岩巷掏槽爆破数值模拟分析及参数优化

张 钎

（阳泉煤业（集团）有限责任公司一矿， 山西 阳泉 045008）

山西阳煤一矿井下地质条件复杂，受构造影响较大，钻爆法作为岩巷掘进中主要施工手段，在现场采用较多。国内学者对于钻爆法在岩巷掘进过程中的应用展开过大量的研究：龚敏等[1]通过采用数值模拟，对掏槽爆破过程进行模拟，对比优化前后的有效应力等参数，并结合现场情况进行检验，新的方案取得了良好的效果；宗琦等[2]通过理论结合实际，对影响爆破掘进的主要因素进行了讨论，提出了合理的掏槽形式和掏槽参数等；东兆星等[3]基于模糊综合评价理论和观场实测数据，对掏槽方式及爆破参数进行优化评价，结果符合实际情况；孟小瑞[4]针对原有方案中进尺低、炮眼利用率小的问题，通过结合理论对掏槽参数进行优化，新的爆破方案中掏槽采用三级楔形掏槽，在现场施工中有效提高了循环进尺。

本文通过选取该矿具有代表性的北翼回风巷道作为试验巷道，主要针对原有爆破方案中的掏槽参数进行优化，结合数值模拟进行分析，经过一段时间的现场试验后，根据统计进尺、炮眼利用率等指标，取得了良好的试验效果。

1 工程概况

山西阳煤一矿北翼回风巷道为直墙半圆拱形断面，巷道毛宽4800 mm、毛高3900 mm、毛断面16.243 m2、埋深-850 m，掘进范围内的岩层为硬度较高的砂岩。通过对巷道围岩进行取芯加工后，进行单轴试验测得岩石的单轴抗压强度达到了100 MPa，粘聚力为25 MPa，岩石硬度系数f＞10。由于岩石硬度较高，在原有爆破方案中，掏槽采用单楔形掏槽爆破，孔间距较大，当掏槽爆破最先起爆后，爆炸产生的应力波对围岩的破坏作用较小，掏槽区域岩石未能充分破坏，影响岩石的抛掷，造成后续炮眼起时夹制作用较强，因此对掏槽参数进行优化对于提高爆破进尺有着重要影响，在新的爆破方案中，在楔形掏槽眼的中部与掘进方向平行钻中心眼，采用楔直复合掏槽，这种方案主要在于首先起爆斜眼，用以扩大槽孔，中心眼分段起爆加强爆破后的抛渣力，楔直复合掏槽可以发挥扩大自由面、增强抛掷力度的作用。

表1 北翼回风巷道巷参数表

2 数值模拟分析

2.1 数值模型建立

楔直复合掏槽爆破模型由被爆岩体、炸药、封堵炮泥、空气四部分组成。被爆岩体尺寸大小为4 m×3 m×2.4 m。岩体中心位置处垂直方向上对称布置2个中心炮孔，中心直眼设置延时起爆，在楔形掏槽眼爆破1000 μs后起爆。在距中心炮孔0.5 m左右两侧处各布置1列楔形炮孔，每列设置3个楔形炮孔，炮孔间距为0.3 m，楔形炮孔与岩体断面夹角为75°，炮孔布置图见下页图1。由于研究问题具有对称性，只建立四分之一模型，掏槽眼直径均为40 mm，炸药直径为35 mm，炸药长度1.0 m，炮泥封堵长度为1.2 m，采用反向起爆方式。被爆岩体采用拉格朗日网格建模，被爆岩体和空气、炸药间采用流固耦合算法，模型中均采用六面体划分网格。为模拟巷道掘进过程围岩无边际岩体情况，边界设置为无反射边界。

被爆岩体和炸药的主要物理力学参数见下页表2。

图1 数值模型图

表2 材料物理力学参数

2.2 被爆岩体内部应力波传播过程

为研究楔形掏槽爆破过程中被爆岩体内应力波传播规律，从被爆岩体内部观察应力波传播过程。图2为应力波传播时程图。

图2 应力波传播时程图

从有效应力波的传播过程图中可以看出，随着炸药从炮孔底部起爆后，有效应力波迅速扩展开来，在260 μs时楔形掏槽眼炸药爆炸完毕，此后随着爆破应力波向工作面扩展，在560 μs时应力波达到自由面，在此阶段由于中心空孔的原因，应力波向此处集中，在1020 μs时随着中心炮眼的起爆，爆炸产生的应力波与楔形掏槽眼爆炸产生的应力波发生叠加，有利于岩体的二次爆破。

3 爆破技术研究

3.1 施工工艺

结合上述数值模拟，对北翼回风巷道试验巷道进行现场试验，提出了楔直复合掏槽爆破的施工方案。具体爆破方案布置图如下图3所示，爆破参数表如下表3所示。

图3 炮眼布置图（mm）

表3 爆破参数表

爆破作业采用一次打眼、一次装药起爆的施工方式，采用反向起爆，炸药采用三级矿用乳化炸药，雷管采用毫秒延期电雷管。

3.2 爆破试验效果

采用新方案后，对巷道施工情况进行一段时间的监测后，得出试验巷道的爆破效果表如表4所示。

表4 爆破效果表

采用新的爆破方案后，同原有爆破方案所产生的掘进效果进行对比如表5所示。

表5 施工工艺效果对比表

通过对比分析可以看出，采用楔直复合掏槽爆破的优势主要有：可以充分将掏槽区域岩石破碎，爆破后大块矸石少，出矸速度快，减少出矸时间；爆破进尺增大，炮眼利用率增高，大大提高了掘进效率。

4 结论

通过数值模拟分析出，楔直复合掏槽在爆炸开始后，应力波从炮孔底端呈椭圆状向自由面方向扩展，并迅速与相邻炮孔的应力波开始叠加作用，当楔形掏槽爆破应力波到达自由面后，在自由面处发生应力波反射形成拉伸波，随着中心炮眼的起爆，楔形掏槽产生的有效应力波同其发生叠加，应力作用增强，有利于造成被爆岩体的二次破碎。以此作为基础，采用新的爆破方案后，有效提高了巷道的掘进进尺，增大了炮眼利用率，由原来的75%提高到了90%，掘进进尺由3 m/d提升至3.6 m/d，提升了掘进效率。