魯軍紀(jì) 褚懷保 葉紅宇

(1.湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖南 婁底417000;2.中南大學(xué)軟件學(xué)院，湖南 長沙410083;3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作454000)

在礦井建設(shè)過程中，爆破法依然是目前掘進(jìn)破巖的主要手段。試驗(yàn)和實(shí)踐表明，炸藥爆炸釋放的能量在實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巖石破碎和破裂的同時有很大一部分不可避免地消耗在爆破有害效應(yīng)的轉(zhuǎn)化中，即不可避免的對圍巖造成一定的損傷［1-3］。這種損傷影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一是對巖石力學(xué)性能的劣化，使圍巖的強(qiáng)度降低;二是在圍巖內(nèi)形成新的裂隙或者促使圍巖中原裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，降低圍巖的完整性。最終兩者必將影響圍巖的穩(wěn)定性，增加巷道支護(hù)難度和后期運(yùn)營過程中的維修維護(hù)成本。

在目前采掘矛盾日益凸顯的狀況下，增加炮孔深度全斷面一次起爆的中深孔全斷面爆破技術(shù)在巷道掘進(jìn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但在現(xiàn)有的爆破技術(shù)條件下，往往存在炮孔利用率低、循環(huán)進(jìn)尺小、矸石堆積在工作面、根底殘留嚴(yán)重、巷道成型質(zhì)量差、圍巖擾動損傷大等問題，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度，在下山巷道爆破掘進(jìn)過程中這些問題更為突出［4-5］。因此，提高巷道掘進(jìn)速度，對保證礦井正常接續(xù)和生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了提高下山巷道的掘進(jìn)速度，控制爆破對圍巖的擾動損傷，在定向斷裂爆破理論分析的基礎(chǔ)上提出切縫管藥包定向斷裂復(fù)合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場中深孔全斷面爆破應(yīng)用，為切縫管定向斷裂爆破技術(shù)在巖巷快速掘進(jìn)中的推廣應(yīng)用提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 切縫管定向斷裂爆破裂紋的形成與擴(kuò)展

切縫管定向斷裂爆破是定向斷裂控制爆破技術(shù)的一種，是將炸藥裝入具有一定強(qiáng)度和密度的管內(nèi)，在管殼上開不同角度、數(shù)量和形狀的切縫，調(diào)控炸藥爆炸能量的釋放方向，控制介質(zhì)中爆破裂紋的形成位置和擴(kuò)展過程。

1.1 切縫管定向斷裂爆破初始裂紋的形成

切縫管的存在使炮孔內(nèi)壁介質(zhì)波阻抗發(fā)生改變，改變應(yīng)力波的傳播規(guī)律。藥包在切縫管內(nèi)不耦合裝藥時，藥包爆炸瞬間轉(zhuǎn)化為高溫高壓的爆轟產(chǎn)物，爆轟產(chǎn)物膨脹擠壓周圍空氣產(chǎn)生空氣沖擊波，空氣沖擊波向外傳播，在切縫管處作用于切縫管產(chǎn)生沖擊波，傳播至管殼與巖石分界面發(fā)生反射和透射，透射波作用于巖石介質(zhì);在切縫處空氣沖擊波直接作用于巖石介質(zhì)。藥包在切縫管內(nèi)耦合裝藥時，爆轟產(chǎn)物膨脹擠壓管殼在管殼內(nèi)產(chǎn)生沖擊波，傳播至管殼與巖石分界面發(fā)生反射和透射，透射波作用于巖石介質(zhì);在切縫處爆轟產(chǎn)物直接擠壓炮孔壁，在巖石中產(chǎn)生沖擊波。

式中，σI，σR，σT分別為入射、反射和透射應(yīng)力，Pa;ρ1c1，ρ2c2分別為2 種介質(zhì)的波阻抗，MPa·s/m。

巖石介質(zhì)的波阻抗大于切縫管的波阻抗，由式(1)可知，炸藥爆炸后作用于切縫處炮孔內(nèi)壁上的透射應(yīng)力大于切縫管內(nèi)壁的透射應(yīng)力，同時，切縫管是一種可塑性材料，其塑性變形會吸收一部分沖擊波能量，使非定向方向的沖擊能量得到衰減。由于切縫寬度很小，所以，切縫方向炮孔壁可認(rèn)為是受線性分布力σ1，非定向方向由于切縫管的存在承受均布面力σ2，則有σ1＞σ2。從切縫處取單元體，其受力情況如圖1 所示。

圖1 切縫孔壁處力學(xué)模型Fig.1 Mechanics mode of cut holes wall

單元體在σ1和σ2形成的壓力差下發(fā)生剪切破壞，在炮孔壁上形成初始裂紋，而且，在切縫處有較強(qiáng)的應(yīng)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子為非定向方向的3.75 ～5.4 倍，也促使切向方向的初始裂紋形成。

