硬岩体强度弱化范围理论分析与工程验证

付宝杰　涂敏

摘要：岩石巷道综合机械化快速掘进有助于改善采掘接续紧张的局面，而岩石硬度是影响综掘设备快速掘进的关键因素之一。针对硬岩巷道围岩岩性特点，利用超深孔预裂爆破技术，对硬岩巷道岩体强度进行弱化，并通过工程实践检验预裂效果，结果表明：硬岩巷道超深孔预裂爆破后，钻孔周围形成压碎区、裂隙区，使岩体有效强度降低，有利于综掘截割机具经济破岩；理论及数值模拟分析得出钻孔爆破后形成半径为1.8 m左右的松动破坏区；通过对新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷硬岩进行超深孔预裂爆破，钻孔窥视及工程验证爆破松动半径能够达到1.5～2.5 m之间，取得了良好的岩体强度弱化效果，为硬岩巷道机械化快速施工技术研究提供指导。

关键词：硬岩巷道；深孔预裂；强度弱化；机械化开采

中图分类号：TD235 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2014）01-0015-04

随着综采、综放技术的应用和高产高效矿井建设的迅猛发展，采煤、掘进速度不匹配的问题日益突出[1-2]。为缩短新井的建井期和缓解正在生产矿井的采掘接续，岩巷快速掘进成为影响矿井生产稳定、发展的关键，也是制约矿井水平、采区、采场“三大接替”的瓶颈。因此，寻求一条高效快掘的新路，成为相当现实而重要的工程问题。

对于全岩巷道，当岩石硬度小于6时，综掘进能够较稳定的实现快速掘进；岩石硬度大于8时，一方面综掘机掘进速度低，另一方面对截割端部磨损相当严重。通过超深孔预裂爆破技术，使巷道围岩整体强度降低，从而保证综掘机械能够在全岩巷道中不间断或偶有间断作业，打开高效快掘的局面[3-5]。

1硬岩深孔预裂爆破机理

11固体介质爆破区域特征分布

炸药在炮孔内爆炸后，产生强冲击波和大量高温高压爆生气体（见图1）。由爆破孔传播出来的强间断冲击波阵面上都是压应力，其强度要高出介质的极限抗压强度的许多倍，致使炮孔周围的介质产生过度粉碎，形成压碎区。

冲击波透射到介质内部，以应力波形式向介质内传播，在靠近压碎区的介质中产生径向压缩和切向拉伸。当切向拉伸应力超过介质的动抗拉强度就会产生径向裂隙，形成裂隙区。

当应力波进一步向前传播时，己经衰减到不足以使介质产生破坏，只能使介质质点产生震动，以地震波形式传播，直至消失，故把裂隙区以外的区域称为震动区。

深孔控制预裂爆破时，在掘进工作面前方的岩体中产生了压碎区和贯穿控制面的爆破裂隙区。压碎区和爆破裂隙区的存在是有效降低岩体强度保证截割机具经济破岩的关键[6]。

12爆破引起的围岩松动效应

121压碎区

爆炸冲击波在岩体内衰减很快，其峰值压力随距离的变化规律[7]为

3） 模拟结果分析。炸药爆炸后不同时刻的炮孔围岩中的压应力和Von mises 应力变化如图2所示。岩石的抗压强度在80 MPa左右，抗拉强度在10 MPa左右。由于岩石的抗拉强度相对其抗压强度要低的多，当炮孔附近围岩中的压应力达到100 MPa时，经过单位换算数值达到0002时，岩石受到冲击荷载作用引起的拉应力已经达到60 MPa左右，此时岩石中出现径向拉裂缝。因此，压应力达到0002即形成岩石的裂隙范围，以炮孔为中心，半径18 m范围内的岩石已经弱化，可以通过综掘机进行经济截割。

（a）240 ms时炮孔围岩中压应力图 （b）360 ms时炮孔围岩中压应力图

（c）240 ms时炮孔围岩中Von mises应力图（d）400 ms时炮孔围岩中Von mises应力图

图2爆破应力云图

3工程实践

1） 爆破方案。为了掌握深孔松动爆破裂隙扩展范围，验证理论及数值分析结果，采用单孔松动爆破试验，试验地点为新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷，岩石为细砂岩，平均硬度f=8～9，炮孔布置如图3所示，炮孔深度15 m，孔径Φ93 mm，药卷直径Φ67 mm，装药长度10 m，炮孔堵塞长度5 m，装药布置如图4所示。

