岩巷炮掘作业中大直径中空眼的应用分析

李 科

（潞安化工集团五阳煤矿，山西 长治 046200）

在对煤矿进行开采的过程中，往往在工作量方面围岩掘进工程量、工期以及相应的投资所占的比重较大。在采煤以及抽取煤与瓦斯时，往往需要掘进大量的顶底板岩巷，从而可以有效地推进巷道掘进的速度。通常岩巷掘进工法包括：钻爆法、综掘法。其中钻爆法得到了广泛的应用，可是在我国采用该方式每月平均进尺为60 m。通常对于岩巷掘进的影响因素相对较多，其中最重要的是掏槽技术。在实施的过程中所设置的炮眼深度为2.0 m，当前由于煤炭开采强度逐渐增强，从而可以有效地提高岩巷掘进尺度，探索孔深需要甚至在2.5 m以上。可是随着炮眼深度逐渐增加，那么相应的炸药爆炸后对岩体破坏，并且抛掷形成槽腔的难度将会逐渐增加。

1 大直径中空眼直眼掏槽

通常可以借助掏槽眼将中心岩石导出，从而可以为后面的爆破提供更过的空间。当将炮孔深度增加后，位于掏槽区域周围岩体可以对掏槽区域岩体夹制作用明显增加，从而增加了掏槽爆破的难度。为了能够有效地解决该问题，可以选择使用预留中空眼。而在中间掏槽眼位置设置大控眼，其直径为146 mm，如图1所示涂黑表示中空眼位置。

图1 大直径中空眼直眼掏槽

2 数值模型建立

为了对大直径中空眼进行分析，以76.2号区段2号总回风巷为工程为研究对象，借助FLAC3D构建大直径中空眼模型。依据相应的工程地质条件，相应的模型外形尺寸设定为：长、宽、高分别：20 m、10 m、15 m。将巷道的形状设置成为直墙半圆拱，相应的断面尺寸：长、宽、高分别为：5 300 mm、4 150 mm、1 500 mm。对应的大直径中空眼直径设定为146 mm，其中位置设置在距离腰线以下300 mm的位置，通常将掏槽眼直径设置为38 mm，并且与中空眼之间的间距设置为300 mm。所选用的模型为摩尔一库仑模型，而在模型顶端设置岩石等效载荷。经过调查发现该地区围岩相对稳定，并且地质条件相对简单，因此去侧压力系数为1，压力取值为11 MPa。对于模型而言，其两边并不存在水平位移，底部所产生的约束为零。再开始挖掘之前，需要对初始平衡应力进行计算，接着工作人员开始施工中空眼以及掏槽眼。图2表示对应的巷道三维模型及网格划分。

图2 巷道三维模型

3 模拟结果与分析

依据中空眼施工前后对数据进行模拟情况来分析，主要从塑性区分布、围岩应力分布、围岩变形分布、截面上应力、位移分布等五方面进行了分析。

3.1 施工中空眼前后塑性区分析

下页图3表示相应的大直径中空眼时施工前后的塑性区分布图。通过分析可以看出，在施工后，在中空眼附近存在明显的塑性区。与此同时，位于附近的掏槽眼位置的塑性区域也在不断地变大，由此可以看出在施加中空眼的过程中，掏槽眼能给爆破提供一定的自由面。

图3 塑形区分布

3.2 施工中空眼前后位移变化分析

3.2.1 垂直位移

当完成中空眼后，由于围岩应力受到了不同程度的破坏，同时导致围岩钻孔方向出现一定的变形。图4表示相应的数值模拟结果。此外，围岩垂直位移量也出现了一定的增加，主要在中空眼周围分布，经过测量发现在中空眼周围出现较大的位移量。通过分析图4-1发现，在腰线上掏槽眼周围存在较大的位移量，接着朝着两帮位置开始扩散，与此同时呈现出一定的对称性。施工中空眼后，相应的位移沿着中空眼从大到小开始变化，与此同时在掏槽眼附近同样也出现了与图4-1相同的位移情况。由此可以看出，施工中空眼后，巷道岩石变异量在中空眼四周发生变化。

