煤矿岩巷爆破掘进周边质量控制技术研究

弥壮壮，张向荣，李 刚，陈帅志，赵志伟，康一强

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083； 2.中煤第五建设公司第一工程处，江苏 徐州 221000)

目前，煤矿岩巷快速掘进大多使用钻爆法进行施工，该方法易于操作，对围岩和设备要求比较低。掏槽技术是岩巷爆破技术的关键，炮眼利用率的提高和周边成型达到光面爆破水平是岩巷快速掘进的保障，而楔形掏槽是使用较多且效果较好的一种掏槽技术[1]。超欠挖现象是岩巷快速掘进时经常遇到的问题，它的存在一定程度上制约着巷道的成型质量和掘进效率的提升[2]。针对这一问题，许多学者提出了切槽孔爆破、异形药包爆破和切缝药包爆破定向断裂控制爆破技术。其中切缝药包易于制作、成本较低、操作方便，在现场应用较为方便，因此在岩巷控制成型方面有着广泛的应用。杨仁树等[3]为了对切缝药包定向断裂机理有更深的认识，把有机玻璃作为试验的模型材料，使用高速摄影技术和新型数字焦散线系统对切缝药包在不同情况下爆炸时裂纹扩展的规律进行了系统研究；陈程等[4]对因爆炸形成的先爆炮孔产生定向裂纹缺陷的动态行为进行了研究；罗勇等[5]通过模型试验验证了切缝药包爆炸时能量有方向的集中，有效地控制了裂纹的扩展方向，并设计了爆破参数；张志雄等[6]通过实验室模型试验确定了切缝药包的不耦合系数、切缝管参数，并在现场对爆破参数进行了验证。

1 切缝药包作用原理以及爆破过程

切缝药包是在具有一定强度和密度的药包外壳上加工出一定角度、特定形状和数量的切缝。它的爆破原理是通过切缝控制爆炸应力场的分布和爆生气体对介质的准静态作用，最终达到定向控制爆破开裂方向。在非切缝处，爆轰产物直接冲击其外壳表面，由于爆轰波阵面上产物的密度小于外壳的密度(塑料等)，且爆轰产物的压缩性普遍大于外壳的压缩性，因此爆轰产物就会在该表面产生反射冲击波，衰减后的透射波对于孔壁的有效能量得到极大的削弱，很大程度上降低了切缝区域孔壁产生径向裂缝的可能。在切缝管上由于切缝的存在，爆轰产物将会直接作用于切缝方向上的孔壁岩石。爆轰产物能流比较集中，若被爆介质的临界冲量密度小于爆轰产物的冲量密度，就会在炮孔壁上产生破裂，初始裂隙预先形成。此外，由于阻碍作用，其他方向的爆轰产物都往切缝方向集中，这就使得切缝方向的破坏程度加强。另外，由于爆生气体的准静作用，使因推动作用下已形成的径向裂缝继续扩展。

切缝药包爆破过程大体上分为三个步骤：一是炸药开始起爆到切缝管内炸药爆炸彻底；二是爆炸形成的冲击波与岩体的相互作用使得切缝管外初始裂隙预先形成；三是爆生气体促使初始裂缝继续向外扩展，同时由于热和冲击的共同作用，管壁破坏。

2 基于LS-DYNA的切缝药包爆破数值模拟分析

2.1 有限元模型建立

切缝药包数值模型由岩体、空气、切缝管、炸药组成，采用单炮孔形式。岩体模型尺寸为250 mm×250 mm，模型中心是炮孔，孔径为10 mm，炸药直径为6 mm，不耦合系数为1.67。炸药与切缝管紧贴，切缝管厚度为1 mm，缝宽为1 mm。由于试验中可以将其处理为平面情况，模型厚度取1 mm。为满足实际岩体无边际情况，模型边界设置为无反射边界，施加透射条件。炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，使用JWL状态方程模拟爆轰过程中压力和比容的关系。岩石采用JHC材料模型进行模拟。切缝管在炸药爆炸过程中被挤压至炮孔壁并发生破坏，动态力学行为较为复杂。切缝管简化为弹塑性材料采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。模型平面结构见图1，材料物理力学参数见表1。

图1 模型平面结构图Fig.1 Model plane structure diagram

表1 材料物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

材料密度/(kg/m3)爆速/(m/s)C-J压力/GPa弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPa炸药1 6403 90027---岩石2 800--350.2780

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 爆炸过程时程分析

炸药从起爆到传播至炮孔壁压力分布云图如图2所示。由图2可知，在0.448 μs时炸药内爆炸过程结束，爆轰产物在切缝处聚集并出现尖端状应力分布，切缝处出现应力集中现象，此外，在爆轰产物的作用下，切缝管向外扩张；在1.048 μs时，爆炸冲击波达到切缝炮孔壁，切缝方向的岩石形成初始尖端状裂纹；在1.849 μs时，非切缝处的炮孔壁才出现爆炸应力波且此时非切缝处应力大小明显小于切缝处，极大地降低了非切缝处裂纹扩张的可能；在2.148 μs时，由于爆生气体的推动作用，切缝管与破孔壁接触，形成侵蚀破坏。