图3深孔爆破炮孔布置示意图

图4炮孔装药结构示意图

2） 弱化效果分析。 为考察大直径深孔爆破对硬岩的弱化程度及范围， 深孔爆破前在新庄孜矿-812 mB4胶带大巷及相关巷道施工钻孔，在施工过程中，由于钻机硐室方位与胶带大巷之间形成32°夹角，进而形成如图5所示的钻孔及巷道布置方式。

图5方位改变后的钻孔示意图

通过对窥视孔窥视发现，从孔口位置到18 m一段，孔壁破损较严重，18 m以后，孔壁保持完整状态。812 m开始，发现碎屑及裂痕，到905 m位置，孔内塌落岩块过多，镜头无法进入（见图6）。

（a）1 m处（b）905 m处

图6爆破前孔内观测照片

窥视孔9 m位置其下部正对应爆破孔，两孔孔口标高相差50 mm，据此计算出爆破孔松动范围16 m（见图7）。

图7两钻孔位置关系图

另外，在胶带大巷掘进期间对其进行现场观测，当大巷掘进7～9 m一段时，巷道左帮出现卡钎现象，据此推测爆破孔松动半径在15～25 m之间（见图8）。对于爆破孔而言，该距离正好在过封孔段附近，胶带大巷掘进矸石较破碎，这也与因爆破产生的节理较发育有关。

图8预裂半径分析图

摘要：岩石巷道综合机械化快速掘进有助于改善采掘接续紧张的局面，而岩石硬度是影响综掘设备快速掘进的关键因素之一。针对硬岩巷道围岩岩性特点，利用超深孔预裂爆破技术，对硬岩巷道岩体强度进行弱化，并通过工程实践检验预裂效果，结果表明：硬岩巷道超深孔预裂爆破后，钻孔周围形成压碎区、裂隙区，使岩体有效强度降低，有利于综掘截割机具经济破岩；理论及数值模拟分析得出钻孔爆破后形成半径为1.8 m左右的松动破坏区；通过对新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷硬岩进行超深孔预裂爆破，钻孔窥视及工程验证爆破松动半径能够达到1.5～2.5 m之间，取得了良好的岩体强度弱化效果，为硬岩巷道机械化快速施工技术研究提供指导。

关键词：硬岩巷道；深孔预裂；强度弱化；机械化开采

中图分类号：TD235 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2014）01-0015-04

随着综采、综放技术的应用和高产高效矿井建设的迅猛发展，采煤、掘进速度不匹配的问题日益突出[1-2]。为缩短新井的建井期和缓解正在生产矿井的采掘接续，岩巷快速掘进成为影响矿井生产稳定、发展的关键，也是制约矿井水平、采区、采场“三大接替”的瓶颈。因此，寻求一条高效快掘的新路，成为相当现实而重要的工程问题。

对于全岩巷道，当岩石硬度小于6时，综掘进能够较稳定的实现快速掘进；岩石硬度大于8时，一方面综掘机掘进速度低，另一方面对截割端部磨损相当严重。通过超深孔预裂爆破技术，使巷道围岩整体强度降低，从而保证综掘机械能够在全岩巷道中不间断或偶有间断作业，打开高效快掘的局面[3-5]。

1硬岩深孔预裂爆破机理

11固体介质爆破区域特征分布

炸药在炮孔内爆炸后，产生强冲击波和大量高温高压爆生气体（见图1）。由爆破孔传播出来的强间断冲击波阵面上都是压应力，其强度要高出介质的极限抗压强度的许多倍，致使炮孔周围的介质产生过度粉碎，形成压碎区。

