一次性成巷爆破掘进技术研究

邹晓纬

（同煤集团云冈矿工程一队， 山西 大同 037017）

随着国民经济的快速发展，对能源的需求也越来越高。煤矿掘进的快速高效是影响整个煤矿开采效率的关键。爆破作为快速、经济的掘进手段，在矿山建设领域广泛应用，随着长期的理论研究和实践经验，人们对爆破掘进的特征及规律认识逐渐加深[1]。但是，由于长期以来，爆破掘进的主要手段还是依赖现场经验，对于掘进爆破是否能有更优化的方法，爆破过程中是否存在隐性应力危险等均没有理论支撑，使得爆破掘进的施工过程存在很大的主观性[2]。

一次性成巷爆破掘进的施工过程，对巷道围岩应力分布的分析以及巷道围岩应力控制有较高的要求。因此，通过对爆破过程围岩应力进行分析以及合理的仿真研究具有很强的现实意义。

1 爆破原理及影响因素

炸药在岩石中的爆破过程是一个多因素影响下的复杂过程，对于爆破作用的机理也分为爆生气体膨胀作用、应力波反射拉伸作用及爆生气体和应力波联合作用三种基本理论观点[3]。

对于深孔爆破一次性成巷而言，在爆破的初级阶段，应力冲击对于炮孔内岩壁的初始破坏起到关键作用，当气楔产生后，爆生气体作用于岩壁裂隙的生长和延伸[4]。

根据凝聚体炸药爆轰理论，炮孔内爆轰气体平均压力为P0。

式中：ρ0为爆炸密度；D为爆轰速度。

爆轰的瞬间炮孔内岩壁可认为是绝热壁，因此，炮孔内的爆轰膨胀可认为是绝热膨胀，因此有PV3=K，K为常数。爆轰产物撞击炮孔岩壁，并产生冲击波。由于炮孔内空气的可压缩特性，当炮孔内以空气作为垫层时，爆轰气体迅速膨胀，炮孔内药室体积恒定，因此药室内壁压力显著增大，其冲击压力为：

式中：VC为装药体积；Vb为炮孔体积；n为增大系数，取8~11。

根据Rustan 的空气垫层爆轰理论[5]，对于柱形填药的爆炸冲击波可建立力学模型（见图1）。

图1 药孔壁裂缝断裂模型

当爆轰冲击波再岩壁传播时，距离炮室中心线L处的岩石径向压应力σr和周向拉应力σθ为：

式中：σ0为初始冲击压力P作用于炮孔壁的压应力；Lr为比距离；r为炮孔直径；L为裂纹总长；b为侧压系数，此处b≈1。

由于爆轰气体进入冲击产生的岩壁裂缝，形成气楔效应，在裂缝顶端形成应力集中[6]。此时，爆轰气压作用于炮眼壁及裂缝壁，简化的，将压力作用于原始炮眼圆壁，其爆轰气体的势能完全作用于裂缝扩展，则根据爆轰热力学理论，爆轰气体生成的裂纹总长为：

式中：L0为爆轰初始裂缝长度；Pd为爆轰气体静平衡气压；db为炮眼直径；σt为岩壁抗拉强度。

对于爆破掘进的影响因素中，主要有围岩特性、炸药性能及爆破工艺三个方面，炸药的波阻抗、爆力等参数根据围岩的特性进行选择；毫秒延期爆破的合理利用可使爆堆集中，爆破效果明显改善；在爆破断面增加空孔，可增加爆破自由面，改善空孔周围应力状态。

2 掘进爆破的数值模拟

根据上述爆破影响因素分析，空孔效应能改变空孔周围应力状态，是围岩在空孔周围产生应力集中。空孔的一方面可以为一次性成巷起到导向作用，另一方面，空孔可以增加应力波的反射拉伸。

为了分析空孔对一次性成巷爆破掘进中的爆破成腔作用，将爆破掏槽方案制定为，中心两个空孔周围八个装药孔。

建立70 mm×70 mm×450 cm 模型，对称施加约束条件，除自由面外其余施加无反射边界条件。其分析模型如图2 所示。

图2 有限元模型

对图2 模型进行仿真分析，得到如图3 的结果。

图3 两空孔应力云图

由图3 两空孔方案应力发展及爆破过程分析可以看出，第一阶段炸药应力波传递并束缚在炮孔周围，第二阶段炮孔之间应力叠加，掏槽形状初步显现并呈矩形布置，第三阶段第一排和第三排炮孔之间连心线贯通，理论分析中炮孔连心线围岩优先破裂得到验证，第四阶段整个围岩破坏状态良好，成型结果符合预期。中部炮孔连心区域有一部分围岩未破裂，其原因为空孔连线区域破坏较快，说明空孔具有导向作用。

最大压应力出现在装药中心区域，压应力峰值为383 MPa，说明此区域应力波发生叠加，同时根据云图可以看出压应力大小相间分布。

对装药段围岩损伤破坏进行应力曲线生成，得到如图4 所示。

图4 装药段围岩应力曲线

由应力曲线可以看出，炸药能量经过一定过程得传播，某些时间段应力波实现叠加，应力存在应力震荡的特点，但是总体趋势稳定。

3 结论

根据对爆破掘进理论分析及其数值模拟，可以得到以下结论：

1）根据凝聚体炸药爆轰理论及热力学方法，得到爆轰初始载荷P，并经过进一步分析得到爆轰所产生裂缝长度计算方法。

2）对爆破影响因素分析，得到空孔布置可改变空孔围岩应力分布，适用于通过空孔的分布控制巷道成型。

3）建立掘进爆破有限元模型，通过仿真分析，得到爆破时巷道围岩应力分布及巷道成型过程，进一步说明空孔的设置可有效控制巷道成型。

4）通过分析开设有空孔的爆破过程，为一次性成巷爆破掘进技术提供一定的理论依据和成型方法。