深孔松动爆破在硬岩巷道综掘中的应用研究

2018-04-25孟秀峰

中国煤炭 2018年3期

孟秀峰杨博,2

(1.山西能源学院，山西省晋中市，030600;2.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054)

综掘机在煤矿巷道掘进中使用的越来越多，综掘机在煤巷及软岩巷道能够充分发挥其效能，巷道成型好，劳动强度低，具有钻爆法无法比拟的优点。当遇到较为坚硬的岩石时，综掘机的切割速度减慢，截齿消耗增大，掘进成本增加。针对此情况，通常选择钻爆法及浅孔松动爆破配合综掘机掘进，也有选择深孔松动爆破，使岩石形成裂隙，破坏其整体性，然后采用综掘机掘进。

深孔松动爆破技术已成功应用于边坡处理、瓦斯抽采、过地质构造等，在硬岩综掘巷道研究及应用较少，爆破参数与上述方面也存在很多差异，因此，硬岩巷道综掘深孔松动爆破有待于进一步深入研究，本文以潞安集团古城煤矿硬岩巷道掘进为背景，提出了采用深孔松动爆破配合综掘机掘进的方法，得到成功应用。

1 工程概况

现场试验选择潞安矿区古城煤矿主斜井掘进，基岩段设计里程545～2004 m，倾角为15°，基岩段设计为直墙半圆拱型，掘进宽度为6.3 m，掘进高度为4.5 m，掘进断面积为24.08 m2，为典型大倾角大断面(下山)斜巷。

基岩段岩性以砂岩为主，较坚硬，整体性好。经测试，岩石的坚固性系数大于7。据调研发现，基岩段掘进初期545～984 m距离采用爆破掘进，每班进尺不足0.8 m，后试用EBH418型掘进机掘进，每班切割进尺不足0.5 m。由于岩石硬度大，综掘机切割岩石变得困难，综掘机效率无法发挥，严重制约掘进速度。

2 爆破裂纹扩展数值计算

2.1 计算模型及参数

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行模拟，计算模型长8 m，高6 m，厚度方向取一个单元。炮孔直径75 mm，药卷直径65 mm；炮孔长度25 m，装药长度15 m，封堵长度10 m。

本节模拟主要涉及岩石，岩石选用薄壳单元、弹塑性模型作为基本模型，炸药采用JWL状态方程进行模拟，因此在巷道掘进模拟中常采用Mohr-Coulomb模型，岩石力学参数如下：细砂岩容重γg为27.4 kN/m3，弹性模量E为3.4 GPa，抗压强度RC为64.50 MPa，抗拉强度RL为7.0 MPa。

2.2 模拟结果分析

使用LS-DYNA2D软件模拟炮孔爆破的过程，使用Fcomp功能把该时刻的爆破等效应力云图输出，结果如图1所示。

分析爆破裂隙发展过程可知，破碎区形成时间很短，大概只有0.1 ms；1.2 ms后裂隙区基本形成，半径大约为1.65 m。

使用LS-PREPOST的History功能把距离炸药中心1.55 m处单元X方向和Y方向的应力—时间曲线输出，结果如图2所示。该单元在爆破过程中X方向和Y方向所受的最大拉应力分别为21 MPa 和15 MPa，均大于巷道掘进围岩的动态抗拉强度，故能够破坏岩石。

图1 等效应力波传播图

图2 距爆破中心1.55 m处的应力—时间曲线

3 深孔松动爆破方案设计

3.1 钻爆器材

打钻成孔是实施深孔预裂爆破技术的首要工序，也是最关键的一环。采用MKQJ90/25钻机进行打孔，钻孔直径为75 mm。炸药采用满足该掘进工作面安全等级的特制水胶炸药药柱，药柱规格ø65 mm×1000 mm、3.0 kg/卷。起爆雷管使用煤矿许用1～5段毫秒延期电雷管。

3.2 爆破参数

合理的爆破参数是综掘硬岩松动爆破的关键。因此，根据现场情况和综掘机自身特点，选择合理的炮孔深度、孔网参数、单孔装药量等爆破参数。

(1)炮眼深度。炮眼深度是影响综掘机掘进速度的重要技术参数。炮眼深度与钻眼机具的性能、爆破范围等有关，并保证施工巷道不因爆破受到破坏。

(2)孔网参数。孔网参数是指炮孔间排距，深孔松动爆破的目的是增加岩体中的裂隙，不要求岩体粉碎或形成抛掷，因此，炮孔间排距可稍大。

根据爆轰理论和应力波理论，间排距半径通常按下式进行计算：

式中：σd——岩石抗拉強度，MPa；

b——炮眼排距，mm；

a——炮眼间距，mm；

m——炮孔邻近系数，取0.6～0.9；

R——裂隙扩展半径，mm；

db——炮眼直径，取75 mm；

dc——药包直径，取65 mm；

D1——炸药爆速，取3200 m/s；

ρw——炸药密度，乳化炸药密度取1110 kg/m3；

γ——岩石泊松比，取0.2；

α——应力波衰减值；

n——应力增大系数，取8～10。

由上式计算得炮孔间距a为1200～1600 mm，排距b为720～1440 mm，深孔松动爆破的目的是增加岩体中的裂隙，不要求岩体粉碎或形成抛掷，炮孔间排距可稍大，因此，a取1500 mm，b取1400 mm，如图3所示。