1.2 切縫管定向斷裂爆破裂紋擴(kuò)展

初始裂紋形成后，切縫方向裂紋的擴(kuò)展可分為3個階段:切向拉伸應(yīng)力作用下的擴(kuò)展、爆生氣體驅(qū)動壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展、爆生氣體驅(qū)動下的宏觀裂紋擴(kuò)展。

(1)爆炸應(yīng)力波作用下切向拉伸應(yīng)力作用下的裂紋擴(kuò)展。初始裂紋形成后，爆炸沖擊波迅速衰減為壓縮應(yīng)力波，爆炸應(yīng)力波作用下，巖石表現(xiàn)為強(qiáng)脆性，可用純脆性損傷斷裂準(zhǔn)則作為應(yīng)力波作用下巖石的損傷斷裂判據(jù)，根據(jù)Lematire 等效應(yīng)力概念［7］，當(dāng)?shù)刃?yīng)力σe達(dá)到巖石的動態(tài)斷裂應(yīng)力σu時巖石斷裂，裂紋擴(kuò)展。巖石發(fā)生切向拉伸破壞，徑向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。

(2)爆生氣體驅(qū)動壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。爆炸應(yīng)力波進(jìn)一步衰減后，切向拉伸應(yīng)力不能使巖石介質(zhì)發(fā)生拉伸破壞，爆炸應(yīng)力波作用下裂紋擴(kuò)展終止。高溫高壓的爆生氣體隨機(jī)充滿炮孔及形成的裂紋內(nèi)，對于巖石內(nèi)部的爆破問題，可簡化為二維軸對稱平面應(yīng)變問題來分析，假設(shè)在所有裂紋內(nèi)爆生氣體的流動規(guī)律相同，在不具體考慮裂紋間的相互影響下以平均效應(yīng)代替，且將此裂紋擴(kuò)展看做是I 型裂紋擴(kuò)展問題，則巖石中裂紋的穩(wěn)態(tài)失穩(wěn)條件為切向應(yīng)力等于巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度［6，8］。

(3)爆生氣體壓力場作用下的宏觀裂紋擴(kuò)展。σθ≥σd后初始裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，隨后爆生氣體充滿到初始形成的徑向裂隙中，在近區(qū)以氣體驅(qū)動的模式使裂紋擴(kuò)展，由應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則來確定裂紋擴(kuò)展區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI大于等于巖石斷裂韌度KIC時裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)展［9］。

1.3 切縫管定向斷裂爆破參數(shù)

(1)炮孔間距。利用切縫管定向斷裂爆破時，為實(shí)現(xiàn)只在炮孔之間連線方向形成貫通裂紋，而在炮孔壁的其余方向不出現(xiàn)拉伸裂紋，可將切縫縫口朝向炮孔之間連線方向上，根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI≥KIC時，裂紋開始起裂［10］。令

最終沒能改變阿花的決定，景花廠宣布倒閉。阿花說她最難過的是對不起員工們，他們跟隨自己這么多年，金融危機(jī)來了，沒能在她的樹蔭下躲過這場雨，而樹倒猢猻散了。所以景花廠倒了，一定要給員工們一個交代。她想好了具體的方案：一是向林強(qiáng)信妥協(xié)，讓大發(fā)廠來的員工再回大發(fā)廠；二是請業(yè)務(wù)單位幫忙，安置熟手；三是把設(shè)備低價處理給員工，讓他們自己接活加工；四是剩下的員工最大限度地予以賠償。阿花安排我去大發(fā)廠和林強(qiáng)信交談，她跑其他業(yè)務(wù)單位。

式中，r 為切縫外爆破裂紋長度;r0為炮孔半徑;P 為炮孔壓力，MPa;b 為側(cè)壓力系數(shù)，b = μ/(1 － μ);μ為巖石泊松比;σt為巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。取P= γσt/b，γ = 0.8 ～0.9 。由此求得與巖石性質(zhì)和炮孔半徑r0有關(guān)的裂紋長度r 的表達(dá)式為

所以炮孔間距

(2)光爆層厚度。為保證光爆層效果，應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)選擇炮眼密集系數(shù)m，一般取m= 0.8 ～1.0，其中硬巖取大值，軟巖取小值。這樣光爆層厚度W為

注意切縫管定向斷裂爆破炮孔密集系數(shù)m 的取值在這里有所不同。

(3)線裝藥系數(shù)和線裝藥密度。在計(jì)算炮孔線裝藥系數(shù)和線裝藥密度時假定炮孔采用不耦合裝藥，炮孔內(nèi)爆轟產(chǎn)物膨脹過程遵循以下規(guī)律［11］:

其中，Pc為爆轟產(chǎn)物平均壓力;ρ0為炸藥密度;D 為炸藥爆速;PK為爆轟產(chǎn)物膨脹時的臨界壓力，一般取100 MPa;Vb為炮孔體積;Vc為裝藥體積;M 為低壓階段(PK≥P)的爆轟產(chǎn)物膨脹指數(shù)，取M =1.4;N為高壓階段(PK≤P)的爆轟產(chǎn)物膨脹指數(shù)，取N=3.0。

結(jié)合P = γσt/b，可得炮孔線裝藥密度和線裝藥系數(shù)

