孟秀峰 楊 博,2

(1.山西能源學(xué)院，山西省晉中市，030600;2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054)

綜掘機(jī)在煤礦巷道掘進(jìn)中使用的越來越多，綜掘機(jī)在煤巷及軟巖巷道能夠充分發(fā)揮其效能，巷道成型好，勞動強(qiáng)度低，具有鉆爆法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)遇到較為堅硬的巖石時，綜掘機(jī)的切割速度減慢，截齒消耗增大，掘進(jìn)成本增加。針對此情況，通常選擇鉆爆法及淺孔松動爆破配合綜掘機(jī)掘進(jìn)，也有選擇深孔松動爆破，使巖石形成裂隙，破壞其整體性，然后采用綜掘機(jī)掘進(jìn)。

深孔松動爆破技術(shù)已成功應(yīng)用于邊坡處理、瓦斯抽采、過地質(zhì)構(gòu)造等，在硬巖綜掘巷道研究及應(yīng)用較少，爆破參數(shù)與上述方面也存在很多差異，因此，硬巖巷道綜掘深孔松動爆破有待于進(jìn)一步深入研究，本文以潞安集團(tuán)古城煤礦硬巖巷道掘進(jìn)為背景，提出了采用深孔松動爆破配合綜掘機(jī)掘進(jìn)的方法，得到成功應(yīng)用。

1 工程概況

現(xiàn)場試驗(yàn)選擇潞安礦區(qū)古城煤礦主斜井掘進(jìn)，基巖段設(shè)計里程545～2004 m，傾角為15°，基巖段設(shè)計為直墻半圓拱型，掘進(jìn)寬度為6.3 m，掘進(jìn)高度為4.5 m，掘進(jìn)斷面積為24.08 m2，為典型大傾角大斷面(下山)斜巷。

基巖段巖性以砂巖為主，較堅硬，整體性好。經(jīng)測試，巖石的堅固性系數(shù)大于7。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基巖段掘進(jìn)初期545～984 m距離采用爆破掘進(jìn)，每班進(jìn)尺不足0.8 m，后試用EBH418型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，每班切割進(jìn)尺不足0.5 m。由于巖石硬度大，綜掘機(jī)切割巖石變得困難，綜掘機(jī)效率無法發(fā)揮，嚴(yán)重制約掘進(jìn)速度。

2 爆破裂紋擴(kuò)展數(shù)值計算

2.1 計算模型及參數(shù)

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行模擬，計算模型長8 m，高6 m，厚度方向取一個單元。炮孔直徑75 mm，藥卷直徑65 mm；炮孔長度25 m，裝藥長度15 m，封堵長度10 m。

本節(jié)模擬主要涉及巖石，巖石選用薄殼單元、彈塑性模型作為基本模型，炸藥采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行模擬，因此在巷道掘進(jìn)模擬中常采用Mohr-Coulomb模型，巖石力學(xué)參數(shù)如下：細(xì)砂巖容重γg為27.4 kN/m3，彈性模量E為3.4 GPa，抗壓強(qiáng)度RC為64.50 MPa，抗拉強(qiáng)度RL為7.0 MPa。

2.2 模擬結(jié)果分析

使用LS-DYNA2D軟件模擬炮孔爆破的過程，使用Fcomp功能把該時刻的爆破等效應(yīng)力云圖輸出，結(jié)果如圖1所示。

分析爆破裂隙發(fā)展過程可知，破碎區(qū)形成時間很短，大概只有0.1 ms；1.2 ms后裂隙區(qū)基本形成，半徑大約為1.65 m。

使用LS-PREPOST的History功能把距離炸藥中心1.55 m處單元X方向和Y方向的應(yīng)力—時間曲線輸出，結(jié)果如圖2所示。該單元在爆破過程中X方向和Y方向所受的最大拉應(yīng)力分別為21 MPa 和15 MPa，均大于巷道掘進(jìn)圍巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，故能夠破壞巖石。

圖1 等效應(yīng)力波傳播圖

圖2 距爆破中心1.55 m處的應(yīng)力—時間曲線

3 深孔松動爆破方案設(shè)計

3.1 鉆爆器材

打鉆成孔是實(shí)施深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的首要工序，也是最關(guān)鍵的一環(huán)。采用MKQJ90/25鉆機(jī)進(jìn)行打孔，鉆孔直徑為75 mm。炸藥采用滿足該掘進(jìn)工作面安全等級的特制水膠炸藥藥柱，藥柱規(guī)格?65 mm×1000 mm、3.0 kg/卷。起爆雷管使用煤礦許用1～5段毫秒延期電雷管。

3.2 爆破參數(shù)

