巷道无掏槽爆破模型实验研究

胡坤伦，李 毅，杨 帆，林 飞， 韩体飞

巷道无掏槽爆破模型实验研究

胡坤伦1，李 毅1，杨 帆2，林 飞3， 韩体飞1

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001；2.安徽江南爆破工程有限公司，安徽 宁国，242300；3. 中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北，235000）

为了研究无掏槽爆破机理，实施无掏槽爆破模型实验，并设置直眼掏槽和锥眼掏槽爆破对照实验组，对巷道模型中水泥试块的应变变化及无掏槽爆破过程进行测试分析。实验表明：无掏槽爆破的掏槽效果最好，几乎无残孔，且应变持续时间最长，出现2次应变峰值，后段应变峰值大于前段。

无掏槽爆破；模型实验；超动态应变测试系统；应变峰值

无掏槽爆破是一种巷道类单自由面爆破掘进新技术，其通过多柱状药包分段爆破技术与光面爆破技术相结合，实现巷道无掏槽大尺面掘进光面爆破[1]。汪传松[2]提出隧道无槽爆破法，其特点在于降低约束力和增加最有效破坏力。邓志勇等[3]发现无掏槽爆破主要通过全断面同时爆破，为其它炮孔提供爆破临空面。颜事龙等[4]对无掏槽掘进爆破的机理进行研究。师百垒等[5]讨论了无掏槽爆破的相关参数，并应用于实际隧道工程中。

为了进一步研究无掏槽爆破机理，对比无掏槽爆破与常用掏槽爆破的综合爆破特性，本研究设计直眼掏槽、锥眼掏槽、无掏槽爆破模型实验，通过高速摄影及超动态应变测试系统观测无掏槽爆破的二次爆破现象、应力变化情况、爆破漏斗等特性[6]，以期为无掏槽爆破在巷道掘进应用提供实验依据。

1 无掏槽爆破模型实验

1.1 实验设计

模拟巷道模型试件由水泥砂浆圆柱外罩无缝铁桶制成，圆桶内径400mm，高500mm，铁桶壁厚8mm；其水泥抗压强度42.43MPa，抗拉强度1.84MPa，纵波速度3 844.3m/s。在巷道模型试件中部设置直眼、锥眼、无掏槽爆破工艺。统一设置炮孔直径为8mm，孔深200mm，堵塞长度50mm，采用不耦合装药，周边孔均为12个且不装药。具体爆破模型实验方案见表1。无掏槽爆破布孔如图1所示。

表1 爆破模型实验方案

Tab.1 Experimental scheme of blasting model

注：雷管为8号工业电雷管，单发药量为1g，已计入总药量。

图1 无掏槽爆破布孔图

1.2 超动态应变测试系统及测点布置

建立超动态应变测试系统，实测不同掏槽爆破工艺在巷道模型试件中爆炸产生的爆炸应变波信号。超动态应变测试系统由8841型HIOKI数字存储示波器、SDY2107A超动态应变测试仪、若干SDY2301应变仪桥盒、电阻应变传感器和Fastcam Super 10kc型CCD高速摄影机组成。采用的应变片型号为BHF120-3BA箔式电阻应变片，其灵敏系数为(2.0± 1%)，敏感栅尺寸为3.5mm×2.1mm。应变砖测点位置及实物见图2。

图2 应变砖布置及试件

应变片首先张贴于应变砖上，应变砖所用水泥配比与巷道模型试件严格一致，并和被测试件弹性模量、波阻抗一致，经防水绝缘处理后，浇筑于巷道模型中。每个巷道模型试件预埋2个应变砖，应变砖尺寸为20mm×20mm×20mm，分别距离试件顶部100mm和250mm处。

2 实验结果及分析

2.1 爆破掏槽效果

3组模型的被爆混凝土体积和装药单耗基本相同，3组爆破效果如图3所示。

图3 巷道模型试件掏槽爆破效果图

由图3可看出，无掏槽爆破较掏槽爆破具有槽腔深、体积大、槽腔整齐的特点；直眼掏槽残孔平均长度20.5mm，炮孔利用率89.75%；锥眼掏槽残孔平均长度15mm，炮孔利用率92.5%；无掏槽爆破几乎无残孔，炮孔利用率100%。对于掏槽爆破，由于巷道模型试件受无缝铁桶的约束，断面上只有1个自由面，所以自由面首先由中心掏槽孔爆破形成。根据利文斯顿爆破漏斗理论，掏槽爆破属于减弱抛掷爆破漏斗[7]，掏槽爆破后，自由面的数目由1个增加为2个。因此，掏槽孔的爆破好坏直接影响自由面的形成。

