摘" 要：針對煤礦火燒巖臺階爆破效果不理想問題，通過理論分析、數(shù)值模擬、實驗室實驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，以大南湖二號露天煤礦為例，研究火燒巖的物理力學(xué)特性、爆破破碎機理以及影響爆破的因素，優(yōu)化爆破參數(shù)。研究表明：巖體在高溫作用后強度變低、易破碎、裂隙極發(fā)育。爆破時，若裂隙方向與應(yīng)力波傳播方向平行，會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；若裂隙方向與應(yīng)力波傳播方向不平行，則在裂隙處會發(fā)生應(yīng)力波反射與折射現(xiàn)象，縮短應(yīng)力波作用時間，加劇炮孔周圍巖體的破碎程度。采用泥漿護孔能夠提高火燒巖臺階的成孔率，結(jié)合火燒巖爆破破碎機理優(yōu)化爆破方案，通過現(xiàn)場爆破試驗，驗證了優(yōu)化后爆破參數(shù)的適用性。

關(guān)鍵詞：火燒巖爆破；爆破參數(shù)優(yōu)化；節(jié)理裂隙；破碎機理；應(yīng)力傳播；泥漿護孔

中圖分類號：TD824" " " " " " " " "文獻標(biāo)志碼：A" " " " " " " " "文章編號：1008-0562（2024）05-0556-09

Blasting fragmentation mechanism and blasting parameter optimization of coal mine burned rock

SONG Ziling1， JIA Zhengzhao2，3， WEN Yu2

（1. School of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China;

2. School of Mining， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China;

3. China Coal Research Institute， Beijing 100013， China）

Abstract： In order to solve the problem of unsatisfactory bench blasting effect of burnt rock in coal mine， through the combination of theoretical analysis， numerical simulation， laboratory experiment and field test， taking Dananhu No.2 open-pit coal mine as an example， the physical and mechanical properties of burnt rock， the mechanism of blasting fragmentation and the factors affecting blasting are studied， and the blasting parameters are optimized. The research shows that the strength of rock mass becomes low and easy to break after high temperature， and the cracks in rock mass are very developed. When blasting， if the crack direction is parallel to the stress wave propagation direction， the stress concentration phenomenon will occur. If the fracture direction is not parallel to the propagation direction of stress wave， the reflection and refraction of stress wave will occur at the fracture， which will shorten the action time of stress wave and aggravate the fragmentation degree of rock mass around the borehole. The use of mud to protect the hole can improve the hole forming rate of the incendiary rock step. The blasting scheme is optimized in combination with the blasting crushing mechanism of the incendiary rock. The applicability of the blasting parameter optimization is verified by the field blasting test.

Key words： burned rock blasting; blasting parameter optimization; joint fissure; crushing mechanism; stress propagation; mud protection hole