合理的爆破參數(shù)是綜掘硬巖松動爆破的關(guān)鍵。因此，根據(jù)現(xiàn)場情況和綜掘機(jī)自身特點(diǎn)，選擇合理的炮孔深度、孔網(wǎng)參數(shù)、單孔裝藥量等爆破參數(shù)。

(1)炮眼深度。炮眼深度是影響綜掘機(jī)掘進(jìn)速度的重要技術(shù)參數(shù)。炮眼深度與鉆眼機(jī)具的性能、爆破范圍等有關(guān)，并保證施工巷道不因爆破受到破壞。

(2)孔網(wǎng)參數(shù)。孔網(wǎng)參數(shù)是指炮孔間排距，深孔松動爆破的目的是增加巖體中的裂隙，不要求巖體粉碎或形成拋擲，因此，炮孔間排距可稍大。

根據(jù)爆轟理論和應(yīng)力波理論，間排距半徑通常按下式進(jìn)行計算：

式中：σd——巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；

b——炮眼排距，mm；

a——炮眼間距，mm；

m——炮孔鄰近系數(shù)，取0.6～0.9；

R——裂隙擴(kuò)展半徑，mm；

db——炮眼直徑，取75 mm；

dc——藥包直徑，取65 mm；

D1——炸藥爆速，取3200 m/s；

ρw——炸藥密度，乳化炸藥密度取1110 kg/m3；

γ——巖石泊松比，取0.2；

α——應(yīng)力波衰減值；

n——應(yīng)力增大系數(shù)，取8～10。

由上式計算得炮孔間距a為1200～1600 mm，排距b為720～1440 mm，深孔松動爆破的目的是增加巖體中的裂隙，不要求巖體粉碎或形成拋擲，炮孔間排距可稍大，因此，a取1500 mm，b取1400 mm，如圖3所示。

圖3 炮孔布置圖

根據(jù)計算結(jié)果，確定炮孔間距1500 mm。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮施工安全和爆破造成圍巖損傷破壞，全斷面3個孔呈三角布置，下部布置兩個炮孔、上部布置一個炮孔，炮孔排距1400 mm。

(3)炮孔裝藥量。每個炮孔的裝藥量為45 kg，約為30個藥卷，藥卷規(guī)格?60 mm×500 mm、1.5 kg/卷。根據(jù)實(shí)際松動爆破情況、巖石硬度以及巖石節(jié)理發(fā)育情況進(jìn)行調(diào)整。

(4)封孔方式和長度。封孔質(zhì)量直接影響爆破質(zhì)量。如果封孔長度短，會出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，或產(chǎn)生拋擲漏斗損壞影響松動效果；如果封孔長度過長，破巖能力小于抗爆能力，不能充分松動。因此，合理的封孔長度既要保證巖體松動破裂，同時又不能產(chǎn)生拋擲爆破漏斗。通過多次試驗(yàn)，確定封孔長度為10 m時爆破效果最佳。

(5)裝藥與起爆。炮孔深度25 m，裝藥15 m，封孔10 m。3個孔均平行于巷道軸線方向鉆進(jìn)。采用連續(xù)正向裝藥、風(fēng)動封孔機(jī)封堵孔口，黃泥作為封堵材料，3個炮孔的深度、裝藥長度、裝藥量、封堵長度均相同，分別為25 m、15 m、45 kg、10 m，雷管級別分別為1、2、3級。每個炮孔一個起爆藥柱，每個起爆藥柱裝兩發(fā)同段雷管，分別用膠質(zhì)導(dǎo)線引出，孔外串聯(lián)電起爆網(wǎng)路，接頭處使用防水膠布處理，確?？煽科鸨?。

4 試驗(yàn)效果

(1)裂隙發(fā)育情況。通過了解炮孔的爆破情況，直觀地觀測爆破后炮孔孔壁裂隙發(fā)育情況。如圖4所示。

通過對近十年白花前胡研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)前期對白花前胡的研究領(lǐng)域較廣，主要學(xué)科包括中藥學(xué)、農(nóng)作物、生物學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)藝學(xué)、化學(xué)、園藝、植物保護(hù)、腫瘤學(xué)、林業(yè)、一般化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)等，在研究方向上重點(diǎn)集中在化學(xué)成分和藥理作用等方面，但有關(guān)白花前胡的種質(zhì)資源分析評價、優(yōu)良品種培育等方面的研究報道較少，對目前生產(chǎn)中普遍存在的早期抽薹現(xiàn)象關(guān)注度不夠。建議后期加強(qiáng)對白花前胡的種質(zhì)資源收集與評價、科學(xué)合理的留種技術(shù)研究、優(yōu)質(zhì)種子生產(chǎn)技術(shù)體系的建立等方面研究的關(guān)注與重視，解決制約生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸技術(shù)問題，切實(shí)促進(jìn)白花前胡種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖4 爆破后孔壁裂隙擴(kuò)展情況

