孫小娜

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100040)

0 引言

目前,我國(guó)大多數(shù)煤礦巖巷采用的鉆爆法施工,普遍表現(xiàn)出拋擲巖石大塊率高、炮眼利用率低、圍巖損傷嚴(yán)重、作業(yè)環(huán)境惡劣等問(wèn)題[1-2],導(dǎo)致巖巷施工效率低、安全性差。另外,由于綜采機(jī)械化的發(fā)展,采掘接續(xù)緊張的局面更加突出,因此加強(qiáng)煤礦巖巷鉆爆法快速掘進(jìn)技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,而影響巖巷鉆爆法掘進(jìn)速度的關(guān)鍵在掏槽。

關(guān)于掏槽爆破,歸根到底是研究最優(yōu)的掏槽形式,目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了不少的成果:梁瑞、單仁亮等[3-4]結(jié)合直眼和楔形掏槽的優(yōu)點(diǎn)提出了準(zhǔn)直眼掏槽,并在正興礦、河?xùn)|礦、晉華宮煤礦進(jìn)行了應(yīng)用,提高了炮眼利用率,降低了單位炸藥消耗量;Fourney W. L等[5]進(jìn)行了空氣間隔爆破理論與應(yīng)用研究;宗琦和孟德君[6]探究了不同炮孔裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸能量傳遞的影響;胡建華等[7]采用AUTOCAD和ANSYS聯(lián)合建模構(gòu)建了單楔形爆破數(shù)值模型,并對(duì)比分析了單楔形掏槽爆破和直眼掏槽爆破效果,結(jié)果表明同等條件下,單楔形掏槽爆破掏槽體積明顯更大;楊仁樹(shù)、張召冉等[8]進(jìn)行中深孔掏槽爆破理論及其在硬巖巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用研究;戴俊、楊永琦[9-10]開(kāi)展了三角柱直眼掏槽爆破的試驗(yàn)研究,提出爆破后槽腔的形成過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。

大量學(xué)者開(kāi)展掏槽爆破的理論與應(yīng)用研究[11-13],推動(dòng)著巷道爆破技術(shù)水平的提高,但兩種掏槽方式在硬巖巷道中的優(yōu)劣對(duì)比還不夠直觀。由于巖石強(qiáng)度較大,硬巖巷道鉆爆法施工對(duì)爆破塊度、炮孔利用率等都帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此本文以霍州煤電三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運(yùn)輸巷為工程背景,應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA模擬直眼和楔形掏槽爆破應(yīng)力波的傳播以及對(duì)周圍巖體的壓力和損傷破壞,以便更加直觀地對(duì)比兩種掏槽方式的特點(diǎn)和區(qū)別,為硬巖巷道中楔形掏槽方式的選擇提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計(jì)算及對(duì)比分析

1.1 掏槽模型建立

由于本文只研究爆破近區(qū)不同掏槽爆破形式下對(duì)巖體的影響,因此只模擬了一對(duì)掏槽眼(見(jiàn)圖1)。模型尺寸如表1所示。巖石單元網(wǎng)格為1 cm×1 cm×1 cm,炸藥、炮泥單元網(wǎng)格為0.5 cm×1 cm×1 cm,空氣單元網(wǎng)格為0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm,單元總數(shù)23萬(wàn)。

表1 掏槽模型參數(shù)

固體采用了Lagrange算法,流體采用AIE算法,固體和固體間、流體和流體間采用共節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)能量的傳遞;流固耦合實(shí)現(xiàn)固體和流體間能量傳遞。炸藥本構(gòu)采用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN,結(jié)合JWL狀態(tài)方程,通過(guò)選取合適的參數(shù)來(lái)模擬實(shí)際工程中采用的工業(yè)乳化炸藥,如表2所示;巖石采用*MAT_RHT本構(gòu),該本構(gòu)能夠較為真實(shí)地模擬常見(jiàn)巖石的物理力學(xué)特性,且能夠體現(xiàn)巖體的損傷情況,如表3所示。針對(duì)三交河礦實(shí)驗(yàn)巷道巖石硬度、強(qiáng)度較大,結(jié)合圍巖測(cè)試結(jié)果,將*MAT_RHT本構(gòu)的抗壓強(qiáng)度設(shè)置為107.8 MPa。炮泥本構(gòu)采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC來(lái)模擬;空氣本構(gòu)采用*MAT_NULL,結(jié)合狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來(lái)模擬。由于炮泥和空氣參數(shù)為常用參數(shù),不再單獨(dú)列出。