通过Fastcam Super 10kc型CCD高速摄影机观察无掏槽爆破整体过程，如图4所示。

图4 无掏槽爆破整体过程

无掏槽爆破是在平行于断面方向的多柱状药包同时起爆，形成加强抛掷爆破漏斗。上段药柱爆破后，形成新的自由面，始终是加强抛掷爆破漏斗。

由图4可见前段装药起爆后将水泥试件破碎和抛掷，为后段爆破提供新的自由面。并且在爆破应力波和爆生气体的作用下，后段水泥试件产生更多的裂缝，使得后段爆破抛掷水泥试件效果更加明显。

2.2 爆炸应变波信号特性

3组模型的应变——时间曲线如图5所示，应变峰值统计见表2。

图5 巷道模型试件中的应变——时间历程曲线

表2 应变峰值结果统计表

Tab.2 Statistical table of peak strain

由表2及图5可见，3组爆破模型引起的应变最大峰值基本相同。图5（a）、图5（b）仅在0～200μs时间范围内出现应力应变，而且只有1次；图5（c）则分别在0～100μs及200～600μs范围内，出现2次应力应变，且第2次峰值高于第1次峰值。这是由于无掏槽爆破按一定的微差时间分段起爆，使得后段爆破能充分利用前段爆破的残余爆破应力，增强爆破效果。

3 结论

（1）与直眼掏槽、锥眼掏槽相比，无掏槽爆破的爆破效果最好，几乎无残孔，炮孔利用率接近100%，且应变持续时间最长，出现2次应变峰值，后段应变峰值大于前段。（2）无掏槽爆破通过多柱状药包同时起爆，爆破应力波互相叠加，与爆生气体共同作用；前段装药起爆后，为后段爆破提供新的自由面，前、后段爆破均为加强抛掷爆破漏斗。（3）无掏槽爆破前后段装药按照一定的微差间隔分段起爆，后段爆破能充分利用前段爆破的残余爆破应力，获得更好的爆破效果。

[1] 王昌建.井巷不掏槽爆破模拟试验研究[D].安徽淮南:安徽理工大学,2001.

[2] 汪传松.隧道无槽爆破法研究[J].岩土工程学报,2000,22 (5):555-558.

[3] 邓志勇,刘慧.隧道无掏槽掘进爆破技术的实验研究[C]//第六届全路工程爆破学术会议,2000.

[4] 颜事龙,王烈传,王昌建.不掏槽掘进爆破机理的探讨[J].淮南工业学院学报,2001,21(3):36-39.

[5] 师百垒,戴俊.隧道无掏槽齐发崩落爆破应用研究[J].公路, 2016(6):261-264.

[6] 杨帆.煤矿巷道无掏槽掘进的实验研究[D].安徽淮南:安徽理工大学,2015.

[7] 颜事龙,胡坤伦,徐颖.现代工程爆破理论与技术[M].江苏徐州:中国矿业大学出版社,2007.

Experimental Study on Tunneling Model by Cut-free Blasting

HU Kun-lun1，LI Yi1，YANG Fan2，LIN Fei3，HAN Ti-fei1

（1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan,232001；2. Anhui Jiangnan Blasting Engineering Co.Ltd.,Ningguo,242300；3.CCTEG Huaibei Blasting Technology and Engineering Institute Co. Ltd., Huaibei, 235000）

In order to study the mechanism of cut-free blasting, the model experiments of cut-free blasting were investigated, as well as the parallel cut and taper cut were set as the contrast experiment groups. The strain change of cement test blocks in the roadway model was tested and the complete cut-free blasting process was recorded. The experiment results showed that the cutting effect of cut-free blasting was the best of all with almost no residual holes, the strain duration of cut-free blasting which had two strain peaks was the longest of all, and the strain peak in the back section was higher than that in the front section.

Cut-free blasting; Model experiment; Ultra-dynamic strain testing system；Strain peak

TJ510.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.013

1003-1480（2019）05-0049-03

2019-09-12

胡坤伦（1962-），男，教授，从事爆破技术理论、应用教学与研究工作。

国家自然科学基金青年科学基金（51604009）。