的裂紋內(nèi)，對(duì)于巖石內(nèi)部的爆破問(wèn)題，可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)分析，假設(shè)在所有裂紋內(nèi)爆生氣體的流動(dòng)規(guī)律相同，在不具體考慮裂紋間的相互影響下以平均效應(yīng)代替，且將此裂紋擴(kuò)展看做是I 型裂紋擴(kuò)展問(wèn)題，則巖石中裂紋的穩(wěn)態(tài)失穩(wěn)條件為切向應(yīng)力等于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度［6，8］。

(3)爆生氣體壓力場(chǎng)作用下的宏觀裂紋擴(kuò)展。σθ≥σd后初始裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，隨后爆生氣體充滿到初始形成的徑向裂隙中，在近區(qū)以氣體驅(qū)動(dòng)的模式使裂紋擴(kuò)展，由應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則來(lái)確定裂紋擴(kuò)展區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI大于等于巖石斷裂韌度KIC時(shí)裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展［9］。

1.3 切縫管定向斷裂爆破參數(shù)

(1)炮孔間距。利用切縫管定向斷裂爆破時(shí)，為實(shí)現(xiàn)只在炮孔之間連線方向形成貫通裂紋，而在炮孔壁的其余方向不出現(xiàn)拉伸裂紋，可將切縫縫口朝向炮孔之間連線方向上，根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI≥KIC時(shí)，裂紋開始起裂［10］。令

最終沒(méi)能改變阿花的決定，景花廠宣布倒閉。阿花說(shuō)她最難過(guò)的是對(duì)不起員工們，他們跟隨自己這么多年，金融危機(jī)來(lái)了，沒(méi)能在她的樹蔭下躲過(guò)這場(chǎng)雨，而樹倒猢猻散了。所以景花廠倒了，一定要給員工們一個(gè)交代。她想好了具體的方案：一是向林強(qiáng)信妥協(xié)，讓大發(fā)廠來(lái)的員工再回大發(fā)廠；二是請(qǐng)業(yè)務(wù)單位幫忙，安置熟手；三是把設(shè)備低價(jià)處理給員工，讓他們自己接活加工；四是剩下的員工最大限度地予以賠償。阿花安排我去大發(fā)廠和林強(qiáng)信交談，她跑其他業(yè)務(wù)單位。

式中，r 為切縫外爆破裂紋長(zhǎng)度;r0為炮孔半徑;P 為炮孔壓力，MPa;b 為側(cè)壓力系數(shù)，b = μ/(1 － μ);μ為巖石泊松比;σt為巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。取P= γσt/b，γ = 0.8 ～0.9 。由此求得與巖石性質(zhì)和炮孔半徑r0有關(guān)的裂紋長(zhǎng)度r 的表達(dá)式為

所以炮孔間距

(2)光爆層厚度。為保證光爆層效果，應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)選擇炮眼密集系數(shù)m，一般取m= 0.8 ～1.0，其中硬巖取大值，軟巖取小值。這樣光爆層厚度W為

注意切縫管定向斷裂爆破炮孔密集系數(shù)m 的取值在這里有所不同。

(3)線裝藥系數(shù)和線裝藥密度。在計(jì)算炮孔線裝藥系數(shù)和線裝藥密度時(shí)假定炮孔采用不耦合裝藥，炮孔內(nèi)爆轟產(chǎn)物膨脹過(guò)程遵循以下規(guī)律［11］:

其中，Pc為爆轟產(chǎn)物平均壓力;ρ0為炸藥密度;D 為炸藥爆速;PK為爆轟產(chǎn)物膨脹時(shí)的臨界壓力，一般取100 MPa;Vb為炮孔體積;Vc為裝藥體積;M 為低壓階段(PK≥P)的爆轟產(chǎn)物膨脹指數(shù)，取M =1.4;N為高壓階段(PK≤P)的爆轟產(chǎn)物膨脹指數(shù)，取N=3.0。

結(jié)合P = γσt/b，可得炮孔線裝藥密度和線裝藥系數(shù)