0" 引言

火燒巖亦被稱為燒變巖，是由于煤層自燃導(dǎo)致圍巖受熱烘烤“變質(zhì)”而形成的一種特殊類型的巖體，其結(jié)構(gòu)較疏松、滲透性強、強度低，火燒巖爆破的難點是節(jié)理裂隙對爆破的影響較大。眾多學(xué)者通過理論分析、實驗室實驗等方法分析了巖體中宏觀裂紋的成因、發(fā)展規(guī)律，以及巖體結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律。DONG等[1]為探究圓柱形應(yīng)力波在原位受力巖體中的傳播和衰減規(guī)律，開展了不同初始應(yīng)力下圓柱形爆破應(yīng)力波在完整巖體和節(jié)理巖體中傳播的模型試驗，研究表明隨著圍壓的增大，完整巖體中柱面波的物理衰減呈先減小后增大的變化趨勢，節(jié)理巖體中柱波的傳輸系數(shù)隨節(jié)理角的增大而減小。ZENG等[2]基于Froude相似性原理提出了完整巖體和節(jié)理巖的地質(zhì)力學(xué)模型，研究表明隨著節(jié)理角度的增加，爆破應(yīng)力波的峰值速度、傳輸系數(shù)和反射系數(shù)均逐漸增大，衰減系數(shù)逐漸減小。LIU等[3]為研究爆破載荷作用下節(jié)理巖體的斷裂特性，采用基于有限元法和統(tǒng)計損傷理論的巖石動態(tài)斷裂RFPA2D分析軟件，模擬了爆破過程中不同節(jié)理幾何特征巖體的斷裂過程，分析了節(jié)理距爆破孔的距離、節(jié)理長度、節(jié)理數(shù)量和節(jié)理角度對巖體斷裂的影響，研究表明隨著節(jié)理與爆破孔距離的不斷增大，節(jié)理對巖體爆破效果的影響逐漸減小。SIM等[4]通過分析炮孔的裂紋擴展規(guī)律，提出一種評價巖體爆破二維破碎區(qū)的簡單方法。張電吉[5]建立了不同類型節(jié)理的裂隙模型，研究表明巖體中的細小弱面能夠促進巖體破碎，大的裂隙會導(dǎo)致爆破后巖體大塊率提高。彭恒[6]建立了含節(jié)理裂隙的巖體模型，在爆破過程中對模型中節(jié)理裂隙的應(yīng)力波進行了測試，明確了爆炸應(yīng)力波在巖體節(jié)理裂隙的傳播規(guī)律。李鵬等[7]對比了完整巖體與裂隙巖體模型在爆炸過程中的應(yīng)力波質(zhì)點速度，明確了層狀節(jié)理巖體中應(yīng)力波與能量的衰減規(guī)律。邊俊城[8]通過在均質(zhì)巖體數(shù)值模型中加入不同寬度、材料、角度的節(jié)理裂隙，明確了應(yīng)力波的傳播規(guī)律及不同因素對減緩爆破振動的影響。許浩明[9]利用擺錘沖擊試驗測試含平行、相交節(jié)理的巖體模型的應(yīng)力波特性及動態(tài)抗壓強度，得出含節(jié)理裂隙的巖體破壞模式。蔣文豪[10]通過PFC2D建立了不同幾何特征的節(jié)理巖體模型，研究表明爆生裂紋會優(yōu)先通過原生裂紋向外延伸和擴張，且節(jié)理的間隔距離越大這種情況越明顯。

受限于研究時的技術(shù)條件以及爆破安全要求，目前對爆破理論的研究大部分局限于實驗室，且研究對象大部分以層狀節(jié)理為主，對燒變巖特性顯著、巖體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的特殊巖層的爆破研究較少，研究的系統(tǒng)性、規(guī)模性不足[11-15]。由于火燒巖裂隙極發(fā)育，巖性較脆，穿孔成孔率低，爆破會出現(xiàn)大塊、傘檐并產(chǎn)生大量的粉塵，嚴重影響煤礦穿孔爆破作業(yè)效率和爆破效果。穿孔爆破是煤礦生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，直接影響煤礦的整體作業(yè)效率和經(jīng)濟效益。因此，以大南湖二號露天煤礦為研究對象，對煤礦火燒巖的爆破破碎機理和爆破參數(shù)的優(yōu)化問題開展研究。采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立研究對象的爆破模型，與PFC-2D軟件結(jié)合模擬爆炸過程，分析火燒巖臺階深孔爆破機理，以此為基礎(chǔ)對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，并采用優(yōu)化后的參數(shù)進行現(xiàn)場爆破試驗，驗證優(yōu)化參數(shù)的可行性。

1" 火燒巖特性及爆破效果分析

1.1" 火燒巖特性

煤層自燃會導(dǎo)致煤層上覆巖系及圍巖發(fā)生燒變、烘烤，巖體變脆易碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體呈片狀、板狀、碎塊狀、楔形、菱形體等。鄰近燃燒煤層的頂板，巖貌表現(xiàn)為熔融巖，局部有發(fā)育微小的氣孔構(gòu)造。燒變巖的總體巖貌以紅色色調(diào)為主，其次為淺黃、黃、灰白等雜色，鉆孔難度大[16]。

大南湖二號露天煤礦位于新疆哈密市西南部，坐落于被殘積、坡積巖屑層所覆蓋的南湖荒漠戈壁上。礦區(qū)常年無降水，無地表徑流及水體，地下水無補給來源，屬于相對獨立、封閉、貧水的極度干旱地區(qū)。由于氣候干燥，太陽輻射強烈，日照強度高，降雨量少，煤層較厚且覆蓋層較淺，極易自燃，火燒巖發(fā)育。煤礦火燒區(qū)與采區(qū)的關(guān)系見圖1。在礦區(qū)范圍內(nèi)存在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ火燒區(qū)，其中，Ⅱ、Ⅲ火燒區(qū)位于礦田東部，Ⅳ火燒區(qū)位于礦田中北部。

