吳德義，高 迅

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

在煤炭開采過程中，掘進(jìn)是十分重要的工序。而在深部巖巷掘進(jìn)過程中，當(dāng)遇到普氏系數(shù)f>8的硬巖及堅(jiān)硬巖，甚至是普氏系數(shù)f<8的中硬巖及軟巖，由于受到目前掘巖機(jī)的機(jī)型限制等，即使綜掘作業(yè)方式機(jī)械化程度較高，仍舊無法采用，不得不使用爆破法開挖的炮掘方式。在這種情況下，選擇科學(xué)的爆破工藝和合理的爆破參數(shù)具有十分重要的意義。

在實(shí)際工程中，由于受限自由面的寬度不同，最小抵抗線的數(shù)值不同，可能會(huì)對(duì)爆破所需的裝藥量產(chǎn)生一定的影響。許多學(xué)者在如何科學(xué)地對(duì)受限自由面爆破裝藥量進(jìn)行計(jì)算、提高掘進(jìn)效率、改善爆破的效果等方面給出了他們的研究成果，其中U Langefors和B Kihlstorm[1]根據(jù)理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出在受限自由面影響下炮孔每米裝藥量的估算公式；李啟月[2]等在U Langefors和B Kihlstorm提出的裝藥量公式的基礎(chǔ)上對(duì)參數(shù)和公式進(jìn)行了雙重優(yōu)化，提高了不同受限自由面爆破時(shí)裝藥量的精確性；鄭明焦[3]在中深孔爆破的炸藥量計(jì)算方法上給出了相應(yīng)的方法；李顯寅[4]等從自由面的數(shù)量、面積和位置等方面進(jìn)行總結(jié)和分析，得出自由面對(duì)爆破效果的影響；梁雪松[5]則細(xì)致的分析了受限自由面對(duì)爆破振動(dòng)的影響情況，從而使得對(duì)自由面的影響有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。眾多學(xué)者在爆破裝藥量的合理計(jì)算以及自由面對(duì)爆破的各方面影響上做了很多研究，但受限自由面寬度對(duì)爆破的影響仍然缺乏較為細(xì)致的分析。在安徽淮北礦區(qū)深部大斷面巖巷掘進(jìn)過程中遇到了不同的自由面寬度[6]，為解決實(shí)際問題，本文從受限自由面的寬度這一角度研究，通過實(shí)驗(yàn)得出其對(duì)爆破效果產(chǎn)生的影響，并給出具體的充分發(fā)揮自由面作用的相關(guān)數(shù)值，對(duì)工程在深部巖巷掘進(jìn)中遇到不同自由面寬度時(shí)如何合理利用自由面以及最小抵抗線具有參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

根據(jù)U Langefors和B Kihlstorm的理論分析結(jié)合其試驗(yàn)結(jié)果得出受限自由面影響下炮孔每米裝藥量的估算公式

q1=m1w/(sinβ)m2

(1)

式中ql為炮孔每米裝藥量，kg/m；w為最小抵抗線，m；β為夾角，°；m1，m2為系數(shù)。其中β可表示為：

(2)

式中l(wèi)0為自由面寬度，m。因此，炮孔每米裝藥量可以表示成l0和w的函數(shù)，即：

(3)

由此我們可以初步得出，當(dāng)系數(shù)m1、m2均不變，即爆破對(duì)象具有相同的巖石屬性時(shí)，炮孔每米裝藥量僅與最小抵抗線和受限自由面寬度有關(guān)[7]。但要想進(jìn)一步驗(yàn)證理論以及得出更多的結(jié)論，還需做大量試驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)來自安徽省淮北礦區(qū)，該礦區(qū)巖石普氏系數(shù)普遍在6～8范圍之間，為解決實(shí)際問題，故設(shè)巖石普氏系數(shù)f =6～8，炸藥為水膠炸藥，炮孔直徑db=32.0mm，裝藥直徑dc=27.0mm。對(duì)不同最小抵抗線和不同自由面寬度所需的炮孔每米裝藥量進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，得出如下數(shù)據(jù)，見表1。