图2 爆炸过程应力分布云图Fig.2 Stress distribution cloud map of the explosion process

综述所述，由于切缝管的存在，炸药的爆轰产物开始集中在切缝处；当爆炸应力波到达切缝方向的炮孔壁后，初始裂纹就在切缝方向的岩石中形成，应力较非切缝方向明显，切缝药包定向断裂效果明显。

2.2.2 炮孔壁压力值分析

在切缝药包切缝方向及垂直切缝方向炮孔壁附近各选取一个特征空气单元，获得压力时程曲线，如图3所示。

图3 炮孔壁特征单元压力时程图Fig.3 Time history diagram of the characteristic wall ofthe blasthole wall

图3中A、B曲线分别代表切缝方向和垂直切缝方向炮孔壁空气特征单元压力时程曲线。由图3可知，切缝方向在0.899 μs时达到应力峰值，时间比垂直切缝方向快1.4 μs。由于切缝方向先达到应

力峰值，切缝方向岩石预先形成初始裂隙，在后续爆生气体的作用下充分扩展，实现定向断裂的目的。在切缝药包切缝方向压力峰值比垂直切缝方向压力峰值大0.15 GPa，聚能效果明显。

综上所述，切缝管有效地阻挡了爆生产物的释放，使得能量沿着切缝方向提前聚集释放，加强了对切缝方向岩石的作用，并且在一定程度上避免了非切缝方向岩石的破坏。

3 现场试验研究

3.1 工程概况

寺家庄矿南一盘区北回风巷位于15#煤上7～10 m，岩性为灰色中砂岩，硬度f=6～8。直墙半圆拱断面，掘进宽度为6 m，掘进高度为5.1 m，断面积为26.7 m2。施工队伍是现有人员53人，其中掘进工35人，电工和检修人员10人，其他人员8人，采用“三八制”作业。

3.2 光面爆破参数

该回风巷采用楔直复合掏槽的方案，掏槽眼深度为2.4 m，其他炮孔深度为2.2 m，进尺为1.8～2.1 m，平均为2 m，炮孔利用率为91%。两天三循环(3 m/d)。爆破方案参数见表2。

表2 爆破方案参数表Table 2 Blasting plan parameter table

注：雷管采用130毫秒延期电雷管，共119发，连线方式为串并联，单耗1.52 kg/m3；若岩性发生变化，及时调整爆破参数

3.3 切缝管参数和现场装填方案

3.3.1 切缝管参数

现场根据炸药的尺寸和类型，采用外径为40 mm，内径为36 mm，壁厚为2 mm的阻燃抗静电硬质PVC管材作为切缝管的材料，单根成品切缝管价格是5元。

3.3.2 切缝药包现场装填方案

在切缝管中装入三卷乳化炸药并填入炮泥封堵完成切缝药包的制作；将切缝药包装入炮孔时，要求切缝方向沿巷道轮廓线方向，用炮棍缓慢将切缝药包推入炮孔顶部，防止切缝药包装入方向变化；装入切缝药包后，继续填入炮泥进行封堵。

3.4 等药量、等间距切缝药包爆破的现场试验

试验方案采用对比试验，周边眼间距及位置按照爆破图表设计进行，巷道中心左边部分周边眼装填切缝药包，右边部分周边眼装填普通药包。左右两边炸药量相同。

试验结果表明等药量、等间距的情况下，左、右两边周边成型质量差异较大。左边光面成型好且光滑，超挖在50 mm之内，半眼痕明显，半眼痕率达93%；右边成型较差，出现超欠挖，平均为200 mm。对比试验效果见表3。

表3 对比试验结果Table 3 Comparison of experimental results

3.5 等药量、大间距切缝药包爆破现场试验

试验方案采用对比试验，巷道中心左边部分周边眼装填切缝药包，周边眼间距增大100 mm为500 mm；右边部分周边眼装填普通药包，周边眼间距及位置按照爆破图表设计进行。左右两边炸药量相同。

左边周边眼间距增大，采用切缝药包爆破，爆破效果明显优于右侧普通药包，光面成型良好、光滑平整，超挖在50 mm之内，半眼痕明显，半眼痕率达85%；右边爆后巷道轮廓参差不齐，围岩破碎不平，出现超欠挖，平均为200 mm，残留半眼痕少，对比试验效果与3.4部分试验结果基本一致。

试验证明：岩巷周边眼爆破中采用切缝药包定向断裂爆破能减少炸药使用量，且成型更好，有效提高了周边爆破质量。

4 结 论

1) 使用切缝药包进行控制爆破，能够大大增加半眼残痕条数，眼痕率比普通爆破提高70%左右。

2) 以阻燃抗静电硬质PVC管材为原材料的简易切缝药包在岩巷快速掘进中能起到提高巷道成型质量的效果，超欠挖量少，雷管、炸药单耗、喷浆量、钢筋网消耗量、辅助作业时间等方面有效减少，能为企业带来可观的效益。

3) 数值模拟分析和现场试验效果的结论一致，充分证实了切缝药包对于巷道成型质量的控制效果明显，具有一定的理论意义和现实意义。