表2 炸藥材料物理力學(xué)參數(shù)

表3 巖石材料物理力學(xué)參數(shù)

1.2 兩種掏槽爆破下應(yīng)力波傳播過(guò)程對(duì)比

兩個(gè)掏槽孔是同時(shí)在t=0 μs起爆的,所以兩個(gè)炮孔的傳播過(guò)程幾乎完全一致。另外,由于整個(gè)模型是個(gè)只有三層厚的“薄板”,為了防止爆破后RHT單元產(chǎn)生嚴(yán)重畸變,約束整個(gè)模型除了自由面以外的所有面,控制其不產(chǎn)生超出模型以外的位移,同時(shí)定義除自由面以外的所有面都是無(wú)反射。

1)直眼掏槽應(yīng)力波傳播。如圖2(a)所示,t=29.7 μs時(shí),直眼掏槽孔的炸藥完全起爆,應(yīng)力波呈錐形分布;t=59.5 μs時(shí),應(yīng)力波傳遞到兩幫,由于約束造成了應(yīng)力的積聚;t=99.9 μs時(shí),兩個(gè)直眼掏槽孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在兩孔中間附近相遇并發(fā)生疊加;t=109.9 μs時(shí),兩炮孔中間附近應(yīng)力疊加明顯達(dá)到3 420 MPa以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置應(yīng)力。

2)楔形掏槽應(yīng)力波傳播。如圖2(b)所示,t=29.7 μs時(shí),楔形掏槽孔的炸藥完全起爆,應(yīng)力波呈錐形分布,與直眼掏槽相比,爆破速度一致;t=59.5 μs時(shí),應(yīng)力波還未傳遞到兩幫,但由于楔形孔在底部距離較近,兩個(gè)楔形掏槽孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在兩孔中間附近相遇并發(fā)生疊加,應(yīng)力達(dá)到7 200 MPa,遠(yuǎn)大于巖石的抗壓強(qiáng)度;t=99.9 μs時(shí),應(yīng)力波傳到兩幫,但由于能量在中心眼附近消耗較大,與直眼掏槽相比,兩幫的應(yīng)力波強(qiáng)度明顯降低;t=109.9 μs時(shí),兩孔中間附近應(yīng)力疊加強(qiáng)度在2 370 MPa以上。

從應(yīng)力波傳播的角度來(lái)看,楔形掏槽爆破由于炮孔位置較近,爆破后應(yīng)力波更容易在中心孔附近積聚疊加,可以使爆破能量更多的消耗在需要破碎的兩孔之間;而直眼掏槽爆破,能量分布較為均勻,但會(huì)造成能量在兩幫過(guò)度的消耗。

1.3 爆破應(yīng)力波對(duì)兩孔中間區(qū)域影響對(duì)比

為了更直觀的分析兩種掏槽爆破方式下對(duì)兩孔中間區(qū)域的影響,在兩孔中間軸向方向上每隔15 cm取一個(gè)測(cè)點(diǎn),共取5個(gè)測(cè)點(diǎn),依次為A,B,C,D,E。

1)直眼掏槽爆破下兩孔中間區(qū)域應(yīng)力曲線。如圖3(a)所示,五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值都發(fā)生在109 μs時(shí),這是因?yàn)橹毖厶筒郾?兩掏槽孔間距較大,能力傳播需要時(shí)間更長(zhǎng),其中A1點(diǎn)的最大應(yīng)力為2 500 MPa,B1點(diǎn)最大應(yīng)力為3 500 MPa,C1點(diǎn)的最大應(yīng)力為1 300 MPa,D1點(diǎn)的最大應(yīng)力為200 MPa,E1點(diǎn)最大應(yīng)力僅為50 MPa。

2)楔形掏槽爆破下兩孔中間區(qū)域應(yīng)力曲線。如圖3(b)所示,由于楔形掏槽眼間距較近,五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力值發(fā)生在50 μs～100 μs附近。其中A2點(diǎn)的最大應(yīng)力為5 400 MPa,B2點(diǎn)最大應(yīng)力為6 400 MPa,C2點(diǎn)的最大應(yīng)力為6 000 MPa,D2點(diǎn)的最大應(yīng)力為2 500 MPa,E2點(diǎn)最大應(yīng)力僅為1 000 MPa。