式中，q 為線裝藥密度;ζ 為線裝藥系數(shù);db為炮孔直徑;dc為裝藥直徑。

2 中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破技術(shù)應(yīng)用

某下山巷道掘進(jìn)斷面寬4 400 mm，邊墻高2 200 mm，拱部開挖高度1 467 mm，開挖斷面14.77 m2，坡度15%。巷道巖石普氏系數(shù)f =8 ～10;YTP －28 型風(fēng)鉆人工抱鉆打眼，全斷面中深孔爆破掘進(jìn)，錨噴網(wǎng)支護(hù)，選用柳工ZL50C(ZL40B)輪式裝載機(jī)和8 t 自卸汽車裝運(yùn)工作面廢石，利用分段聯(lián)道岔口作裝碴點(diǎn)。但爆破效果不夠理想，炮孔利用率僅為60% ～70%;周邊孔成形質(zhì)量較差，炮孔半孔率僅為60%左右，且半孔痕分布嚴(yán)重不均;鉆孔工作量大;同時(shí)循環(huán)總藥量過(guò)大，爆破掘進(jìn)施工對(duì)巷道圍巖的損傷過(guò)大，嚴(yán)重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，致使后期巷道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的維修和維護(hù)費(fèi)用提高，礦井采掘矛盾日益突出。因此，如何提高巖巷掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)礦井高效快速掘進(jìn)生產(chǎn)目標(biāo)成了亟待解決的問(wèn)題。

為改善爆破效果，提高掘進(jìn)速度，提出了中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破方案，掏槽孔采用二級(jí)楔形耦合藥包切縫管定向斷裂爆破，周邊孔采用不耦合藥包切縫管定向斷裂爆破。切縫管定向斷裂楔形掏槽爆破是在掘進(jìn)工作面布置兩階楔形掏槽孔，一階掏槽孔裝入相應(yīng)材質(zhì)的切縫管，切縫寬度0.5 mm，切縫沿上下排炮孔連心線方向?qū)ΨQ開設(shè)，兩端炮孔內(nèi)切縫管切縫垂直開設(shè)，如圖2 和圖3 所示。

圖2 中深孔楔形切縫藥包定向斷裂掏槽爆破炮孔布置Fig.2 Layout of directional fracture cut blasting holes of middle-deep hole wedge joint-cutting cartridge

圖3 一級(jí)楔形掏槽孔定向斷裂裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Directional fracture charging constitution of level-1 wedge cut hole

周邊孔中提出采用定向斷裂周邊光面爆破技術(shù)，周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4 所示，切縫管長(zhǎng)0.5 m，水泡泥填塞，剩余炮孔用黃土炮泥填塞。

圖4 周邊孔切縫管定向斷裂裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Directional fracture charging constitution of cut tube in peripheral holes

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用爆破效果

在定向斷裂爆破裂紋擴(kuò)展機(jī)理基礎(chǔ)上，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，周邊孔間距500 mm，光爆層厚度500 mm(確保周邊孔爆破后光爆層巖石可充分破碎，以降低周邊孔裝藥爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)射對(duì)圍巖的擾動(dòng)損傷);一級(jí)掏槽孔孔口距800 mm，二級(jí)掏槽孔孔口距1 400 mm，同時(shí)中間的直孔布置為2 個(gè)，爆破器材選32 mm ×200 mm 乳化炸藥，1 ～5 段3 m腳線非電毫秒雷管，反向連續(xù)裝藥，磁電雷管、專用啟爆器實(shí)行長(zhǎng)距離引爆，聯(lián)線方式為分組并聯(lián)方式，放炮母線選用鋁芯塑膠線，放炮安全距離不小于200 m。斜坡道炮孔布置如圖5 所示。

圖5 斜坡道炮眼布置Fig.5 Layout of blastholes at ramp

現(xiàn)場(chǎng)效果:通過(guò)利用提出的切縫管藥包定向斷裂復(fù)合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術(shù)使炮眼利用率達(dá)到90%以上，每循環(huán)進(jìn)尺達(dá)2.5 m，大大提高了巷道掘進(jìn)速度;眼痕率85%以上，爆破成形規(guī)整，有效控制了損傷，確保了圍巖穩(wěn)定性，為后期支護(hù)創(chuàng)造了良好條件;爆后巖塊均勻，大塊率低，提升了爆后裝巖速度。

4 結(jié) 論

(1)初始裂紋的形成是切縫處應(yīng)力集中和壓力差所致，而后的裂紋擴(kuò)展過(guò)程包括切向拉伸應(yīng)力作用下的擴(kuò)展、爆生氣體驅(qū)動(dòng)壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和爆生氣體驅(qū)動(dòng)下的宏觀裂紋擴(kuò)展3 個(gè)階段。

(2)切縫管藥包定向斷裂復(fù)合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術(shù)可提高炮孔利用率和眼痕率，改善掏槽爆破效果，有益于提高巷道掘進(jìn)速度;對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)損傷較少，使周邊圍巖裂隙少、整體性高，巷道周邊和迎頭面成型較好;且后期修邊支護(hù)工作量大大減少，維護(hù)維修費(fèi)用降低。

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