王雁冰，張航，楊仁樹，謝平，李書萱，周振偉

1) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 3) 淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦，淮南 232150

由于巖石巷道的圍巖軟硬不一，難以適用機(jī)械掘進(jìn)，目前巖巷掘進(jìn)仍然以爆破為主.鉆爆法作為井巷施工的重要方法，具有適應(yīng)巷道類型范圍廣、靈活性高、操作性強(qiáng)、對(duì)施工人員要求低、資金投入小等優(yōu)點(diǎn)，占我國(guó)巖石巷道施工的95%以上[1].掏槽爆破是影響巷道爆破進(jìn)尺以及炮孔利用率的重要因素，正確的設(shè)計(jì)掏槽爆破參數(shù)能使巷道爆破更安全和高效.近40 年來我國(guó)巖巷掘進(jìn)掏槽孔超出周邊輔助孔的深度基本為200 mm，沒有考慮斷面、巖性、掏槽技術(shù)、炮孔深度等的影響，以至于炮孔利用率在80%左右[2].為此，針對(duì)不同的地質(zhì)條件，通過改進(jìn)掏槽孔超深深度而提高炮孔利用率，是目前巖巷鉆爆法急需解決的工程技術(shù)難題.

提高炮孔利用率一直是眾多學(xué)者努力的方向，王文龍等[3]認(rèn)為提高爆破效率的關(guān)鍵是合理的掏槽方法和參數(shù).高金石等[4]發(fā)現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果炮孔間距過小，鉆孔的工作量會(huì)增加，并使粉碎區(qū)變大，提高經(jīng)濟(jì)成本；而炮孔間距過大，則不能達(dá)到爆破效果.王樹仁[5]認(rèn)為毫秒雷管的出現(xiàn)促進(jìn)了直眼掏槽技術(shù)的推廣應(yīng)用并加深了炮眼深度.王漢軍等[6]對(duì)定向斷裂爆破進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了爆生裂紋的起裂、擴(kuò)展規(guī)律.胡坤倫等[7]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用大直徑掏槽炮眼和小直徑其他炮眼相結(jié)合的炮眼布置形式進(jìn)行爆破時(shí)，可達(dá)到較好的爆破效果.單仁亮等[8]對(duì)巷道掏槽爆破的作用機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力應(yīng)變特性和巖石性質(zhì)對(duì)掏槽爆破效果的影響.余永強(qiáng)等[9]通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用復(fù)楔形掏槽方案，可以明顯改善硬巖掏槽爆破效果.龔敏等[10]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬確定了楔形掏槽爆破的主要參數(shù).汪海波等[11]利用LS-DYNA 對(duì)一階掏槽孔的爆炸應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中心空孔能夠提高爆炸應(yīng)力波的峰值并且延長(zhǎng)應(yīng)力波作用時(shí)間.謝理想等[12]利用LS-DYNA 軟件對(duì)深部巖體掏槽爆破過程中巖體的損傷演化機(jī)制進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)中心孔可充當(dāng)臨空面使掏槽爆破巖體的損傷范圍增大.左進(jìn)京等[13]通過模型實(shí)驗(yàn)研究了不同直徑中心空孔掏槽腔體的爆破破壞形式，發(fā)現(xiàn)掏槽腔體的破壞半徑與體積隨著空孔直徑的增加而減小.楊仁樹等[14]基于掏槽孔超深長(zhǎng)度優(yōu)化問題，引入超深系數(shù)η，調(diào)節(jié)最優(yōu)掏槽孔超深系數(shù)η可使得炮眼利用率達(dá)到最高.張召冉等[15]對(duì)直眼掏槽的空孔效應(yīng)進(jìn)行研究，并確定掏槽技術(shù)參數(shù).羅勇和沈兆武[16]通過對(duì)炮孔內(nèi)的堵塞物運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行研究，推導(dǎo)出了較為合理的計(jì)算炮孔堵塞量公式.