從直眼掏槽與楔形掏槽爆破對(duì)兩孔中間區(qū)域的影響來(lái)看,楔形掏槽爆破五個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)大于直眼掏槽爆破,這是因?yàn)樾ㄐ翁筒鄣谋聘嗟南脑趦煽字虚g附近,而直眼掏槽爆破的能量在兩幫消耗更多。

1.4 兩種掏槽爆破下巖體損傷破壞對(duì)比

RHT本構(gòu)模型能夠在pre-post后處理中查看巖體的損傷程度。當(dāng)損傷值達(dá)到1時(shí)認(rèn)為巖石破碎,當(dāng)損傷值為0時(shí)認(rèn)為巖石沒(méi)有產(chǎn)生破壞。

1)直眼掏槽爆破下巖體損傷。如圖4(a)所示,t=9.9 μs～59.5 μs時(shí),直眼掏槽孔的炸藥逐漸起爆,巖石的損傷基本沿著炮孔軸向擴(kuò)展;t=79.6 μs時(shí),由于兩幫能量積聚過(guò)大,巖體發(fā)生破壞,消耗大量的爆破能;t=109.9 μs時(shí)兩炮孔中間附近沒(méi)有造成巖石的損傷破壞,兩幫反而有較大的損傷破壞。

2)楔形掏槽爆破下巖體損傷。如圖4(b)所示,t=9.9 μs～59.5 μs時(shí),楔形掏槽孔的炸藥逐漸起爆,巖石的損傷基本沿著炮孔軸向擴(kuò)展;t=79.6 μs時(shí),由于應(yīng)力波在兩孔中間附近積聚疊加,并開(kāi)始產(chǎn)生損傷破壞,t=109.9 μs時(shí),兩孔中間附近巖石的損傷繼續(xù)增加,而兩幫的巖體由于能量較少?zèng)]有產(chǎn)生新的損傷破壞,t=149.9 μs時(shí),兩孔中間附近的損傷與掏槽孔的損傷連成一片,造成掏槽孔附近的巖體大范圍破壞,然后由于拋擲作用從自由面拋出,符合工程預(yù)期需求。

因此從巖體損傷破壞的角度來(lái)看,與直眼掏槽相比,楔形掏槽能夠更多地把爆破能量積聚疊加在兩炮孔中間附近,造成兩炮孔中間附近大范圍損傷破壞,有利于巷道斷面巖體的破壞拋出。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運(yùn)輸巷為致密的中細(xì)粒砂巖,為硬巖巷道。根據(jù)第1節(jié)關(guān)于直眼和楔形掏槽爆破效果數(shù)值模擬研究成果,該工程巷道采用楔形掏槽爆破方案,布置4對(duì)主楔形掏槽眼,掏槽眼長(zhǎng)度3.0 m、水平間距1.4 m、孔底間距0.2 m,其他炮孔布置如圖5所示。

楔形掏槽爆破結(jié)合配套的機(jī)械化排矸系統(tǒng),三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明:炮孔利用率高,大塊率低,循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到2.5 m以上,月進(jìn)尺最高為156 m,月平均進(jìn)尺103 m,顯著提高成巷速度。

3 討論

由于本人的水平有限,依然存在不少問(wèn)題亟待解決:1)對(duì)研究?jī)?nèi)容不夠全面。本文主要切入點(diǎn)是通過(guò)選擇合理的掏槽方式來(lái)提高巖巷掘進(jìn)速度。而實(shí)際掏槽方式的選擇、周邊眼定向爆破控制技術(shù)、配套的全液壓鉆車及側(cè)卸裝巖機(jī)作業(yè)線三個(gè)方面需要協(xié)同作用才能最大限度提高巖巷進(jìn)尺。2)研究方法單一。本文主要采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究,缺乏相關(guān)的理論分析,如對(duì)不同掏槽方式下爆生產(chǎn)物對(duì)周圍巖體地作用機(jī)理等。

4 結(jié)論

LS-DYNA數(shù)值模擬結(jié)果及霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運(yùn)輸巷楔形掏槽爆破的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用共同表明:楔形掏槽爆破有利于槽腔底部巖石的破碎及其拋擲,進(jìn)而有利于槽腔的形成和后續(xù)出渣,大大提高實(shí)際成巷速度。因此建議硬巖巷道鉆爆法施工工程中采用楔形掏槽方式。