由圖4可知，由于巖石堅硬、整體性好，與封堵段的距離越小，受到爆破的影響越小，裂隙擴(kuò)展小，孔壁內(nèi)先出現(xiàn)徑向裂隙，軸向裂隙寬度小，如圖4(a)所示。隨著深度的增加，環(huán)向和徑向裂隙交錯、破碎呈龜裂狀。距孔口為16 m時，裂隙的寬度增大，孔壁石塊掉落，如圖4(b)所示。距離孔口23 m時，接近炮孔底部，孔壁上掉落的巖塊數(shù)量增多，塊度增大，破壞較為嚴(yán)重，難以判斷炮孔輪廓，如圖4(c)所示。到達(dá)炮孔底部時，崩落的巖塊堵塞炮孔，且?guī)r石較為破碎，如圖4(d)所示。

裂隙擴(kuò)展觀測結(jié)果表明，采用深孔松動爆破可以有效地增加巖體內(nèi)裂隙、降低其整體性；且?guī)r體內(nèi)裂隙的發(fā)育程度與裝藥密切相關(guān)，在炮孔底部，爆炸應(yīng)力波和爆生氣體作用時間較長，裂隙相互貫通，巖石整體性發(fā)生破壞，滿足綜掘機(jī)掘進(jìn)要求。

(2)掘進(jìn)速度。松動爆破后，形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)，巖體整體性變差，利于綜掘機(jī)掘進(jìn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，裝藥段炮孔徑向1.0～1.2 m范圍巖體破碎，巖石呈塊狀切落，切割速度快。在封堵段和遠(yuǎn)離炮孔區(qū)域與爆破前的巖石整體性相近，切割依舊困難、較爆破前切割速度變化不大，進(jìn)而驗(yàn)證了深孔松動爆破對巷道圍巖穩(wěn)定性影響小，利于巷道維護(hù)。實(shí)現(xiàn)平均每班進(jìn)尺約1.2 m，較試驗(yàn)前爆破掘進(jìn)提高了約36 %。

(3)截齒消耗。在封堵段和遠(yuǎn)離炮孔區(qū)域，截齒消耗量與試驗(yàn)前相近，在裝藥段裂隙發(fā)育明顯，巖體整體性降低，截齒消耗顯著降低，平均截齒消耗5.62個/m，較試驗(yàn)前9.26個/m降低39.3%。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮施工安全和爆破造成圍巖損傷破壞，全斷面3個孔呈三角布置，間距1500 mm，排距1400 mm，孔深為25 m。炮孔要垂直于工作面，不能偏向。

(2)通過深孔松動爆破，硬巖巷道掘進(jìn)速度提高了約36%，截齒損耗減少了約39.3%，同時改善了工作環(huán)境。

(3)在炮孔裝藥段1.0～1.2 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育顯著，在封堵段和遠(yuǎn)離炮孔區(qū)域受爆破影響較小，進(jìn)而驗(yàn)證了深孔松動爆破對巷道圍巖穩(wěn)定性影響小，利于巷道維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王虹. 我國綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展40 a[J]. 煤炭學(xué)報,2010(11)

[2] 楊仁樹. 我國煤礦巖巷安全高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2013(9)

[3] 趙宏偉. 我國煤礦巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2012(1)

[4] 汪海波,宗琦,董繼華. 硬巖松動預(yù)裂爆破技術(shù)在巖巷綜掘中的應(yīng)用研究[J]. 煤炭工程,2012(11)

[5] 郭玉新,王洪,鄭剛. 松動爆破在硬巖巷道掘進(jìn)的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代礦業(yè),2013(4)

[6] 汪海波,徐軒,宗琦等. 綜掘硬巖段深孔超前爆破研究與應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報,2017(4)

[7] 張西良,崔正榮,潘祖瑛等. 超深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在西北某礦的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代礦業(yè),2017(6)

[8] 王佰順,戴廣龍,童云飛等. 深孔松動爆破提高瓦斯抽放率的應(yīng)用研究[J]. 煤礦安全,2002(11)

[9] 李濟(jì)堂. 深孔松動爆破在防治煤與瓦斯突出中的應(yīng)用[J]. 煤礦安全,1991(11)

[10] 薛鋒. 深孔松動爆破技術(shù)在過地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用[J]. 煤炭技術(shù),2007(11)

[11] 徐穎，宗琦．地下工程爆破理論及應(yīng)用[M].徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001