楊國(guó)梁等[17]分析了復(fù)式楔形掏槽爆破機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了復(fù)式楔形掏槽爆破有利于炮孔底部巖石破碎拋出.岳中文等[18]采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了4 組微差起爆實(shí)驗(yàn)，研究了切縫藥包微差爆破孔間裂紋的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為特征.宗琦等[19]通過加強(qiáng)的楔形斜眼掏槽有效地提高了單循環(huán)進(jìn)尺和掘進(jìn)速度.梁為民等[20]研究發(fā)現(xiàn)楔形掏槽眼炮孔角度對(duì)稱布置能夠充分利用炸藥的爆破能量.戴俊等[21]指出楔形掏槽的爆破參數(shù)決定于巖石的強(qiáng)度和彈性特性，以及炸藥的爆炸性質(zhì).張煒等[22]提出了雙空孔楔形–筒形復(fù)式掏槽技術(shù)，形成了一套深部高應(yīng)力堅(jiān)硬圍巖巷道快速鉆爆新技術(shù).顧義磊等[23]給出光面爆破參數(shù)的選取依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，推薦了選取光面爆破的具體方法.

受爆破技術(shù)的限制，早期爆破掘進(jìn)中主要為淺孔爆破，炮孔深度一般小于150 mm，此時(shí)掏槽孔超深200 mm 就可得到較好的爆破效果和較高的炮孔利用率.而隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，該超深深度已經(jīng)不足以滿足中深孔爆破以及掘進(jìn)效率的要求，嚴(yán)重限制了巖巷爆破掘進(jìn)水平的提升，這是一個(gè)亟待解決的工程實(shí)踐問題.

本文針對(duì)提高炮孔利用率這一問題，以超深系數(shù)η為基礎(chǔ)，引入裂隙區(qū)重合度φ，利用理論計(jì)算得到炮孔利用率與掏槽孔超深系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，并通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分別對(duì)掏槽孔超深深度為200、300、400 和500 mm 時(shí)的應(yīng)力波強(qiáng)度變化特征以及爆破效果進(jìn)行對(duì)比，全面分析了掏槽孔超深深度對(duì)爆破效果的影響.

1 超深掏槽爆破機(jī)理分析

由相關(guān)爆破破巖機(jī)理可知，自由面是巖石破碎效果好壞的關(guān)鍵.巖石爆破過程中，掏槽孔先起爆形成槽腔，為后續(xù)中心孔、輔助孔、周邊孔的爆破提供自由面，并且自由面越充足爆破效果越好，因此可以說掏槽爆破的質(zhì)量是提高炮孔利用率和單循環(huán)進(jìn)尺的關(guān)鍵.通過適當(dāng)增加掏槽孔的超深深度，使爆后槽腔深度相對(duì)增加，有利于非掏槽孔的破巖.

1.1 應(yīng)力波疊加原理以及孔間貫穿裂紋的形成

應(yīng)力波疊加原理，即先起爆的掏槽孔會(huì)在其周圍巖體內(nèi)部形成應(yīng)力波作用區(qū)，作用區(qū)內(nèi)的巖石產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力并發(fā)生形變，同時(shí)應(yīng)力波不斷向掏槽孔遠(yuǎn)端傳播，此時(shí)在掏槽孔周圍巖體的預(yù)應(yīng)力未消失時(shí)，后起爆的炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波傳到先前起爆炮孔附近，形成應(yīng)力波的疊加區(qū)域，該區(qū)域巖體更容易破碎.

將淮南市顧北煤礦–648 m 水平降溫硐室現(xiàn)場(chǎng)施工方案掏槽區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化.斷面炮孔布置簡(jiǎn)化力學(xué)模型圖見圖1，L為掏槽孔與輔助孔的間距，x為輔助孔和周邊孔孔深，y為掏槽孔對(duì)應(yīng)孔深，則掏槽孔超深系數(shù)為η=y/x-1.

根據(jù)彈性力學(xué)理論，掏槽孔起爆后產(chǎn)生爆炸應(yīng)力波并向外傳播.當(dāng)應(yīng)力波傳至輔助孔邊緣時(shí)，應(yīng)力波大小衰減為[24]：

式中：σr為輔助孔的徑向應(yīng)力；σθ為輔助孔的切向應(yīng)力；Pm為孔壁壓力峰值；r1為炮孔半徑；r為距離掏槽孔中心的距離；η為超深系數(shù)；x為輔助孔深度；L為輔助掏槽孔與輔助孔的炮孔間距；α為應(yīng)力波衰減指數(shù)；β為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；μ為巖石的動(dòng)態(tài)泊松比.