图4 垂直位移分布

3.2.2 水平位移

当完成施工掏槽眼和中空眼后，图5表示相应的巷道内岩石的水平位移分布情况。在并未添加中空眼时，水平位移图表现为环状分布，而在巷道掏槽眼四周位移量较大，并且向四周逐渐减小。通过分析水平位移可以看出，施工中空眼后水平位移开始朝着中空眼方向发展。

图5 水平位移分布

通过分析水平与垂直位移发现，中空眼使得围岩变形量朝着巷道中心位置发展，从而能够有效地提高爆破的效果。

3.3 掏槽眼周围应力分析

3.3.1 垂直应力

对于垂直方向而言，当完成掏槽眼与中空眼施工后，图6表示应垂直应力分布情况。其中图6-1无中空眼的情况下，垂直应力分布情况。通过分析可以看出，垂直应力呈现出无规律的分布。在掏槽眼附近存在拉应力，可是相应的数值变化并不大。图6-2表示在存在有中空眼情况下，垂直应力分布情况。通过分析图发现，位于中空眼附近存在的较大的拉应力，与此同时逐渐朝着四周扩散，数值呈现逐渐减小的趋势。同时最大应力在孔口位置，围绕中空眼呈现环形分布变化，因此在进行爆破时其相应的破坏效果优于无中空眼。

图6 垂直应力分布

3.3.2 水平应力

下页图7表示相应的数值模拟水平应力分布情况。其中，分析图7-1发现在掏槽眼附近存在较大的水平应力集中现象，可以四个掏槽眼均不相同。通过分析图7-2发现经过施工中空眼后，在掏槽眼附近出现了较为集中的拉应力带。与此同时在周围掩体附近存在应力区域贯通的现象。

图7 水平应力分布

3.4 断面模拟结果分析

X=0断面表示相应的巷道中心垂直线断面，其将中空眼与上下掏槽眼横切，经过分析发现，可以通过分析断面位移与应力变化情况，来判断施加中空眼后，掏槽眼的变化情况。

3.4.1 位移分析

下页图8表示X=0断面上的垂直位移图，其中，图8-1表示为添加中空眼时，垂直位移分布情况。在掏槽眼附近出现最大位移量，其数值达到240 mm。与此同时，位移量随着距离掏槽眼而逐渐变小。因此为了能够最大限度的优化爆破效果，往往辅助掏槽眼可以设置在250~500 mm位置内。而图8-2表示相应的施工中空眼的情况下，断面的垂直位移分布图。通过分析可以看出，掏槽眼影响范围包括了中空眼。因此在实施掏槽眼时，围岩壁已经具有一定的自由面，进而可以大大提高爆破效果。

图8 X=0断面垂直位移分析

3.4.2 应力分析

图9表示X=0断面上的垂直应力图。其中，图9-1、9-2分别表示无、有中空眼时的垂直应力分布。通过分析发现其与位移分布类似，并且存在中空眼后在垂直方向的应力相对较大。

图9 X=0断面垂直应力分析

4 工程实例

76.2号区段2号总回风巷该巷道选用楔形掏槽，其深度设定为1.9 m，其他的炮眼深度可以达到1.8 m，而对应的循环爆破进度设定为1.6 m。经过统计发现全断面消耗的炸药总量为26 kg。每月掘进进尺为86 m。经过工程实践发现，在实践选用大直径中空直径掏槽，断面消耗的炸药总量为32.4 kg，每月进尺达到了118 m，大大提高了工程效率，缩短了工期达到了2.4个月，经过计算发现共计节省109.8万元。

5 结论

1）经过工程实践发现，大直径中空眼能够有效地优化炮眼的利用率，同时可以大大提高爆破效果。

2）借助理论与实践，对大直径中空眼直径与深度等参数进行优化。

3）在进行爆破时，可以选择合适的参数，进而能够有效地优化爆破效果，因此能够有效地推进掘进效果。

4）在进行掘进前，当选用超前中空眼工艺后可以对工作面地质情况进行探测，这样可以有效地优化掘进的安全问题。