岩巷掘进掏槽爆破理论与技术研究进展

黄宝龙

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

目前，我国煤矿岩巷掘进普遍采用钻孔爆破法，所以爆破技术是影响和制约岩石巷道掘进速度和质量的关键性技术之一。

岩巷爆破掘进的特点是只有一个自由面，所受的夹制力很大，不利于爆破[1]。为了克服此困难，在工作面布置掏槽炮孔，首先爆破掏槽炮孔，形成槽腔，产生新的自由面，从而为后继炮孔爆破提供有利条件。掏槽效果决定了炮孔利用率，因此，掏槽方式的选择与掏槽爆破参数的设计极为关键。目前，掏槽方式一般可分为两大类：斜孔掏槽和垂直孔掏槽，它们各有不同的优缺点，适用的范围也各不相同。

数十年来，国内外学者针对岩巷掏槽爆破问题，通过理论分析、室内试验、数值分析和现场试验等多种途径开展了大量研究，取得了许多成果。本文归纳分析了掏槽技术的研究进展，并介绍了一种新的掏槽技术——准直孔掏槽技术。

1 斜孔掏槽技术研究现状

斜孔掏槽是我国煤矿岩巷掘进所普遍采用的方式。斜孔掏槽的特点是掏槽炮孔与岩巷掘进工作面斜交。斜孔掏槽通常有以下几种基本形式[1]：①楔形掏槽；②半楔形掏槽；③锥形掏槽；④扇形掏槽。斜孔掏槽的优点主要有：适应性强，任何岩石均可采用；抛掷能力强，槽腔内已破碎的岩块容易抛出，从而产生有效自由面；需要的炮孔数量少；精度要求低，掏槽效果受炮孔位置和倾角的精确度影响较小。

斜孔掏槽的缺点主要有：①炮孔与工作面的夹角范围为55～75°，进行深孔爆破时，受巷道断面宽度限制，钻杆无法摆开，炮孔深度受限；②岩块抛掷距离长，易崩坏临时支护和巷道的设备，爆堆分散，造成装岩与清碴困难；③槽口部位为后继炮孔提供的自由面的抵抗线小，而槽底部位的抵抗线大，由于槽底岩石所受的夹制作用要强于槽口部位的岩石，因此，对后继炮孔爆破不利。由于上述原因，中深孔爆破采用斜孔掏槽方式的爆破效果不佳。

斜孔掏槽的爆破机理复杂，目前关于斜孔掏槽爆破的文献大多是工程应用总结，理论研究很少。

2 垂直孔掏槽理论与技术研究现状

垂直孔掏槽的特点是[1]：炮孔全部与工作面垂直；所有炮孔互相平行；炮孔的间距较小；一般存在一定数量的空孔，这些空孔作为其他炮孔的自由面，并为破碎岩石膨胀提供补偿空间，空孔直径大于或等于其他炮孔直径。垂直孔掏槽可归纳为4种类型：角柱形、螺旋型、裂隙型与分层装药逐段掏槽。

垂直孔掏槽的优点：①掏槽布置不随炮孔深度和断面宽度的改变而改变，而只是将装药量进行相应调整，方便实行机械化钻孔；②爆堆集中，便于出碴；③岩块抛掷距离小，临时支护与巷道内的设备不易被崩坏；④巷道断面宽度对深孔爆破无影响。

垂直孔掏槽的缺点：技术复杂；炮孔数量多；炸药单耗高；形成的槽腔较小；抛掷能力差；精度要求高，掏槽效果易受炮孔间距和平行度的误差所影响。

2.1 垂直孔掏槽理论研究进展

为了满足生产实践的需求，从20世纪50年代开始，众多学者与工程技术人员对垂直孔掏槽爆破进行了理论研究。

2.1.1 空孔效应

垂直孔掏槽一般都布置了空孔，空孔具有以下作用[2]：为应力波反射提供自由面；应力集中作用；卸压作用；为破碎岩石提供膨胀空间作用。数十年来，多位学者对空孔的作用及参数进行了研究。

