深孔爆破卸压孔间距设计与破坏效果分析

李磊波

（山西焦煤集团西山煤电屯兰矿，山西 太原 030206）

爆破卸压是煤矿生产过程中比较常用的卸压方式，爆破卸压的重难点在于在爆破点周围岩层不受爆破影响的前提下，确定合理的炮孔角度、炮孔间距等各项参数。李卯玄等对杜儿坪煤矿的72909工作面使用切顶卸压护巷技术发现，该技术能够有效延长巷道服务年限，明显减小巷道围岩变形情况；曹勇强等在斜沟煤矿的23111 工作面切顶卸压的过程中发现，卸压之后的巷帮移进量能够较切顶前减少25%。

本文特以屯兰矿12507 工作面为例，设计并开展了切顶爆破卸压方案。屯兰矿已经施工的12507工作面底抽巷与邻近待施工的12509 工作面轨道顺槽受到12507 工作面大面积的回采动压影响，预计巷道变形控制难度大。为了改变回采巷道周围所处的应力环境，使巷道能够处于卸载区，根据屯兰矿的12507 工作面实际生产条件，决定在12507 工作面运输顺槽实施爆破切顶卸压，以保护12507 工作面底抽巷和邻近12509 工作面辅运巷。

1 深孔爆破卸压孔间距分析

1.1 柱状炸药产生的爆破载荷分析

在耦合的条件下装炸药，岩体内的柱状炸药孔起爆之后，会向孔壁外侧的岩体施加强力的冲击载荷，按动力波原理有：

式中：p 为透射入岩石中的冲击波初始应力；p0为炸药的爆轰压；ρ、ρ0分别为岩石和炸药的密度；v1、v2分别为岩石中的波速和炸药爆速；γ 为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般取γ≈3。

岩体中产生的透射冲击波不断地向外界传播，同时不断衰减，最后演变成为应力波。岩体中任意一点的径向应力和切向应力可表示为：

式中：σθ、σr分别为岩石中的切向和径向应力；d 为比距离，，r 为计算点到装药中心的距离，rb为炮孔半径；α 为载荷传播衰减指数，，正负号分别对应冲击波区和应力波区，μd为岩石的动泊松比；b 为侧向应力系数

如果将问题看成是平面问题，可进一步求得z轴方向的受力：

1.2 爆炸载荷作用下岩石的破坏分析

在外力条件作用下，材料破坏的标准与材料的物理力学性质和内部受力情况有关，岩石属于脆性材料，抗压强度显著高于抗拉强度，工程爆破状态下，岩体呈现出一种受压、受拉混合的三向受力状态。许多研究表明：钻孔爆破中，岩体受压缩出现粉碎区，而受拉破坏的结果则是裂隙区，岩体中任意一点的应力状态：

将式（3）（4）（5）代入整理得：

1.3 粉碎圈与裂隙圈半径的计算

柱状耦合装药条件下，药包产生爆炸时，对周围的岩体能够产生一种高峰值的脉冲压力，同时会有一股强力的冲击波在紧靠药包附近的区域被激起。在几万兆帕冲击波的超高压作用下，岩体内部结构遭到严重破坏，并粉碎成为细微粒子，从而形成了粉碎圈。粉碎圈的半径很小，但是由于岩体结构遭到强烈粉碎，产生了大量的塑性变形和剪切破坏，消耗能量极大。因此，为了能够充分地利用炸药爆炸产生的能量，应尽可能控制和减少粉碎圈的形成。根据公式（6）（7）可得粉碎圈的半径为：

式中：ρ0为炸药的密度；v2为炸药爆速；A 为爆轰波传播至岩体的投射系数，；σcd为岩石动态抗压强度，σcd=σcε1/3，其中σc为岩石的单轴静态抗压强度，MPa，ε 为加载应变率，s-1，工程爆破中岩石的加载率为100～105s-1，在粉碎圈内加载率较高，可取102～104s-1，在粉碎圈外加载率可取100～103s-1。

炸药爆炸形成粉碎圈之后，冲击波慢慢衰减，最终变为应力波，此时的强度已经远低于岩体的抗压强度，不会再继续产生压缩破坏，但是仍会产生切向的拉伸应力，如果该拉伸应力超过了岩体的抗拉强度，则会在岩体中形成裂隙，与破坏圈贯通。

2 工程背景与数值模型

2.1 工程背景

屯兰矿12507 工作面底抽巷（已施工）与邻近12509 工作面轨道顺槽（待施工）受12507 工作面回采动压影响，预计巷道变形控制难度大。为了改善巷道所处的应力环境，使巷道处于卸载区，根据12507 工作面实际条件，通过在12507 工作面皮带顺槽进行爆破切顶卸压，以保护12507 工作面底抽巷和邻近12509 工作面辅运巷。以屯兰矿12507 工作面为例，利用上述爆破理论分析爆破参数，同时利用数值模拟分析软件进行模拟分析，以确定合理的施工参数。

2.2 数值模型

本文采用Flac3D进行数值模拟分析。Flac3D是二维的有限差分程序Flac2D的拓展，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构，单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。

3 数值结果分析

3.1 合理切顶高度的确定

在工作面尚未回采之前，原岩地应力呈现纵向梯度均匀分布，底抽巷所处位置位于保护煤柱正下方，处于应力集中区域，极其不易维护。工作面顶板岩层柱状图如图1 所示。

图1 工作面顶板岩层柱状图

从图1 可以看出，2 号煤层上面有很多比较坚硬的岩层，切顶高度需要垂直15 m 才算合理。分别模拟了切顶角度60°、65°、70°、80°时的围岩应力改善情况。通过对比分析12507 顶板和保护煤柱，当切顶角度选定为70°时效果最好，炮孔斜长选定为18 m 较为合理。保护煤柱区域应力集中分散转移后、才更有利于沿空掘进的巷道的维护。

根据数值模拟分析，初步将切顶方案定为：炮孔仰角70°，装药长度10 m，封泥长度8 m，炸药起爆点在实体煤上方，保证不会对巷道造成破坏。

3.2 数值模拟分析爆破裂隙

设定炸药药卷直径为50mm、炮孔的半径0.375 mm、两个炮孔之间间距为3 m 进行模拟，炸药包爆炸之后的炮孔周围的岩体破坏情况如下页图2 所示。

图2 两个爆破裂缝叠加状态

根据上面分析结果，炮孔周围的岩石在炸药包起爆后开始出现比较大范围破坏，在这之后径向主裂纹开始出现，随后裂纹开始扩展，出现次裂纹。次裂纹随机扩展，而主裂纹则是沿着径向方向向外扩展，但在局部上也表现出一定的随机性。裂纹停止扩展以后，主裂纹的平均长度在0.85 m 左右。因此可以确定，在屯兰矿的地质条件下，将炸药的炮孔间距确定为3.0 m 较为合适。

4 结论

根据Flac3D模拟分析与爆破理论计算得知，对于屯兰矿12507 工作面，最合理的卸压方案为：炮孔仰角70°、装药长度10 m、封泥长度8 m、药卷直径50 mm、炮孔直径75 mm、炮孔间距3 m。对12507 工作面进行切顶卸压护巷，通过卸压12507 皮带顺槽保护12507 底抽巷，延长了巷道服务年限，减少了受采动影响而造成邻近巷道围岩变形增大现象，降低了巷道维护治理费用。