在起爆時(shí)，由于掏槽孔先于輔助孔起爆，當(dāng)應(yīng)力波從掏槽孔傳到輔助孔時(shí)，由于應(yīng)力波的疊加作用，其應(yīng)力值將明顯大于沒有輔助孔情況下的應(yīng)力值.根據(jù)彈性力學(xué)理論，輔助孔附近的峰值應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)表示為[24]：

式中：σr1為應(yīng)力集中后輔助孔的徑向應(yīng)力；σθ1為應(yīng)力集中后輔助孔的切向應(yīng)力；τ2為應(yīng)力集中后輔助孔的剪切應(yīng)力；r2為巖石中某點(diǎn)至輔助孔的距離；θ為任意方向與孔間連線的夾角；k為炮孔半徑r1與巖石中某點(diǎn)至輔助孔的距離r2的比值.

當(dāng)應(yīng)力波傳到輔助孔時(shí)，即k=1，此時(shí)輔助孔處徑向應(yīng)力與剪應(yīng)力為0，輔助孔應(yīng)力集中后的巖石切向應(yīng)力狀態(tài)可以表示為：

由此可知，當(dāng)輔助孔深度與孔間距、炮孔半徑一定時(shí)，應(yīng)力的大小與超深系數(shù)η、距離掏槽孔中心距離r成反比，與孔壁壓力峰值Pm成正比.相鄰炮孔間最大拉應(yīng)力應(yīng)該出現(xiàn)在炮孔連線處，當(dāng)最大拉應(yīng)力值大于巖石的抗拉強(qiáng)度，巖體將沿孔間連線方向產(chǎn)生裂紋.

由此可以得出輔助孔與掏槽孔在一定孔間距條件下沿孔間連線上的巖石受力狀態(tài)與裂紋的生成情況，裂紋長(zhǎng)度主要取決于巖石性質(zhì)、先起爆孔的裝藥量、炮孔間距和超深系數(shù).同時(shí)，孔間裂紋的存在一定程度上確定了后續(xù)炮孔產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展方向.

1.2 爆炸裂紋長(zhǎng)度計(jì)算

巖石爆破過程中，裂紋主要是在爆炸應(yīng)力波和爆生氣體兩部分的共同作用下產(chǎn)生.炸藥起爆后，強(qiáng)沖擊波作用使藥包周圍巖石被壓碎，形成粉碎區(qū)，半徑為Ra.當(dāng)沖擊波傳至粉碎區(qū)邊緣時(shí)，爆腔初步成型，半徑為R1.沖擊波衰減為應(yīng)力波后，應(yīng)力波的傳播對(duì)巖石產(chǎn)生拉伸作用，產(chǎn)生徑向裂隙，形成裂隙區(qū)，半徑為RC.在裂隙區(qū)外，應(yīng)力波能量繼續(xù)衰減，爆轟壓力迅速減小，形成卸載彈性應(yīng)力波，在卸載應(yīng)力波作用下爆腔繼續(xù)擴(kuò)張，半徑為Rm.隨后爆生氣體壓力繼續(xù)衰減，地應(yīng)力開始卸載，巖體繼續(xù)產(chǎn)生拉伸破壞直至爆腔不再擴(kuò)張，最終爆腔的半徑為Rd.掏槽孔起爆后，巖石受到的沖擊荷載為[25]：

式中：P1為孔壁初始?jí)毫Γ籔0為爆轟波初始?jí)毫?；D為爆速；CP為巖石中的聲速；ρ和 ρ0分別為巖石和炸藥的密度；γ為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，一般取 γ為3.

粉碎區(qū)半徑Ra和裂隙區(qū)半徑RC為[25]：

在粉碎區(qū)r=Ra處，巖石在沖擊波的作用下形成爆腔，沖擊波傳播結(jié)束后，爆腔半徑R1為：

式中：Ra為由沖擊波作用的粉碎區(qū)半徑；ρ為巖石的密度；ρr為壓縮后孔壁處的巖石密度，其取值為：

式中：a，b為巖石試驗(yàn)常數(shù)；u為孔壁巖石質(zhì)點(diǎn)初始運(yùn)動(dòng)速度.

沖擊波傳播結(jié)束后，爆腔在爆生氣體的作用下繼續(xù)擴(kuò)大.當(dāng)爆生氣體壓力等于圍巖壓力時(shí)，擴(kuò)爆過程結(jié)束，此時(shí)爆腔半徑為：

式中：Ps為原巖應(yīng)力，大小為q；Pk為與rk對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)力，rk為爆生氣體由等熵絕熱膨脹時(shí)的臨界爆腔半徑.