火燒區(qū)Ⅳ面積約為7.06 km2，有47個鉆孔，燒蝕煤層層位為3～17煤，燒蝕深度為7.11～87.55 m，燒變巖厚度為7.11～76.84 m，地面標(biāo)高為467.05～557.04 m?；馃龑訉游患性?1～16煤組，火燒前地勢較高，火燒后坍塌變低，經(jīng)后期改造后呈帽狀覆于煤系之上，燒變巖體邊界較規(guī)則。據(jù)鉆孔揭露成果，火燒巖強度指數(shù)為5.23～61.27 MPa，平均強度為18.87 MPa；巖體天然狀態(tài)下抗壓強度為0.5～80.9 MPa，平均抗壓強度為29.25 MPa，飽和狀態(tài)下抗壓強度為1.5～61.6 MPa。巖體質(zhì)量以極劣為主，巖體破碎，穩(wěn)固性差。

1.2" 爆破效果影響因素分析

煤礦首采區(qū)采場現(xiàn)狀與火燒巖區(qū)示意見圖2。首采區(qū)剝采作業(yè)已大面積進入火燒區(qū)Ⅳ，導(dǎo)致煤礦工作幫的北部剝離臺階全部為火燒巖，火燒巖工作線長度占比超過二分之一。

（1）火燒區(qū)巖體臺階爆破存在的問題分析

煤礦火燒巖臺階爆破現(xiàn)狀見圖3。存在的問題如下：①火燒巖臺階穿孔作業(yè)成孔率低，爆破效果差。這是由于火燒區(qū)巖體破碎，穩(wěn)固性差，隨著鉆機鉆桿的提升，孔壁發(fā)生坍塌，無法形成正常炮孔，鉆孔成孔率較低，一般為30%。②鉆孔作業(yè)效率低。這是由于巖體裂隙發(fā)育、巖體破碎，鉆機作業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)夾鉆桿現(xiàn)象，重復(fù)打孔工作量大。③爆破后大面積出現(xiàn)“硬幫”“傘檐”現(xiàn)象，見圖3（a）和圖3（b）。這是由于鉆孔成孔率低，導(dǎo)致大面積爆破區(qū)域無鉆孔，無法裝藥爆破。④大塊率高。爆破后巖體大塊見圖3（c），這是由于火燒巖裂隙發(fā)育且不均勻，成孔率低，爆破無法完全按設(shè)計進行。⑤爆破效果差，采裝作業(yè)效率低，影響煤礦的經(jīng)濟效益。⑥火燒區(qū)鉆孔作業(yè)及爆破作業(yè)產(chǎn)生大量的粉塵，嚴重污染煤礦區(qū)大氣環(huán)境。

（2）火燒區(qū)巖體臺階爆破效果影響因素

影響火燒巖爆破效果的因素如下：①火燒巖變脆、破碎、穩(wěn)固性差。②火燒巖裂隙發(fā)育且分布不均勻。③由于鉆孔成孔率低，導(dǎo)致實際爆破參數(shù)（孔距、行距、孔深、孔徑等）不達標(biāo)。

2" 火燒巖臺階深孔爆破破碎機理

巖體燒變過程中膠結(jié)物發(fā)生分解，原生巖體在熱脹冷縮、地應(yīng)力及風(fēng)化作用下發(fā)生斷裂位移，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)疏松，裂隙發(fā)育且分布不均勻，原生沉積層理擴張后形成燒變巖。煤層自燃導(dǎo)致上覆巖層受熱烘烤“變質(zhì)”，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)多處巖體剖面的層理、結(jié)構(gòu)及顏色將火燒區(qū)巖層自下而上分為“燒熔巖帶”“燒變巖帶”“烘烤巖帶”，但大部分區(qū)域區(qū)帶劃分并不明顯。通過實驗室實驗獲取火燒區(qū)3種巖體的物理力學(xué)參數(shù)，整體上火燒區(qū)巖體的力學(xué)參數(shù)較常規(guī)砂巖低。

2.1" 火燒巖爆破數(shù)值模型的建立

ANSYS/LS-DYNA軟件能通過內(nèi)置的炸藥狀態(tài)方程準確模擬爆炸應(yīng)力波的傳播過程，離散元軟件PFC2D能較為準確地模擬巖體破裂過程，因此，基于燒變巖爆破破壞的作用類型，采取ANSYS/LS-DYNA與PFC2D數(shù)值模擬相結(jié)合的方式獲取爆破載荷，模擬應(yīng)力波與爆生氣體膨脹壓力的共同破壞作用，研究燒變巖內(nèi)隨機裂隙對爆破作用的影響規(guī)律[17-18]。

