鄒曉緯

（同煤集團云岡礦工程一隊， 山西 大同 037017）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求也越來越高。煤礦掘進的快速高效是影響整個煤礦開采效率的關(guān)鍵。爆破作為快速、經(jīng)濟的掘進手段，在礦山建設領域廣泛應用，隨著長期的理論研究和實踐經(jīng)驗，人們對爆破掘進的特征及規(guī)律認識逐漸加深[1]。但是，由于長期以來，爆破掘進的主要手段還是依賴現(xiàn)場經(jīng)驗，對于掘進爆破是否能有更優(yōu)化的方法，爆破過程中是否存在隱性應力危險等均沒有理論支撐，使得爆破掘進的施工過程存在很大的主觀性[2]。

一次性成巷爆破掘進的施工過程，對巷道圍巖應力分布的分析以及巷道圍巖應力控制有較高的要求。因此，通過對爆破過程圍巖應力進行分析以及合理的仿真研究具有很強的現(xiàn)實意義。

1 爆破原理及影響因素

炸藥在巖石中的爆破過程是一個多因素影響下的復雜過程，對于爆破作用的機理也分為爆生氣體膨脹作用、應力波反射拉伸作用及爆生氣體和應力波聯(lián)合作用三種基本理論觀點[3]。

對于深孔爆破一次性成巷而言，在爆破的初級階段，應力沖擊對于炮孔內(nèi)巖壁的初始破壞起到關(guān)鍵作用，當氣楔產(chǎn)生后，爆生氣體作用于巖壁裂隙的生長和延伸[4]。

根據(jù)凝聚體炸藥爆轟理論，炮孔內(nèi)爆轟氣體平均壓力為P0。

式中：ρ0為爆炸密度；D為爆轟速度。

爆轟的瞬間炮孔內(nèi)巖壁可認為是絕熱壁，因此，炮孔內(nèi)的爆轟膨脹可認為是絕熱膨脹，因此有PV3=K，K為常數(shù)。爆轟產(chǎn)物撞擊炮孔巖壁，并產(chǎn)生沖擊波。由于炮孔內(nèi)空氣的可壓縮特性，當炮孔內(nèi)以空氣作為墊層時，爆轟氣體迅速膨脹，炮孔內(nèi)藥室體積恒定，因此藥室內(nèi)壁壓力顯著增大，其沖擊壓力為：

式中：VC為裝藥體積；Vb為炮孔體積；n為增大系數(shù)，取8~11。

根據(jù)Rustan 的空氣墊層爆轟理論[5]，對于柱形填藥的爆炸沖擊波可建立力學模型（見圖1）。

圖1 藥孔壁裂縫斷裂模型

當爆轟沖擊波再巖壁傳播時，距離炮室中心線L處的巖石徑向壓應力σr和周向拉應力σθ為：

式中：σ0為初始沖擊壓力P作用于炮孔壁的壓應力；Lr為比距離；r為炮孔直徑；L為裂紋總長；b為側(cè)壓系數(shù)，此處b≈1。

由于爆轟氣體進入沖擊產(chǎn)生的巖壁裂縫，形成氣楔效應，在裂縫頂端形成應力集中[6]。此時，爆轟氣壓作用于炮眼壁及裂縫壁，簡化的，將壓力作用于原始炮眼圓壁，其爆轟氣體的勢能完全作用于裂縫擴展，則根據(jù)爆轟熱力學理論，爆轟氣體生成的裂紋總長為：

式中：L0為爆轟初始裂縫長度；Pd為爆轟氣體靜平衡氣壓；db為炮眼直徑；σt為巖壁抗拉強度。

對于爆破掘進的影響因素中，主要有圍巖特性、炸藥性能及爆破工藝三個方面，炸藥的波阻抗、爆力等參數(shù)根據(jù)圍巖的特性進行選擇；毫秒延期爆破的合理利用可使爆堆集中，爆破效果明顯改善；在爆破斷面增加空孔，可增加爆破自由面，改善空孔周圍應力狀態(tài)。

2 掘進爆破的數(shù)值模擬

根據(jù)上述爆破影響因素分析，空孔效應能改變空孔周圍應力狀態(tài)，是圍巖在空孔周圍產(chǎn)生應力集中?？湛椎囊环矫婵梢詾橐淮涡猿上锲鸬綄蜃饔?，另一方面，空孔可以增加應力波的反射拉伸。

為了分析空孔對一次性成巷爆破掘進中的爆破成腔作用，將爆破掏槽方案制定為，中心兩個空孔周圍八個裝藥孔。

建立70 mm×70 mm×450 cm 模型，對稱施加約束條件，除自由面外其余施加無反射邊界條件。其分析模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

對圖2 模型進行仿真分析，得到如圖3 的結(jié)果。

圖3 兩空孔應力云圖

由圖3 兩空孔方案應力發(fā)展及爆破過程分析可以看出，第一階段炸藥應力波傳遞并束縛在炮孔周圍，第二階段炮孔之間應力疊加，掏槽形狀初步顯現(xiàn)并呈矩形布置，第三階段第一排和第三排炮孔之間連心線貫通，理論分析中炮孔連心線圍巖優(yōu)先破裂得到驗證，第四階段整個圍巖破壞狀態(tài)良好，成型結(jié)果符合預期。中部炮孔連心區(qū)域有一部分圍巖未破裂，其原因為空孔連線區(qū)域破壞較快，說明空孔具有導向作用。

最大壓應力出現(xiàn)在裝藥中心區(qū)域，壓應力峰值為383 MPa，說明此區(qū)域應力波發(fā)生疊加，同時根據(jù)云圖可以看出壓應力大小相間分布。

對裝藥段圍巖損傷破壞進行應力曲線生成，得到如圖4 所示。

圖4 裝藥段圍巖應力曲線

由應力曲線可以看出，炸藥能量經(jīng)過一定過程得傳播，某些時間段應力波實現(xiàn)疊加，應力存在應力震蕩的特點，但是總體趨勢穩(wěn)定。

3 結(jié)論

根據(jù)對爆破掘進理論分析及其數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)凝聚體炸藥爆轟理論及熱力學方法，得到爆轟初始載荷P，并經(jīng)過進一步分析得到爆轟所產(chǎn)生裂縫長度計算方法。

2）對爆破影響因素分析，得到空孔布置可改變空孔圍巖應力分布，適用于通過空孔的分布控制巷道成型。

3）建立掘進爆破有限元模型，通過仿真分析，得到爆破時巷道圍巖應力分布及巷道成型過程，進一步說明空孔的設置可有效控制巷道成型。

4）通過分析開設有空孔的爆破過程，為一次性成巷爆破掘進技術(shù)提供一定的理論依據(jù)和成型方法。