式中，q 為線裝藥密度;ζ 為線裝藥系數(shù);db為炮孔直徑;dc為裝藥直徑。

2 中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破技術(shù)應(yīng)用

某下山巷道掘進(jìn)斷面寬4 400 mm，邊墻高2 200 mm，拱部開挖高度1 467 mm，開挖斷面14.77 m2，坡度15%。巷道巖石普氏系數(shù)f =8 ～10;YTP －28 型風(fēng)鉆人工抱鉆打眼，全斷面中深孔爆破掘進(jìn)，錨噴網(wǎng)支護(hù)，選用柳工ZL50C(ZL40B)輪式裝載機(jī)和8 t 自卸汽車裝運(yùn)工作面廢石，利用分段聯(lián)道岔口作裝碴點(diǎn)。但爆破效果不夠理想，炮孔利用率僅為60% ～70%;周邊孔成形質(zhì)量較差，炮孔半孔率僅為60%左右，且半孔痕分布嚴(yán)重不均;鉆孔工作量大;同時循環(huán)總藥量過大，爆破掘進(jìn)施工對巷道圍巖的損傷過大，嚴(yán)重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，致使后期巷道運(yùn)營過程中的維修和維護(hù)費(fèi)用提高，礦井采掘矛盾日益突出。因此，如何提高巖巷掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)礦井高效快速掘進(jìn)生產(chǎn)目標(biāo)成了亟待解決的問題。

為改善爆破效果，提高掘進(jìn)速度，提出了中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破方案，掏槽孔采用二級楔形耦合藥包切縫管定向斷裂爆破，周邊孔采用不耦合藥包切縫管定向斷裂爆破。切縫管定向斷裂楔形掏槽爆破是在掘進(jìn)工作面布置兩階楔形掏槽孔，一階掏槽孔裝入相應(yīng)材質(zhì)的切縫管，切縫寬度0.5 mm，切縫沿上下排炮孔連心線方向?qū)ΨQ開設(shè)，兩端炮孔內(nèi)切縫管切縫垂直開設(shè)，如圖2 和圖3 所示。

圖2 中深孔楔形切縫藥包定向斷裂掏槽爆破炮孔布置Fig.2 Layout of directional fracture cut blasting holes of middle-deep hole wedge joint-cutting cartridge

圖3 一級楔形掏槽孔定向斷裂裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Directional fracture charging constitution of level-1 wedge cut hole

周邊孔中提出采用定向斷裂周邊光面爆破技術(shù)，周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4 所示，切縫管長0.5 m，水泡泥填塞，剩余炮孔用黃土炮泥填塞。

圖4 周邊孔切縫管定向斷裂裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Directional fracture charging constitution of cut tube in peripheral holes

3 現(xiàn)場應(yīng)用爆破效果

在定向斷裂爆破裂紋擴(kuò)展機(jī)理基礎(chǔ)上，對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，周邊孔間距500 mm，光爆層厚度500 mm(確保周邊孔爆破后光爆層巖石可充分破碎，以降低周邊孔裝藥爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)射對圍巖的擾動損傷);一級掏槽孔孔口距800 mm，二級掏槽孔孔口距1 400 mm，同時中間的直孔布置為2 個，爆破器材選32 mm ×200 mm 乳化炸藥，1 ～5 段3 m腳線非電毫秒雷管，反向連續(xù)裝藥，磁電雷管、專用啟爆器實(shí)行長距離引爆，聯(lián)線方式為分組并聯(lián)方式，放炮母線選用鋁芯塑膠線，放炮安全距離不小于200 m。斜坡道炮孔布置如圖5 所示。

圖5 斜坡道炮眼布置Fig.5 Layout of blastholes at ramp

現(xiàn)場效果:通過利用提出的切縫管藥包定向斷裂復(fù)合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術(shù)使炮眼利用率達(dá)到90%以上，每循環(huán)進(jìn)尺達(dá)2.5 m，大大提高了巷道掘進(jìn)速度;眼痕率85%以上，爆破成形規(guī)整，有效控制了損傷，確保了圍巖穩(wěn)定性，為后期支護(hù)創(chuàng)造了良好條件;爆后巖塊均勻，大塊率低，提升了爆后裝巖速度。

4 結(jié) 論

(1)初始裂紋的形成是切縫處應(yīng)力集中和壓力差所致，而后的裂紋擴(kuò)展過程包括切向拉伸應(yīng)力作用下的擴(kuò)展、爆生氣體驅(qū)動壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和爆生氣體驅(qū)動下的宏觀裂紋擴(kuò)展3 個階段。

(2)切縫管藥包定向斷裂復(fù)合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術(shù)可提高炮孔利用率和眼痕率，改善掏槽爆破效果，有益于提高巷道掘進(jìn)速度;對周邊圍巖擾動損傷較少，使周邊圍巖裂隙少、整體性高，巷道周邊和迎頭面成型較好;且后期修邊支護(hù)工作量大大減少，維護(hù)維修費(fèi)用降低。

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