U.Langefors等[3]根据岩石在爆破作用下所产生的3种不同的破坏情况：破碎、抛掷与塑性变形，确定了不同的空孔直径情况下相应炮孔间距的范围，在其建立的计算公式中体现了空孔的作用。

对空孔的应力集中作用，已进行了理论与试验研究。正交试验分析得知，空孔半径是影响掏槽效率的最显著因子[4]。

从上述研究成果来看，空孔在垂直孔掏槽中起到了至关重要的作用。但由于空孔效应研究涉及的因素众多，此方面还值得深入探讨。

2.1.2 抛掷过程

槽腔内破碎岩块的抛掷过程，对于理解掏槽爆破机理十分有益，已有多位学者研究了垂直孔掏槽的抛掷过程。

林从谋等[5]将槽腔划分为2个区域，利用流体动力学基本方程，建立了槽腔内破碎岩块抛掷过程的物理模型和数学模型。对于槽腔内的岩块抛掷体，张奇[6]建立了二相流运动模型。林大能等[7]认为槽腔内碎块是在内侧气碎混合体的膨胀压力下，克服侧限摩擦力而被抛出槽腔的。对于掏槽抛渣，利用数理统计和流体力学方法，是一个新的思路。

由于槽腔内破碎岩块的抛掷极为迅速，过程又十分复杂，这就使得该问题的研究特别困难，目前还处在探索阶段。

2.1.3 爆破参数

岩巷掘进爆破的关键是掏槽，而掏槽效果主要取决于掏槽爆破参数是否合理，所以，掏槽爆破参数研究对于工程实践具有重要意义。

炮孔深度、孔距、空孔直径等因素对垂直孔掏槽爆破效果的影响，通过力学模型和数值计算得到了定量分析。装药量计算公式则根据垂直孔掏槽机理导出。

起爆微差是一个非常重要的参数，不能应用一般的微差爆破机理来分析垂直孔掏槽爆破。利用分段微差起爆，宗琦等[8]获得了炮孔垂直于工作面情况下的爆破漏斗特性曲线。目前，还不能由解析法和数值计算求得岩石断裂速度随各因素变化的规律，分形理论是研究微差爆破机理和微差爆破延时优化的一种新的途径[9]。槽腔内岩石碎块的运动过程及槽腔内掏空率与时间的定量关系，可确定掏槽孔与崩落孔之间的微差起爆时间[10]。迄今为止，还未提出垂直孔掏槽爆破起爆微差时间的理论依据，这是个需要继续研究的问题。

掏槽爆破参数尚没有非常适宜的确定方法，设计出炮孔数目少、形式简单、材料消耗小、效率高的掏槽爆破参数是广大科研人员的努力目标。

2.1.4 掏槽机理

掏槽机理是掏槽爆破研究的根本所在，通过掏槽机理研究，可以更好地指导爆破参数设计。

单孔和多孔爆破漏斗的形成机理分析表明：合理设计直孔掏槽方式，应该以炮孔间距和炮孔堵塞长度为核心，确保有足够的爆炸作用时间使深部空间岩石充分破碎并抛出槽腔[11]。不偶合装药起爆后岩体中粉碎区和破裂区的范围的计算，从理论上解决了炮孔装药量与炮孔间距之间的相互合理性问题[12]。在柱状耦合装药条件下，埋深在临界深度以下时，冲击波做功消耗的能量约占爆炸总能量的40%，用于扩腔和扩展主要裂隙的爆生气体能量约占总能量的23%，剩余能量有小部分用于新增裂纹数目，其余都损失掉了[13]。