冲击波透射到介质内部，以应力波形式向介质内传播，在靠近压碎区的介质中产生径向压缩和切向拉伸。当切向拉伸应力超过介质的动抗拉强度就会产生径向裂隙，形成裂隙区。

当应力波进一步向前传播时，己经衰减到不足以使介质产生破坏，只能使介质质点产生震动，以地震波形式传播，直至消失，故把裂隙区以外的区域称为震动区。

深孔控制预裂爆破时，在掘进工作面前方的岩体中产生了压碎区和贯穿控制面的爆破裂隙区。压碎区和爆破裂隙区的存在是有效降低岩体强度保证截割机具经济破岩的关键[6]。

12爆破引起的围岩松动效应

121压碎区

爆炸冲击波在岩体内衰减很快，其峰值压力随距离的变化规律[7]为

3） 模拟结果分析。炸药爆炸后不同时刻的炮孔围岩中的压应力和Von mises 应力变化如图2所示。岩石的抗压强度在80 MPa左右，抗拉强度在10 MPa左右。由于岩石的抗拉强度相对其抗压强度要低的多，当炮孔附近围岩中的压应力达到100 MPa时，经过单位换算数值达到0002时，岩石受到冲击荷载作用引起的拉应力已经达到60 MPa左右，此时岩石中出现径向拉裂缝。因此，压应力达到0002即形成岩石的裂隙范围，以炮孔为中心，半径18 m范围内的岩石已经弱化，可以通过综掘机进行经济截割。

（a）240 ms时炮孔围岩中压应力图 （b）360 ms时炮孔围岩中压应力图

（c）240 ms时炮孔围岩中Von mises应力图（d）400 ms时炮孔围岩中Von mises应力图

图2爆破应力云图

3工程实践

1） 爆破方案。为了掌握深孔松动爆破裂隙扩展范围，验证理论及数值分析结果，采用单孔松动爆破试验，试验地点为新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷，岩石为细砂岩，平均硬度f=8～9，炮孔布置如图3所示，炮孔深度15 m，孔径Φ93 mm，药卷直径Φ67 mm，装药长度10 m，炮孔堵塞长度5 m，装药布置如图4所示。

图3深孔爆破炮孔布置示意图

图4炮孔装药结构示意图

2） 弱化效果分析。 为考察大直径深孔爆破对硬岩的弱化程度及范围， 深孔爆破前在新庄孜矿-812 mB4胶带大巷及相关巷道施工钻孔，在施工过程中，由于钻机硐室方位与胶带大巷之间形成32°夹角，进而形成如图5所示的钻孔及巷道布置方式。

图5方位改变后的钻孔示意图

通过对窥视孔窥视发现，从孔口位置到18 m一段，孔壁破损较严重，18 m以后，孔壁保持完整状态。812 m开始，发现碎屑及裂痕，到905 m位置，孔内塌落岩块过多，镜头无法进入（见图6）。

（a）1 m处（b）905 m处

图6爆破前孔内观测照片

窥视孔9 m位置其下部正对应爆破孔，两孔孔口标高相差50 mm，据此计算出爆破孔松动范围16 m（见图7）。

图7两钻孔位置关系图

另外，在胶带大巷掘进期间对其进行现场观测，当大巷掘进7～9 m一段时，巷道左帮出现卡钎现象，据此推测爆破孔松动半径在15～25 m之间（见图8）。对于爆破孔而言，该距离正好在过封孔段附近，胶带大巷掘进矸石较破碎，这也与因爆破产生的节理较发育有关。

图8预裂半径分析图

摘要：岩石巷道综合机械化快速掘进有助于改善采掘接续紧张的局面，而岩石硬度是影响综掘设备快速掘进的关键因素之一。针对硬岩巷道围岩岩性特点，利用超深孔预裂爆破技术，对硬岩巷道岩体强度进行弱化，并通过工程实践检验预裂效果，结果表明：硬岩巷道超深孔预裂爆破后，钻孔周围形成压碎区、裂隙区，使岩体有效强度降低，有利于综掘截割机具经济破岩；理论及数值模拟分析得出钻孔爆破后形成半径为1.8 m左右的松动破坏区；通过对新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷硬岩进行超深孔预裂爆破，钻孔窥视及工程验证爆破松动半径能够达到1.5～2.5 m之间，取得了良好的岩体强度弱化效果，为硬岩巷道机械化快速施工技术研究提供指导。

关键词：硬岩巷道；深孔预裂；强度弱化；机械化开采

中图分类号：TD235 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2014）01-0015-04

随着综采、综放技术的应用和高产高效矿井建设的迅猛发展，采煤、掘进速度不匹配的问题日益突出[1-2]。为缩短新井的建井期和缓解正在生产矿井的采掘接续，岩巷快速掘进成为影响矿井生产稳定、发展的关键，也是制约矿井水平、采区、采场“三大接替”的瓶颈。因此，寻求一条高效快掘的新路，成为相当现实而重要的工程问题。