（1）數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

選取巖層中含量最多的燒結(jié)巖的物理力學(xué)參數(shù)作為數(shù)值模擬的宏觀力學(xué)參數(shù)，見表1。

PFC2D 數(shù)值模擬時，設(shè)置微觀參數(shù)來定義平行黏結(jié)模型中顆粒之間的力學(xué)行為。一般認為數(shù)值模擬時巖體表現(xiàn)出的力學(xué)行為與真實物理實驗中表現(xiàn)的力學(xué)行為相近，則所選取的細觀參數(shù)較合理[19]。燒變巖模型的微觀參數(shù)見表2，裂隙細觀參數(shù)見表3。

（2）聯(lián)合方式獲取爆破載荷

在ANSYS/LS-DYNA有限元軟件中選取*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_ BURN材料模型，利用SHELL單元軸對稱算法實現(xiàn)巖體爆破過程。通過ANSYS/LS-DYNA軟件中的炸藥數(shù)值模型選取炸藥類型，設(shè)置炸藥參數(shù)，表述炸藥性質(zhì)的JWL狀態(tài)方程為

（1）

式中： 為爆轟壓力，Pa； 、 、 、 為炸藥特征參數(shù)； 為相對體積； 為初始化內(nèi)能，Pa；ω為特定熱容量比。

采用2#乳化炸藥，炸藥材料模型參數(shù)見表4，特征參數(shù)見表5。

將建立的爆破模型輸出為ANSYS/LS-DYNA求解器所需要的K文件后，模擬炸藥爆炸過程。爆破過程模擬云圖見圖4。

選取距離炮孔最近的單元作為監(jiān)測單元，通過LS-PROPOST后處理軟件提取爆破速度時程曲線，見圖5。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PFC2D軟件能夠識別的文件后導(dǎo)入模型試樣，施加在模型孔壁上。

參照文獻[19]和文獻[20]得到作用于炮孔壁上的爆生氣體壓力pg，其載荷形式滿足Weibull分布函數(shù)，即

（2）

式中：m1為形狀參數(shù)，取1.5；n為pg的加載步數(shù)；p0和n0為常數(shù)，p0取47 GPa，n0取100。

爆炸壓力曲線可以反映爆炸壓力隨時間的變化情況。當(dāng)炸藥在空氣中爆炸時，會瞬間產(chǎn)生高溫、高壓、高速的爆炸產(chǎn)物，形成初始沖擊波，即爆炸壓力曲線的峰值。隨著沖擊波的傳播，其正壓區(qū)不斷加寬，波陣面的壓力和傳播速度迅速下降，最后衰減為聲波。根據(jù)式（2）擬合得到的爆生氣體壓力加載曲線見圖6。

（3）黏滯邊界及阻尼的設(shè)定

當(dāng)模型內(nèi)部有爆破載荷作用時，墻體邊界與巖體臺階中的自由面會對爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生強烈的反射作用。數(shù)值模擬時，在左邊界施加黏滯邊界（動應(yīng)力邊界）用于吸收能量。邊界力F與顆粒運動速度 的關(guān)系式為

（3）

式中：rc為顆粒半徑，m；ρc為顆粒密度，kg/m3； C為波速，m/s。

模型中的顆粒在爆破載荷作用下發(fā)生高速運動，所產(chǎn)生的動能會破壞顆粒間的穩(wěn)定性，因此，需設(shè)置阻尼系數(shù)，使顆粒吸收、消耗運動過程中所產(chǎn)生的動能。采用黏性阻尼，通過DAMP命令施加阻尼系數(shù)，忽略接觸處的拉力。所設(shè)置的黏性阻尼方向與顆粒運動方向相反，阻尼強度與顆粒運動速度成正比，即

