杜 瑞，吳德義

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

本項目以淮北礦區(qū)為例,來進行研究。根據(jù)相關煤炭報告，我國煤炭的儲存位居前列，而煤炭的使用量也是逐年增長。其中，火力發(fā)電，煉鋼等重大工業(yè)項目對煤炭的需求量巨大[1]。但隨著時間推進，我國的煤炭開采成本越來越高，也成為了制約我國工業(yè)發(fā)展的一個重要因素。現(xiàn)如今，在中國東部的淺層地區(qū)的煤炭面臨枯竭，而在一千多米以下的煤層仍然存在大量煤礦[2]。所以，深部掘進開采技術成為了煤炭發(fā)展的重中之重。而在深部巖巷掘進中，爆破效果與技術直接影響到了煤炭開采。本項目以淮北礦區(qū)為實例進行分析，測量輔助眼與周邊眼的爆破參數(shù)對于爆破效果的影響[3]。從而在以后的煤炭開采中實現(xiàn)更好的爆破效果，提高煤炭開采效率，減低煤炭成本，提高工程的效益。

1 爆破參數(shù)的確定

在煤炭掘進中,需要進行爆破。而爆破效果的好壞取決于所選擇的爆破參數(shù)。而在本次實驗中,所需要計算的爆破參數(shù)有炮眼排距、炮眼眼口間距、炮眼堵塞長度、炮眼直徑、單孔裝藥量等。

2 爆破參數(shù)的計算

2.1 輔助眼爆破參數(shù)的計算

輔助眼起爆有兩個自由表面。最明顯的影響是開孔爆轟后形成的自由面與炮孔方向平行[4]。因為自由面的作用,單位體積下巖石消耗的相關的藥量會減少，且其中的每個孔洞內放置的藥的質量會增加，這就導致了炮眼之間的距離會相隔較遠。因為自由面的作用,輔助眼炮眼深度比掏槽眼略淺,約為掏槽眼深度0.85倍-0.90倍,炮眼與掏槽眼的炮眼的直徑大小是相同的，此外根據(jù)巖石類型和性質的不同，炸藥與掏槽眼所用的炸藥的類型也相同。

(1)炮眼之間的排距

目前的相關實驗研究表明,當布眼方式為小排距寬孔距時，在這種狀態(tài)下所產(chǎn)生的爆炸力的能量將被充分發(fā)揮于巖石中，且作用力均勻，其中關于炮眼的密集系數(shù)m:

(1)

式中：a表示炮眼之間的距離,m;b表示炮眼之間的排距,m。

當炮眼的密集系數(shù)達到m=1.0-2.0時,效果是最好的，目前的實際工程中，通常設定m=1.0-1.2。

(2)發(fā)生堵塞的炮眼的長度

根據(jù)文獻[5],分析不同普氏系數(shù)f巖石下，其炮泥堵塞的長度,結合實際的工程作業(yè),輔助眼的炮泥長度L2≈b,當巖石的普氏系數(shù)f≤4時,其堵塞的長度需要滿足L2≥1.0 m的條件。

(3)單孔內裝藥的質量

單孔內裝藥的量可以通過下面的公式計算得出：

(2)

也可按公式(3)計算:

Q=abLq輔

(3)

式中：q輔為輔助眼單位體積消耗炸藥的質量,kg/m3。

在自由面的存在情況下q輔=q標。由于巖石的性質的不同，其進行爆破時，單位體積下需要的藥量也不同，輔助眼破單位體積下消耗藥的質量與巖石的普氏系數(shù)間的關系如表1所示。

通過對炮眼的直徑db、炮眼的深度Ls以及不同巖石下輔助眼單位體積下所消耗藥的質量q輔,根據(jù)a=(1.0-1.2),L2=b，依據(jù)式(2)和式(3)把輔助眼之間的距離a、排距b以及炮泥堵塞的長度L2、單個孔洞的裝藥量Q進行確定。輔助眼的炮孔之間的距離與巖石的普氏系數(shù)間的關系如表2所示。

表1 輔助眼破單位體積下消耗藥的質量與巖石的普氏系數(shù)間的關系

表2 輔助眼的炮孔之間的距離與巖石的普氏系數(shù)間的關系

2.2 周邊眼爆破參數(shù)計算

井巷掘進爆破工程中,周邊眼炮眼深度取與輔助眼相同值,起爆后要達到光面爆破效果,在進行相關結構的選擇時必須充分考慮到相關的系數(shù)以及單孔裝藥量,從而確保在爆炸發(fā)生時,其作用力能夠均勻,且炮眼壁不會產(chǎn)生被壓碎的現(xiàn)象[6]；合理確定炮眼間距使炮眼連線方向由于拉應力而斷裂;合理確定光爆層厚度及炮眼密集系數(shù)使周邊眼沿炮孔連線方向斷裂的同時,光爆層得到有效破碎。

(1)裝藥結構

炮孔內的炸藥發(fā)生爆炸以后,當其產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過逐漸消減成為壓應力波時,該波將會在巖石上形成徑向上的壓應力以及切向方向上的拉應力。需要注意的是巖石的抗拉的能力較低,因此在徑向上很容易因為拉力作用而產(chǎn)生裂痕。其中巖石所受到的切向應力和徑向應力的大小可以表示為:

(4)

式中：σr為徑向應力，MPa；r為距離藥包中心的距離，m；P為炮孔壁上的沖擊應力，MPa。

σQ=m5σr

(5)

σQ為切向應力，MPa；m5=σQ/σr，其中

(6)

進行裝藥處理時，炮眼壁所產(chǎn)生的沖擊壓力為:

(7)

式中：dc為藥卷直徑，m；db為炮眼直徑，m；m6為表示在出現(xiàn)轟爆時，其產(chǎn)物在產(chǎn)生撞擊時對受力物體的壓力增大的系數(shù)。

當巖石沒有出現(xiàn)破碎的情況時，表明其抗壓強度比此時所受到的沖擊力要小，可表示為：

σr≤m7[σ壓]

(8)

式中:m7為巖石動態(tài)抗壓強度增加系數(shù)，m7=4.0-5.0；[σ壓]為表示靜態(tài)狀態(tài)下巖石的抗壓強度，MPa。

在實際的工程作業(yè)中，一般情況下我們把n軸的取值控制在3.0-4.0,n徑的取值則在1.2-1.5之間。硬巖應取較小值。

(2)單孔裝藥量

根據(jù)相關數(shù)據(jù)以及系數(shù)的大小，可推算出單孔裝藥量的值是：

(9)

工程中一般按下式計算單孔裝藥量：

Q=q線L

(10)

式中：q線為炮孔裝藥量與長度的比值，150 kg/m-250 kg/m。

(3)炮眼間距

周邊孔間距的計算方法有很多種，但大多是基于爆炸應力波理論和爆轟氣體的綜合作用。其中巖石的能夠承受的拉力較小，壓力較大，因此由于爆孔線在其切線方向處有產(chǎn)生拉應力，因此巖石上容易出現(xiàn)裂紋。

巖石在力σQ下使得其出現(xiàn)裂紋的條件是:

σQ≥St

(11)

式中：σQ為切向方向上的拉應力，MPa。

巖石動抗拉的強度用字母St來表示，MPa。

提出的公式(4)和公式(5)所展現(xiàn)的內容，可以通過計算得出單孔裂隙半徑大小可表示為：

(12)

式中：rk來表示為單孔裂隙半徑，m。

當多個空洞之間發(fā)生相互作用時，其出現(xiàn)的裂隙的半徑應該隨著應力的集中而出現(xiàn)的更大，根據(jù)相關實驗研究，之所以周邊眼出現(xiàn)了相鄰炮孔貫穿的現(xiàn)象，是因為爆炸后的爆生氣體進入了裂縫中，使裂縫延伸后貫通[7-8]。但為了確保裂縫之間貫通，要求應力波作用使裂縫貫通基礎上，爆生氣體使裂隙寬度進一步加大。為此，必須滿足：

Padb=(a-2rk)St

(13)

(14)

(15)

在實際工程作業(yè)中，一般情況下，周邊的眼炮之間的距離設置在300 m-500 m之間，根據(jù)巖石性質的不同，a的大小也會有所不同，當巖石為硬巖時，a取最大值，如果是軟巖則取值情況完全相反。關于a的取值大小，周邊眼炮之間距離與巖性普氏系數(shù)的關系如表3所示。

表3 周邊眼炮之間距離與巖石巖性普氏系數(shù)的關系

(4)光爆層厚度

光面爆破的效果會受光面爆破層得厚度影響。超過一定厚度的光面爆破層會導致巖石無法被破碎，不能向下切割。相反,如果平滑層的厚度過小,并因為圍巖裂縫反射波的作用 ,將影響圍巖的穩(wěn)定性,甚至導致圍巖下降,超挖和不均勻壁隧道光面爆破層的合理厚度可以根據(jù)電裝藥決定[9-11]。

周邊眼裝藥量可按下式計算：

(16)

式中：q標為標準拋擲爆破單位體積耗藥量，kg/m3；w周用來表示光爆層的厚度，m；a表示眼炮之間雙眼之間的距離，m；n為爆破作用指數(shù)，對于周邊眼光面爆破，采用弱拋擲，取n=0.75。

工程中一般根據(jù)炮眼間距和炮眼密集系數(shù)：

(17)

式中：m為炮眼密集系數(shù)，可取m=0.7-0.9。

依據(jù)以上分析可以估算炮眼間距a、光爆層厚度w周及單孔裝藥量Q。

3 結 語

(1)周邊眼的炮眼間距在不同的巖性普氏系數(shù)的增長量大致相同，較為平緩。

(2)輔助眼單位體積消耗炸藥的藥量隨著巖石普氏系數(shù)的增加而增長，在f=2-10時增長緩慢，而在f=10-12時增長較大。

(3)在爆破時，關于相關參數(shù)的選擇，其中最主要的影響因素就是巖石的性質，當在實際的工程作業(yè)中對周邊眼以及輔助眼的相關參數(shù)進行確定時，需要對巖石的普氏系數(shù)先進行研究。