掏槽机理研究是建立在炸药与岩石的相互作用基础上的，难度很大，目前，国内外对掏槽机理的研究还处在摸索阶段，需要科研工作者加倍努力。

2.2 垂直孔掏槽方式研究进展

从20世纪70年代开始，国内多家单位对垂直孔掏槽进行了工艺试验。在马脊梁矿岩巷掘进中，采用了无空孔的三角复式直孔分阶掏槽方式、三角复式分阶分段掏槽、六棱柱分段掏槽和四角柱复式分阶分段掏槽，炮孔利用率达到94%以上[14]。在坚韧难爆的石灰岩中，成功应用了分层分段直孔掏槽技术[15]。

经过这些年的实践，有的单位成功应用了垂直孔掏槽爆破技术，但当爆破条件(如岩石性质、炸药性能等)发生改变时，已有的成功经验难以适应这些变化，掏槽容易失败。

3 准直孔掏槽技术研究现状

单仁亮等[16]提出了准直孔掏槽技术(图1)，这是一种新型的深孔掏槽爆破技术，该技术的特点是型式简单、具有良好的掏槽效果、易操作，适应性强，该技术已取得国家发明专利。目前，该技术已在我国多个矿区得到了成功应用。

图1 准直孔掏槽[16]

图1(a)中，1#～6#炮孔为准直孔(与工作面夹角在75～85°之间)，7#与8#炮孔为直孔，a为准直孔炮孔间距，b为槽口间距。图1(b)中，准直孔装1段雷管，装药量为掏槽药量的绝大部分；直孔装2段雷管，仅在孔底装少量炸药。图1(c)中，准直孔首先起爆，槽腔内岩石大部分破碎并被抛出。图1(d)中，直孔起爆后，槽腔底部残余岩石被抛出，从而起到扩腔作用。

准直孔掏槽本质上与斜孔掏槽和垂直孔掏槽均不相同，而是结合了两者的优点，摒弃了两者的缺点。

单仁亮等[16]基于爆生气体的准静态作用，采用Mohr-Coulomb准则，分析了准直孔掏槽的爆破机理，并进行了模型试验研究，分析了爆破参数对掏槽效果的影响[17]。

现场应用该技术，均取得了良好的爆破效果。对于岩巷深孔爆破掘进中存在的掏槽效率低和掏槽结构复杂的问题，该技术提供了有效的解决途径。

4 掏槽爆破研究展望

岩巷掏槽爆破研究是岩石动力学领域一个富有挑战性的课题。本文综述了国内外岩巷掏槽爆破理论与技术的研究进展，归纳了岩巷掏槽爆破的理论与试验研究状况及掏槽技术的工程应用情况。该课题下一步的研究方向主要有以下方面。

1)岩石动力强度理论和破坏准则是掏槽爆破理论研究的根本所在，岩石动态破坏过程的研究对于掏槽爆破研究尤其重要。由于岩石材料的复杂性和特殊性，建立岩石动态本构关系是一项任重道远的工作。

2)岩体是包含节理、层理、裂隙、断层等不连续结构面的非均匀、非连续的地质体，对于这种复杂的介质，研究其在爆炸作用下的变形、破坏和运动理论时，考虑所有影响因素是不切实际的，应当力求依据最少的岩石参数研究出利于工程应用的掏槽爆破计算模型。掏槽爆破机理研究的根本目的是为工程实践服务，因此，应将掏槽爆破机理研究与掏槽爆破参数设计紧密结合起来，要在掏槽爆破参数的优化过程中，探索掏槽爆破机理。

3)对于掏槽爆破研究，数值模拟技术是一种有意义的应力分析手段和试验工具，借助计算机模拟技术可以实现许多现场无法实现的试验。掏槽爆破过程极为复杂，在现有条件下，槽腔内部岩石的破碎现象还无法直接观测到，因此，开展掏槽爆破过程的数值模拟研究是解决这一问题的有效途径。

4)对槽腔形成过程中爆炸应力波的破坏作用，已有的研究成果多是分析单孔爆破机理，应进一步研究群孔爆炸应力波共同作用机理。

持续深入的掏槽爆破机理研究会促进掏槽爆破技术的不断发展，这对岩巷掘进效率的提高是一个佳音。

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