（4）

式中：Dn、Ds分別為阻尼法向、切向上的力，kN；Cn、Cs分別為法向、切向上的阻尼常數(shù)；Vn、Vs分別為法向、切向上的相對速度，m/s。

2.2" 節(jié)理裂隙對爆破效果的影響

（1）模擬裂隙方法

PFC2D軟件提供了4種模擬節(jié)理、裂隙、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面的方法，見圖7。其中，黏結(jié)強度控制法將裂隙兩側(cè)之間顆粒的黏結(jié)強度賦予較低數(shù)值，該方法操作簡便，通過JSET命令即可設(shè)置，但是生成的裂隙表面粗糙不平，阻礙爆破應(yīng)力沿裂隙面的滑動，見圖7（a）。軟弱充填物模擬法是在相互黏結(jié)的顆粒中選取一定長度和寬度的顆粒作為裂隙，將所選顆粒的屬性賦予較低數(shù)值，該方法適用于張開度大且含有軟弱充填物的裂隙，見圖7（b）。分離顆粒模擬法通過刪除一定厚度的顆粒單元來分離兩側(cè)顆粒，取消顆粒間的相互作用，該方法常用于模擬斷續(xù)非閉合裂隙，見圖7（c）。光滑節(jié)理模型模擬法采用符合莫爾-庫倫強度準則的光滑節(jié)理模型（Smooth-joint模型）來模擬閉合裂隙，能夠?qū)崿F(xiàn)爆破應(yīng)力沿裂隙面的滑動，見圖7（d）。在實際模擬時可結(jié)合巖層結(jié)構(gòu)面特征以及裂隙閉合情況選擇相應(yīng)的模擬方法[4]。

根據(jù)現(xiàn)場巖層剖面調(diào)查，火燒區(qū)中閉合裂隙較多，因此，采用光滑節(jié)理法來模型模擬裂隙。

（2）裂隙分布形態(tài)

在PFC2D軟件中約束裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙面在二維情況下，傾角以順時針旋轉(zhuǎn)為正方向[21-22]。巖體裂隙的細觀特征、位置、排列均是隨機的，數(shù)值模擬時以直線段表示燒變巖中節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀，以模型對角線為分布中心，插入服從Weibull分布的隨機裂隙。

2.3" 火燒巖臺階深孔爆破機理

（1）炸藥爆破破巖階段

炸藥爆破破巖階段可分為以下3個階段。

①徑向壓縮階段。炸藥爆炸后先產(chǎn)生徑向壓縮應(yīng)力波，作用在炸藥周圍巖體上的切向拉應(yīng)力將巖體破碎，產(chǎn)生向自由面擴展的初始徑向裂紋。

②沖擊波反射階段。壓縮應(yīng)力波通過壓碎區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力波后繼續(xù)向自由面?zhèn)鞑?，?jīng)自由面反射變?yōu)榉瓷淅鞈?yīng)力波，此時反射拉伸應(yīng)力波導(dǎo)致自由面發(fā)生層裂或隆起現(xiàn)象，在向炸藥方向傳播的過程中與向自由面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波相互疊加，初始徑向裂紋進一步擴展。

③爆炸氣體膨脹階段。爆炸氣體進入徑向裂隙并作用于裂隙表面，再次促進裂紋擴展，巖塊運動加速，爆炸氣體膨脹產(chǎn)生氣楔作用和拋擲作用。

（2）炸藥爆破作用分析

炸藥的內(nèi)部作用僅局限于炸藥周圍，假設(shè)炸藥四周為無邊界的無限巖體介質(zhì)，爆炸過程不會對巖體表面產(chǎn)生破壞。深埋在巖體內(nèi)部的炸藥爆炸后，隨著巖體與爆源距離的增大爆破作用發(fā)生顯著變化。炸藥爆炸作用形成的破壞區(qū)域分為以下3種。

①壓碎區(qū)。巖體內(nèi)炸藥起爆后，炸藥產(chǎn)生的爆轟壓力在極短時間內(nèi)（數(shù)微秒）迅速增大至103～104 MPa，以遠大于巖體動態(tài)抗壓強度的載荷對周圍巖體產(chǎn)生破壞，巖體受擠壓做徑向運動，從而在炸藥附近形成爆炸空腔，在爆炸空腔外部，形成一個以剪切破壞為主的壓碎區(qū)。

