赵固二矿西风井深井冻土爆破漏斗试验研究

2021-06-21于建新杨瑞亮张英才张道海

煤炭工程 2021年6期

于建新，郭敏，杨瑞亮，张英才，张道海，曾鹏

(1.河南理工大学，河南焦作 454003；2.河南国龙矿业建设有限公司，河南郑州 450000)

立井冻土爆破施工技术在矿井建设中的应用十分广泛，由于冻土的物理性质不同于岩石，关于冻土爆破理论的研究仍十分有限。早期宗琦等提出了一种大量破碎冻土的爆破方案，该方案主要是增大炮眼间距、减少炮孔数和降低炸药消耗量来优化冻土爆破效率[1]。为提高深井冻结基岩段的掘进速度，宗琦等进行了深孔爆破技术的爆破方案研究，发现大直径中心空孔对提高爆破效率起到关键作用[2]。因此爆破方案的设计对爆破掘进速度有极大的影响，例如在本项目背景中，眼深3m，炸药单耗1.31kg/m3，前期进尺3m左右，后来由于下层土冻结时间更长，自重应力变大等原因，进尺缩短为2m，掘进效率较低，这时候就需要结合实际对爆破参数进行优化，提高施工效率。

爆破漏斗是冻土爆破破坏的基本形式，研究爆破漏斗对工程具有显著的指导意义。从集中药包爆破漏斗理论，再到延长药包爆破漏斗的研究，与爆破的几何相似法则和经验性的药量体积公式相结合仍作为爆破参数确定的主要方法[3]。在爆破漏斗研究方面，王以贤等利用相似比理论进行煤体的爆破漏斗试验，研究了其爆破参数[4]。杨红兵基于中深孔爆破漏斗试验，为无底柱分段崩落法的实践提供了一定经验[5]。随着工程开挖深度的增加，吴春平等开展了深部岩石爆破漏斗试验并获得一些爆破参数，指导深部岩石爆破方案的设计[6，7]。针对人工冻土爆破的特性，马芹永等也做过大量的爆破研究并提供了宝贵的经验[8]。张俊兵等对青藏高寒冻土进行了爆破漏斗试验，得出了单位药包的最佳埋深、最大体积，并推导出最佳爆破参数[9]。本文主要通过对人工冻土性质的研究，进行冻土爆破漏斗试验获得最佳爆破漏斗半径和最佳抵抗线等参数，为爆破参数设计提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

井筒位于辉县市占城镇北小营村，井筒设计净直径6.0m，井口设计绝对标高+81.0m，其中井筒穿过表土层厚度为704.6m。冻结深度为783m，冻结温度为-15℃。

1.2 地层条件

试验标高-690m左右，为第四系(Q)、新近系(N)，揭露厚度704.60m。顶部为一层10.05m厚的黄土，其下岩性主要为黏土类和砂砾石层。其中黏土类岩性以砂质黏土、黏土为主，可塑性较好，具滑感，含少量钙质结核、铝土质斑块和砾石成分，部分土层分布情况见表1。

表1 部分土层分布表

2 冻土物理力学参数

冻土本身的物理力学性质是应力波传播的内在因素，也是最主要的影响因素。主要有冻土强度、冻胀量、弹性模量、泊松比等力学参数。为更好地了解冻土性质，进行爆破漏斗试验，对冻土力学参数进行测定。测试项目包括试样的自由冻胀量、单轴抗压强度、三轴抗压强度等。

2.1 冻胀量

土在冻结过程中，原有水分以及由未冻区向冻结区迁移的水分冻结成冰，引起土颗粒间相对位移使土体体积膨胀，称之为土的冻胀。王贺认为在冻胀过程中不仅温度对冻胀系数有影响，土的泊松比也有重要影响[10]。冻胀量与土样中的未冻水量关系紧密，冻土中的未冻水量不但是计算相变热的必要指标，而且直接影响着冻土的强度。冻胀量测试方法：按照现场含水量和干容重制备试样(试样规格为∅100mm×100mm)，将试样装入试验桶，放入试验仓内，连接补水系统、测温探头及位移传感器，按试验要求控制项、底板及试验仓温度进行试验，通过数采仪采集数据。所有试样都是重塑土样，测试结果见表2[11]，黏土冻胀增加量如图1所示。

表2 试样冻胀量测试结果

图1 7号黏土冻胀增加量(冷端温度-15℃)