对于全岩巷道，当岩石硬度小于6时，综掘进能够较稳定的实现快速掘进；岩石硬度大于8时，一方面综掘机掘进速度低，另一方面对截割端部磨损相当严重。通过超深孔预裂爆破技术，使巷道围岩整体强度降低，从而保证综掘机械能够在全岩巷道中不间断或偶有间断作业，打开高效快掘的局面[3-5]。

1硬岩深孔预裂爆破机理

11固体介质爆破区域特征分布

炸药在炮孔内爆炸后，产生强冲击波和大量高温高压爆生气体（见图1）。由爆破孔传播出来的强间断冲击波阵面上都是压应力，其强度要高出介质的极限抗压强度的许多倍，致使炮孔周围的介质产生过度粉碎，形成压碎区。

冲击波透射到介质内部，以应力波形式向介质内传播，在靠近压碎区的介质中产生径向压缩和切向拉伸。当切向拉伸应力超过介质的动抗拉强度就会产生径向裂隙，形成裂隙区。

当应力波进一步向前传播时，己经衰减到不足以使介质产生破坏，只能使介质质点产生震动，以地震波形式传播，直至消失，故把裂隙区以外的区域称为震动区。

深孔控制预裂爆破时，在掘进工作面前方的岩体中产生了压碎区和贯穿控制面的爆破裂隙区。压碎区和爆破裂隙区的存在是有效降低岩体强度保证截割机具经济破岩的关键[6]。

12爆破引起的围岩松动效应

121压碎区

爆炸冲击波在岩体内衰减很快，其峰值压力随距离的变化规律[7]为

3） 模拟结果分析。炸药爆炸后不同时刻的炮孔围岩中的压应力和Von mises 应力变化如图2所示。岩石的抗压强度在80 MPa左右，抗拉强度在10 MPa左右。由于岩石的抗拉强度相对其抗压强度要低的多，当炮孔附近围岩中的压应力达到100 MPa时，经过单位换算数值达到0002时，岩石受到冲击荷载作用引起的拉应力已经达到60 MPa左右，此时岩石中出现径向拉裂缝。因此，压应力达到0002即形成岩石的裂隙范围，以炮孔为中心，半径18 m范围内的岩石已经弱化，可以通过综掘机进行经济截割。

（a）240 ms时炮孔围岩中压应力图 （b）360 ms时炮孔围岩中压应力图

（c）240 ms时炮孔围岩中Von mises应力图（d）400 ms时炮孔围岩中Von mises应力图

图2爆破应力云图

3工程实践

1） 爆破方案。为了掌握深孔松动爆破裂隙扩展范围，验证理论及数值分析结果，采用单孔松动爆破试验，试验地点为新庄孜矿-812 m水平B4胶带大巷，岩石为细砂岩，平均硬度f=8～9，炮孔布置如图3所示，炮孔深度15 m，孔径Φ93 mm，药卷直径Φ67 mm，装药长度10 m，炮孔堵塞长度5 m，装药布置如图4所示。

图3深孔爆破炮孔布置示意图

图4炮孔装药结构示意图

2） 弱化效果分析。 为考察大直径深孔爆破对硬岩的弱化程度及范围， 深孔爆破前在新庄孜矿-812 mB4胶带大巷及相关巷道施工钻孔，在施工过程中，由于钻机硐室方位与胶带大巷之间形成32°夹角，进而形成如图5所示的钻孔及巷道布置方式。

图5方位改变后的钻孔示意图

通过对窥视孔窥视发现，从孔口位置到18 m一段，孔壁破损较严重，18 m以后，孔壁保持完整状态。812 m开始，发现碎屑及裂痕，到905 m位置，孔内塌落岩块过多，镜头无法进入（见图6）。

（a）1 m处（b）905 m处

图6爆破前孔内观测照片

窥视孔9 m位置其下部正对应爆破孔，两孔孔口标高相差50 mm，据此计算出爆破孔松动范围16 m（见图7）。

图7两钻孔位置关系图

另外，在胶带大巷掘进期间对其进行现场观测，当大巷掘进7～9 m一段时，巷道左帮出现卡钎现象，据此推测爆破孔松动半径在15～25 m之间（见图8）。对于爆破孔而言，该距离正好在过封孔段附近，胶带大巷掘进矸石较破碎，这也与因爆破产生的节理较发育有关。

图8预裂半径分析图