②裂隙區(qū)。在形成壓碎區(qū)的過程中，沖擊波消耗大量能量，快速衰減為小于巖體動態(tài)抗壓強度的應(yīng)力波。在應(yīng)力波作用下，巖體的徑向運動方向與應(yīng)力波傳播方向一致，如果此時切向拉伸應(yīng)力大于巖體的抗拉強度極限，則會形成與壓碎區(qū)聯(lián)通的徑向裂隙，爆生氣體在裂紋端部發(fā)產(chǎn)生楔入效應(yīng)，徑向裂隙進一步擴展延伸。巖體內(nèi)部在爆炸初期壓縮作用下所積攢的彈性變形能在徑向裂隙形成過程中得到釋放，巖體在與壓應(yīng)力波作用方向相反的拉應(yīng)力作用下進行向心運動。當(dāng)徑向拉應(yīng)力大于抗拉強度時巖體被拉斷，爆轟氣體通過膨脹、擠壓及氣楔作用促進初始裂隙的延伸和擴展。隨著徑向、環(huán)向、切向裂隙的形成、擴展和貫通，在緊靠壓碎區(qū)處形成裂隙區(qū)。

③震動區(qū)。壓縮區(qū)與裂隙區(qū)的形成過程消耗了大量爆炸能量，導(dǎo)致所剩能量無法再對巖體產(chǎn)生破壞，只能引起巖體的彈性震動，巖體的彈性震動區(qū)域即為震動區(qū)。

炸藥爆炸對巖體內(nèi)部和外部均產(chǎn)生作用。爆破時，炸藥埋置于距巖體表面較近的位置處，爆炸后巖體發(fā)生開裂、隆起或拋擲，最終在自由面形成一個倒圓錐形爆坑，即爆破漏斗。炸藥爆炸后，應(yīng)力波向四周傳播，應(yīng)力波到達自由面之前，巖體的爆破破壞過程與炸藥的內(nèi)部破壞作用相同；應(yīng)力波到達自由面時，應(yīng)力波被反射為拉伸波并向爆源方向繼續(xù)傳播，若炸藥量充足，自由面會發(fā)生破壞。當(dāng)拉伸波被反射回爆炸空腔時，拉伸波再次發(fā)生反射并轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s波，藥包下部裂紋因拉伸波卸載而停止擴展，爆源上方的巖體在壓縮波、拉伸波與爆炸氣體壓力的共同作用下，在自由面發(fā)生隆起、破裂、鼓包等現(xiàn)象。

（3）爆炸應(yīng)力波的形成與衰減

炸藥爆炸后在巖體內(nèi)產(chǎn)生的強烈沖擊波以超聲速向遠處傳播，傳播距離一般為3R～7R（R為炮孔直徑）。沖擊波在傳播過程中，其應(yīng)力幅值與波速逐漸減小，最終衰減為壓縮應(yīng)力波，壓縮應(yīng)力波的傳播距離一般為120R～150R。當(dāng)壓縮應(yīng)力波的強度衰減到無法再對巖體產(chǎn)生破壞時，便會轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸩ā?/p>

在沖擊波作用范圍內(nèi)，巖體內(nèi)任意一點所引起的徑向應(yīng)力衰減規(guī)律[5-6，13]可表示為

（5）

（6）

式（5）、式（6）中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；P為爆炸空腔應(yīng)力峰值，MPa；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)；" 為比距離，即計算點到炮孔的距離與炮孔半徑的比值；μd為巖體動泊松比，μd=0.8μ，μ為巖體泊松比。

（4）應(yīng)力波衰減規(guī)律驗證

應(yīng)力波測量模擬示意見圖8。建立尺寸為20 m×10 m的數(shù)值模型，模擬爆破區(qū)域的二維平面，約束模型四周邊界附近的顆粒，通過在邊界處顆粒上施加載荷的方式吸收入射的波動能量，模擬應(yīng)力波在無限介質(zhì)中的傳播。爆源在距離左邊界5 m的上下邊界中線處，半徑為0.1 m，初始壓力為50 MPa。在爆源右側(cè)的上下邊界中線處設(shè)置15個測量圓，間隔均為1 m，監(jiān)測應(yīng)力變化。

爆炸過程中應(yīng)力傳播過程見圖9。由圖9可知，炸藥爆炸后爆源周圍巖體的應(yīng)力波呈圓形對稱分布，在無限介質(zhì)中以一定速度持續(xù)向遠處傳播，與已有研究結(jié)果一致，驗證了采用ANSYS/LS-DYNA與PFC相結(jié)合的方式開展爆破模擬是可行性的。

