受限自由面宽度对爆破效果的影响分析

吴德义，高 迅

(1.安徽建筑大学 建筑健康监测及灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程省级重点实验室，安徽 合肥 230601)

在煤炭开采过程中，掘进是十分重要的工序。而在深部岩巷掘进过程中，当遇到普氏系数f>8的硬岩及坚硬岩，甚至是普氏系数f<8的中硬岩及软岩，由于受到目前掘岩机的机型限制等，即使综掘作业方式机械化程度较高，仍旧无法采用，不得不使用爆破法开挖的炮掘方式。在这种情况下，选择科学的爆破工艺和合理的爆破参数具有十分重要的意义。

在实际工程中，由于受限自由面的宽度不同，最小抵抗线的数值不同，可能会对爆破所需的装药量产生一定的影响。许多学者在如何科学地对受限自由面爆破装药量进行计算、提高掘进效率、改善爆破的效果等方面给出了他们的研究成果，其中U Langefors和B Kihlstorm[1]根据理论分析结合实验结果，得出在受限自由面影响下炮孔每米装药量的估算公式；李启月[2]等在U Langefors和B Kihlstorm提出的装药量公式的基础上对参数和公式进行了双重优化，提高了不同受限自由面爆破时装药量的精确性；郑明焦[3]在中深孔爆破的炸药量计算方法上给出了相应的方法；李显寅[4]等从自由面的数量、面积和位置等方面进行总结和分析，得出自由面对爆破效果的影响；梁雪松[5]则细致的分析了受限自由面对爆破振动的影响情况，从而使得对自由面的影响有了更进一步的认识。众多学者在爆破装药量的合理计算以及自由面对爆破的各方面影响上做了很多研究，但受限自由面宽度对爆破的影响仍然缺乏较为细致的分析。在安徽淮北矿区深部大断面岩巷掘进过程中遇到了不同的自由面宽度[6]，为解决实际问题，本文从受限自由面的宽度这一角度研究，通过实验得出其对爆破效果产生的影响，并给出具体的充分发挥自由面作用的相关数值，对工程在深部岩巷掘进中遇到不同自由面宽度时如何合理利用自由面以及最小抵抗线具有参考意义。

1 实验设计

1.1 理论分析

根据U Langefors和B Kihlstorm的理论分析结合其试验结果得出受限自由面影响下炮孔每米装药量的估算公式

q1=m1w/(sinβ)m2

(1)

式中ql为炮孔每米装药量，kg/m；w为最小抵抗线，m；β为夹角，°；m1，m2为系数。其中β可表示为：

(2)

式中l0为自由面宽度，m。因此，炮孔每米装药量可以表示成l0和w的函数，即：

(3)

由此我们可以初步得出，当系数m1、m2均不变，即爆破对象具有相同的岩石属性时，炮孔每米装药量仅与最小抵抗线和受限自由面宽度有关[7]。但要想进一步验证理论以及得出更多的结论，还需做大量试验。

1.2 实验过程

本次试验来自安徽省淮北矿区，该矿区岩石普氏系数普遍在6～8范围之间，为解决实际问题，故设岩石普氏系数f =6～8，炸药为水胶炸药，炮孔直径db=32.0mm，装药直径dc=27.0mm。对不同最小抵抗线和不同自由面宽度所需的炮孔每米装药量进行了大量实验，得出如下数据，见表1。

再依据表1，可以整理得出不同最小抵抗线w、炮孔每米装药量ql随自由面宽度l0变化如图1。

表1 最小抵抗线、炮孔每米装药量随自由面宽度影响示意

续表1 最小抵抗线、炮孔每米装药量随自由面宽度影响示意

图1最小抵抗线、炮孔每米装药量随自由面宽度影响示意图

由公式(3)和图1细致分析，不难得出：当抵抗线相同时，伴随着值l0的不断增大，炮孔每米装药量ql越来越小；并且l0值不断增加的同时，ql值减小的速度趋于缓慢，最后趋向于一个极限值。

2 实验结果分析

(1)在理想状况下，当受限自由面宽度为0m时，即不存在自由面，一方面此时岩石处于无线介质中，属于三向应力状态，爆破强度明显受到阻碍；另一方面不存在自由面就无法产生霍金逊效应[8]，即爆破时入射的压缩应力波再也无法达到自由面，更无法反射回性质相反的拉伸应力波与之重叠，即不会产生岩石的片落和爆破效果。

(2)当受限自由面宽度很小但不为0m时，从图1可以明显的看出，只要最小抵抗线的最大值足够小，就可以用极少量的炸药达到爆破效果；而当最小抵抗线的最大值越来越大时，要想产生爆破效果，必须使用近似指数倍增长的炸药量来达到目的，这显然不符合实际情况下的工程应用，我们应追求爆破效果良好的条件下尽可能少的装药量来达到节约成本的同时又较少破坏周围岩层的目的。

(3)通过实验发现，当自由面宽度宽度为0.10～2.00 m中的某一个定值时，炮孔每米装药量随着最小抵抗线的最大值增大而增大；而当最小抵抗线的长度一定时，炮孔每米装药量随着自由面宽度的增大而不断减小，并且逐渐趋于平缓。

(4)当自由面宽度不断增大直至无穷大时，发现不同抵抗线均表现出同一性质，即所需每米装药量均是不断减小的，并且逐渐趋于平缓。即在自由面宽度无穷大的情况下，炮孔所需每米装药量几乎没有明显的变化，但仍然能够实现理想的爆破效果。

通以上四点分析得知，当自由面宽度过小时，要使自由面充分发挥作用，最小抵抗线的最大值应小于某个临界值；同理当自由面宽度较大直至无穷大时，炮孔每米装药量趋于稳定，为使自由面充分发挥作用，最小抵抗线的最大值也应有相应的合理取值范围。即当l0→∞时，

q极限=m1w

(4)

为了可以定量分析不同最小抵抗线与自由面宽度同炮孔每米装药量的关系，选取表1中的数据，将不同组别的自变量l0、w以及因变量ql的值代入公式(3)，取不同的值m1，m2经过大量计算，得出各组m1，m2值基本相同，m1=1.4104，m2=1.4，也从侧面进一步论证了相同岩性具有相同的m1，m2值。由于安徽省淮北矿区地质的特殊性，结合图1进行精确模拟，最终取炮孔每米装药量ql=1.4q稳定的l0值作为自由面充分发挥作用的合理取值，则不同抵抗线合理自由面宽度值l0经计算得出表2。

表2 不同抵抗线合理自由面宽度值

3 结论

综上所述，受限自由面在改善深部岩巷爆破效果方面起到了关键性的作用，而受限自由面宽度的不同、最小抵抗线数值的不同，会导致炮孔每米装药量发生变化。经过研究，针对安徽淮北矿区深部大断面岩巷掘进过程中遇到的难题，应该尽可能合理的利用受限自由面，但想要合理利用受限自由面宽度就必须对最小抵抗线的最大值进行定量分析。通过实验将炮孔每米装药量、最小抵抗线、自由面宽度之间的关系用图表的形式进行表示，取ql=1.4q稳定，计算出不同抵抗线情况下合理的自由面宽度值，这样就能更加合理的利用自由面，充分发挥自由面对爆破效果的良性作用，为后续皖北矿区、豫南矿区等深部岩巷掘进工作提供重要参考价值。