再依據(jù)表1，可以整理得出不同最小抵抗線w、炮孔每米裝藥量ql隨自由面寬度l0變化如圖1。

表1 最小抵抗線、炮孔每米裝藥量隨自由面寬度影響示意

續(xù)表1 最小抵抗線、炮孔每米裝藥量隨自由面寬度影響示意

圖1最小抵抗線、炮孔每米裝藥量隨自由面寬度影響示意圖

由公式(3)和圖1細(xì)致分析，不難得出：當(dāng)?shù)挚咕€相同時(shí)，伴隨著值l0的不斷增大，炮孔每米裝藥量ql越來越?。徊⑶襩0值不斷增加的同時(shí)，ql值減小的速度趨于緩慢，最后趨向于一個(gè)極限值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)在理想狀況下，當(dāng)受限自由面寬度為0m時(shí)，即不存在自由面，一方面此時(shí)巖石處于無線介質(zhì)中，屬于三向應(yīng)力狀態(tài)，爆破強(qiáng)度明顯受到阻礙；另一方面不存在自由面就無法產(chǎn)生霍金遜效應(yīng)[8]，即爆破時(shí)入射的壓縮應(yīng)力波再也無法達(dá)到自由面，更無法反射回性質(zhì)相反的拉伸應(yīng)力波與之重疊，即不會(huì)產(chǎn)生巖石的片落和爆破效果。

(2)當(dāng)受限自由面寬度很小但不為0m時(shí)，從圖1可以明顯的看出，只要最小抵抗線的最大值足夠小，就可以用極少量的炸藥達(dá)到爆破效果；而當(dāng)最小抵抗線的最大值越來越大時(shí)，要想產(chǎn)生爆破效果，必須使用近似指數(shù)倍增長的炸藥量來達(dá)到目的，這顯然不符合實(shí)際情況下的工程應(yīng)用，我們應(yīng)追求爆破效果良好的條件下盡可能少的裝藥量來達(dá)到節(jié)約成本的同時(shí)又較少破壞周圍巖層的目的。

(3)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自由面寬度寬度為0.10～2.00 m中的某一個(gè)定值時(shí)，炮孔每米裝藥量隨著最小抵抗線的最大值增大而增大；而當(dāng)最小抵抗線的長度一定時(shí)，炮孔每米裝藥量隨著自由面寬度的增大而不斷減小，并且逐漸趨于平緩。

(4)當(dāng)自由面寬度不斷增大直至無窮大時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同抵抗線均表現(xiàn)出同一性質(zhì)，即所需每米裝藥量均是不斷減小的，并且逐漸趨于平緩。即在自由面寬度無窮大的情況下，炮孔所需每米裝藥量幾乎沒有明顯的變化，但仍然能夠?qū)崿F(xiàn)理想的爆破效果。

通以上四點(diǎn)分析得知，當(dāng)自由面寬度過小時(shí)，要使自由面充分發(fā)揮作用，最小抵抗線的最大值應(yīng)小于某個(gè)臨界值；同理當(dāng)自由面寬度較大直至無窮大時(shí)，炮孔每米裝藥量趨于穩(wěn)定，為使自由面充分發(fā)揮作用，最小抵抗線的最大值也應(yīng)有相應(yīng)的合理取值范圍。即當(dāng)l0→∞時(shí)，

q極限=m1w

(4)

為了可以定量分析不同最小抵抗線與自由面寬度同炮孔每米裝藥量的關(guān)系，選取表1中的數(shù)據(jù)，將不同組別的自變量l0、w以及因變量ql的值代入公式(3)，取不同的值m1，m2經(jīng)過大量計(jì)算，得出各組m1，m2值基本相同，m1=1.4104，m2=1.4，也從側(cè)面進(jìn)一步論證了相同巖性具有相同的m1，m2值。由于安徽省淮北礦區(qū)地質(zhì)的特殊性，結(jié)合圖1進(jìn)行精確模擬，最終取炮孔每米裝藥量ql=1.4q穩(wěn)定的l0值作為自由面充分發(fā)揮作用的合理取值，則不同抵抗線合理自由面寬度值l0經(jīng)計(jì)算得出表2。

表2 不同抵抗線合理自由面寬度值

3 結(jié)論

綜上所述，受限自由面在改善深部巖巷爆破效果方面起到了關(guān)鍵性的作用，而受限自由面寬度的不同、最小抵抗線數(shù)值的不同，會(huì)導(dǎo)致炮孔每米裝藥量發(fā)生變化。經(jīng)過研究，針對(duì)安徽淮北礦區(qū)深部大斷面巖巷掘進(jìn)過程中遇到的難題，應(yīng)該盡可能合理的利用受限自由面，但想要合理利用受限自由面寬度就必須對(duì)最小抵抗線的最大值進(jìn)行定量分析。通過實(shí)驗(yàn)將炮孔每米裝藥量、最小抵抗線、自由面寬度之間的關(guān)系用圖表的形式進(jìn)行表示，取ql=1.4q穩(wěn)定，計(jì)算出不同抵抗線情況下合理的自由面寬度值，這樣就能更加合理的利用自由面，充分發(fā)揮自由面對(duì)爆破效果的良性作用，為后續(xù)皖北礦區(qū)、豫南礦區(qū)等深部巖巷掘進(jìn)工作提供重要參考價(jià)值。