為進一步驗證數(shù)值模擬方法的可靠性，將模型中各測量圓所監(jiān)測的應(yīng)力峰值進行統(tǒng)計分析，得到模擬的應(yīng)力波衰減曲線。根據(jù)式（5）、式（6）得到應(yīng)力波的計算值，與模擬監(jiān)測值進行對比，結(jié)果見圖10。由圖10可知，理論計算與模擬監(jiān)測所得到的應(yīng)力波衰減曲線的變化規(guī)律基本一致，表明模擬方法較可靠。

3" 火燒巖臺階爆破參數(shù)優(yōu)化

3.1" 提高火燒巖臺階成孔率的措施

火燒巖臺階鉆孔成孔率低的主要原因是火燒巖裂隙發(fā)育、易碎，采用泥漿護孔能夠提高火燒巖臺階的成孔率。通過實驗室實驗和現(xiàn)場試驗，確定護孔方式為鉆井液泥漿護孔。采用不進行溶脹的改性膨潤土，護孔漿液密度為140 kg/m3，在護孔漿液中摻入密度為3 kg/m3的玻璃纖維進一步提高碎裂區(qū)炮孔護孔效果。

3.2" 火燒巖臺階爆破參數(shù)優(yōu)化

（1）孔距排距。巖體初始損傷D為0.2，應(yīng)力波對巖體造成的損傷D0為0.5，計算得到耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下破壞區(qū)域半徑為2.736 m，不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下破壞區(qū)域半徑與裝藥直徑、裝藥間隔有關(guān)，徑向不耦合系數(shù)為1.5時，破壞區(qū)域半徑為2.472 m。將破壞區(qū)域直徑視為爆破孔網(wǎng)參數(shù)中的排距。采用三角形布孔，孔距a與排距b滿足b=asin60°=0.866a。燒變巖臺階在耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下的孔距為6.4 m，在不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下的孔距為5.5 m。

（2）裝藥結(jié)構(gòu)。采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，孔距為5.5 m，排距為5 m，裝藥直徑為0.2 m，上半段裝藥距離為4.5 m，下半段裝藥距離為2 m，裝藥間隔距離為1 m。

（3）起爆方式。微差起爆時間間隔為55 ms時，燒變巖臺階爆破效果最好，但產(chǎn)生的破壞程度較高，在實際應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)降低炸藥單耗。

（4）炸藥單耗。燒變巖臺階爆破過程中炸藥單耗最小為0.23 kg/m3。

通過以上分析可知，優(yōu)化燒變巖臺階爆破參數(shù)和工藝后，最終爆破方案為：孔距為5.5 m，排距為5 m，采用柱狀空氣間隔裝藥，間隔距離為1 m，上半段裝藥距離為4.5 m，下半段裝藥距離為2 m，采取排間微差起爆方式，間隔時間為55 ms，炸藥單耗為0.23 kg/m3。

3.3" 優(yōu)化參數(shù)后爆破現(xiàn)場試驗及爆破效果

采用優(yōu)化后的爆破參數(shù)在煤礦火燒巖臺階進行現(xiàn)場試驗，試驗區(qū)爆破效果見圖11。由圖11可知，優(yōu)化參數(shù)后爆破塊度更均勻，在地表形成的爆堆隆起更平整，且未產(chǎn)生深度較大的爆破漏斗，爆破效果較好，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置較合理。

4" 結(jié)論

（1）通過建立數(shù)值模型分析常規(guī)巖體的爆破作用機理，根據(jù)模型監(jiān)測點處應(yīng)力波峰值繪制應(yīng)力變化曲線，與應(yīng)力波傳播的理論計算結(jié)果基本一致，驗證了模型的可靠性。

（2）采用ANSYS/LS-DYNA與PFC2D聯(lián)合數(shù)值模擬方法模擬了火燒巖在應(yīng)力波與爆生氣體共同作用下的爆破破壞過程。模擬結(jié)果表明火燒巖中隨機裂隙方向與應(yīng)力波傳播方向平行時，會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋尖端處最先裂開，大部分爆生氣體能量沿裂隙傳播，直至消耗或沖出巖體；隨機裂隙方向與應(yīng)力波傳播方向垂直或傾斜時，在裂隙處發(fā)生應(yīng)力波反射與折射現(xiàn)象，阻礙應(yīng)力波傳播，縮短應(yīng)力波作用時間，加劇炮孔周圍巖體的破碎程度，消耗大量的爆生氣體能量。

（3）結(jié)合理論分析和實際應(yīng)用得到煤礦火燒巖臺階爆破的優(yōu)化方案，通過現(xiàn)場爆破試驗，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

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