图3 炮孔布置图

根据计算结果，确定炮孔间距1500 mm。结合现场实际情况，考虑施工安全和爆破造成围岩损伤破坏，全断面3个孔呈三角布置，下部布置两个炮孔、上部布置一个炮孔，炮孔排距1400 mm。

(3)炮孔装药量。每个炮孔的装药量为45 kg，约为30个药卷，药卷规格ø60 mm×500 mm、1.5 kg/卷。根据实际松动爆破情况、岩石硬度以及岩石节理发育情况进行调整。

(4)封孔方式和长度。封孔质量直接影响爆破质量。如果封孔长度短，会出现冲孔现象，或产生抛掷漏斗损坏影响松动效果；如果封孔长度过长，破岩能力小于抗爆能力，不能充分松动。因此，合理的封孔长度既要保证岩体松动破裂，同时又不能产生抛掷爆破漏斗。通过多次试验，确定封孔长度为10 m时爆破效果最佳。

(5)装药与起爆。炮孔深度25 m，装药15 m，封孔10 m。3个孔均平行于巷道轴线方向钻进。采用连续正向装药、风动封孔机封堵孔口，黄泥作为封堵材料，3个炮孔的深度、装药长度、装药量、封堵长度均相同，分别为25 m、15 m、45 kg、10 m，雷管级别分别为1、2、3级。每个炮孔一个起爆药柱，每个起爆药柱装两发同段雷管，分别用胶质导线引出，孔外串联电起爆网路，接头处使用防水胶布处理，确保可靠起爆。

4 试验效果

(1)裂隙发育情况。通过了解炮孔的爆破情况，直观地观测爆破后炮孔孔壁裂隙发育情况。如图4所示。

通过对近十年白花前胡研究文献进行分析，发现前期对白花前胡的研究领域较广，主要学科包括中药学、农作物、生物学、药学、农艺学、化学、园艺、植物保护、肿瘤学、林业、一般化学工业、农业基础科学等，在研究方向上重点集中在化学成分和药理作用等方面，但有关白花前胡的种质资源分析评价、优良品种培育等方面的研究报道较少，对目前生产中普遍存在的早期抽薹现象关注度不够。建议后期加强对白花前胡的种质资源收集与评价、科学合理的留种技术研究、优质种子生产技术体系的建立等方面研究的关注与重视，解决制约生产发展的瓶颈技术问题，切实促进白花前胡种植产业的发展。

图4 爆破后孔壁裂隙扩展情况

由图4可知，由于岩石坚硬、整体性好，与封堵段的距离越小，受到爆破的影响越小，裂隙扩展小，孔壁内先出现径向裂隙，轴向裂隙宽度小，如图4(a)所示。随着深度的增加，环向和径向裂隙交错、破碎呈龟裂状。距孔口为16 m时，裂隙的宽度增大，孔壁石块掉落，如图4(b)所示。距离孔口23 m时，接近炮孔底部，孔壁上掉落的岩块数量增多，块度增大，破坏较为严重，难以判断炮孔轮廓，如图4(c)所示。到达炮孔底部时，崩落的岩块堵塞炮孔，且岩石较为破碎，如图4(d)所示。

裂隙扩展观测结果表明，采用深孔松动爆破可以有效地增加岩体内裂隙、降低其整体性；且岩体内裂隙的发育程度与装药密切相关，在炮孔底部，爆炸应力波和爆生气体作用时间较长，裂隙相互贯通，岩石整体性发生破坏，满足综掘机掘进要求。

(2)掘进速度。松动爆破后，形成破碎区和裂隙区，岩体整体性变差，利于综掘机掘进。现场试验结果表明，装药段炮孔径向1.0～1.2 m范围岩体破碎，岩石呈块状切落，切割速度快。在封堵段和远离炮孔区域与爆破前的岩石整体性相近，切割依旧困难、较爆破前切割速度变化不大，进而验证了深孔松动爆破对巷道围岩稳定性影响小，利于巷道维护。实现平均每班进尺约1.2 m，较试验前爆破掘进提高了约36 %。

(3)截齿消耗。在封堵段和远离炮孔区域，截齿消耗量与试验前相近，在装药段裂隙发育明显，岩体整体性降低，截齿消耗显著降低，平均截齿消耗5.62个/m，较试验前9.26个/m降低39.3%。