从图1中可以看出，冻胀量在0～40h内冻胀量增加较大，在随后的时间内增加较小。立井冻土爆破井下施工时，冻土的冻胀量达到一个稳定值。

2.2 单轴抗压强度

冻土的强度可表征冻土抵抗压、拉、剪等应力，一般情况下，冻土抗压强度越大，抵抗爆破的能力就越强，因此可以把抗压强度作为冻土爆破性的一个指标。将加工好的试样在试验温度下恒温24h后，开始试验。冻土的单轴无侧限抗压试验在CMT5105型材料试验机上进行，加载过程实时取样。当试样的应力值下降或应变超过20%时，结束试验。冻土单轴抗压强度见表3[11]，由表3可知单轴抗压强度在7～8MPa之间。

表3 冻土单轴抗压强度

绘出应力-应变曲线如图2所示[11]，从图2可知，冻土应变在1.5%～3%时应力增加较大，在冻土多次爆破后，土体受到爆破冲击波的扰动，产生位移变形，当达到一定变形值时，爆破产生的荷载应力可能不会造成土体的松动，此时应当对松动的土体进行排矸。由于地下围压的存在，冻土的单轴强度随着开挖深度的变化而变化。Jianyu Peng等对深埋地下工程的开挖进行了爆破漏斗试验，对比无围压和有单轴围压下的情况，得出：在无围压下爆破漏斗的形状近似圆形，有围压下，为椭圆形[12]。因此，在立井冻结钻爆法施工中需要依据不同的深度及时调整爆破方案。

图2 不同深度下单轴压缩应力应变曲线

2.3 三轴抗压强度

将试样放入三轴压力室，在试验要求的围压下固结2h，接着按恒定的加载速率(1.1×10-3s-1)对试样进行加载，同步实时采集数据，直至应力降低或应变达25%以上结束试验。

强度取值标准：若应力-应变曲线出现明显转折点时，取该点的偏应力作为三轴抗压强度，否则，取应变为15%时的偏应力作为三轴抗压强度[13，14]。试验结果见表4[11]，三轴压缩偏应力-应变曲线如图3所示[11]。从表4中可见，扰动土的三轴抗压强度几乎与围压无关。

表4 三轴抗压强度测试表

图3 7号试样三轴压缩偏应力-应变曲线

从表3、表4来看，黏土在-15℃下，单轴抗压强度在7～8MPa之间。加上围压后，三轴抗压强度在9～10MPa之间，黏土冻结后整体抗压强度得到提升。冻土强度要弱于岩石的强度，在人工冻土爆破时，依靠岩石爆破的经验，多次对冻土进行试爆，合理进行爆破方案的设计。影响冻土爆破性的因素很多，冻土自身的性质包括：冻土的抗压强度、抗拉强度等强度指标，这些都是冻土自身固有的因素[15]。

2.4 弹性模量及泊松比

爆破应力波在冻土中传播时，其参数的变化直接反映了冻土的物理性质，波速是能量传递、消耗、吸收的一个标志量。冻土的弹性模量和泊松比影响着爆破应力波的传播，反映了冻土的可爆性。黄星等人认为动弹性模量E和动剪切模量G随温度的降低而升高，它们之间呈非线性函数关系，泊松比随温度的降低大致呈降低的趋势[16，17]。本次爆破漏斗试验主要关注-15℃下的黏土性质，其弹性模量和泊松比见表5[11]。

表5 弹性模量及泊松比

3 冻土爆破漏斗试验方案

在爆破漏斗理论研究中，最具有工程应用价值的是利文斯顿爆破漏斗理论。它利用最小二乘法获得爆破漏斗体积V-药包中心埋深L和爆破漏斗半径R-药包中心埋深L的多项表达式，进而获得最佳爆破药包中心埋深、爆破漏斗体积及最佳爆破漏斗半径。

在冻结立井井下进行现场探究试验，根据单孔爆破获得最佳埋深，以不同孔间距进行多孔段爆破试验，通过现场试验获得的数据，可以推导出不同情况下的爆破参数[18，19]。

3.1 试验条件

试验土层为砂质黏土，多为灰白色，胶结程度高，含大量钙质结构，较硬；冻结地层复杂、冻土打眼困难。爆破采用伞钻配改装后的MQT-150型气动锚杆钻机机头，使用麻花钻杆进行钻眼施工。本实验选用T220-nd型抗冻水胶炸药(-25℃)，依照炸药产品说明，其密度为950～1200kg/m3，爆速大于3600m/s，每个炮孔装药量均为0.175kg，采用正向装药结构。