當(dāng)Pk=q時(shí)，在爆生氣體作用下爆腔半徑為：

為了研究當(dāng)輔助孔深度一定時(shí)，輔助孔與掏槽孔之間的裂隙區(qū)重合程度.定義裂隙區(qū)重合度 φ為兩炮孔間連線在裂隙區(qū)重疊長(zhǎng)度與單炮孔裂隙區(qū)長(zhǎng)度的比值，其表達(dá)式為：

式中：R為 爆生氣體作用下爆腔半徑；x為輔助孔深度；L為輔助孔與掏槽孔的孔間間距；β0為掏槽孔傾斜角度.圖2 為裂隙重合區(qū)示意圖.

圖2 裂隙重合區(qū)示意圖Fig.2 Schematic diagram of fracture coincidence area

對(duì)單炮孔而言，炸藥爆炸后會(huì)在炮孔周圍形成3 個(gè)區(qū)域，由內(nèi)到外分別為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)，其中粉碎區(qū)半徑為2～3 倍的炮孔半徑，裂隙區(qū)半徑為10～15 倍的炮孔半徑.對(duì)工程爆破來講，炮孔之間裂隙區(qū)的重合程度是達(dá)到不同爆破目的（拋擲、松動(dòng)等）的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，裂隙區(qū)的重合度一定程度上反映了炸藥爆破能量用于形成孔間貫穿裂紋的占比.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中巖層的主要成分為砂巖，本文以砂巖為例，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)砂巖巖石力學(xué)參數(shù)的分析與計(jì)算，得到裂隙區(qū)重合度、炮孔利用率與超深系數(shù)的關(guān)系，砂巖巖石力學(xué)參數(shù)如表1.

表1 砂巖巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of sandstone

由圖3 可知，當(dāng)超深系數(shù)增加時(shí)，裂隙區(qū)重合度隨著超深系數(shù)的增加而增大，炮孔利用率則先增加后下降，且峰值位于0.17～0.22 之間，說明存在某一裂隙區(qū)重合度使得炮孔利用率達(dá)到峰值，此時(shí)爆破能量充分用于孔間裂紋貫穿，形成炮孔間裂隙重合區(qū)，提高了炸藥爆破能量的利用率，避免了炸藥量過大產(chǎn)生的浪費(fèi)以及藥量不足時(shí)爆破效果不佳、大塊率高等現(xiàn)象，為現(xiàn)場(chǎng)裝藥設(shè)計(jì)提供了新的思路.

圖3 超深系數(shù)與裂隙區(qū)重合度、炮孔利用率關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram of ultra-deep coefficient with coincidence degree of fracture zone and utilization ratio of blast hole

2 超深掏槽爆破機(jī)制的數(shù)值分析

為了深入研究超深爆破破巖效果和超深系數(shù)η的關(guān)系，使用LS-DYNA 數(shù)值分析軟件對(duì)爆破過程中應(yīng)力波的傳播規(guī)律和孔底處應(yīng)力強(qiáng)度變化特征進(jìn)行分析.

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1.1 超深200 mm 掏槽爆破計(jì)算模型

首先建立普通超深200 mm 掏槽爆破計(jì)算參照模型，掏槽孔孔口距1440 mm，同列炮孔距離為400 mm，孔底距為400 mm，傾角為77°，炮孔深度為2000 mm，掏槽孔裝藥長(zhǎng)度為1290 mm.中心孔長(zhǎng)度為2000 mm，中心孔距離同行掏槽孔720 mm，在靠近中心孔和掏槽孔底部位置設(shè)置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，A點(diǎn)位于中心孔底部右側(cè)360 mm，B點(diǎn)位于掏槽孔右側(cè)190 mm，C點(diǎn)位于B點(diǎn)右側(cè)490 mm，D點(diǎn)位于C點(diǎn)右側(cè)575 mm.裝藥長(zhǎng)度為1290 mm，炮孔直徑為32 mm，爆破使用的三級(jí)煤礦普通水膠炸藥直徑為27 mm，采用徑向不耦合裝藥，所有炸藥均正向起爆，裝藥時(shí)炸藥全部集中于炮孔底部，孔內(nèi)不分段.爆破時(shí)掏槽首先起爆，中心孔延后起爆.圖4 為超深200 mm 炮孔布置及孔底處測(cè)點(diǎn)選擇圖，圖中1～2 號(hào)孔為中心孔，3～14 號(hào)孔為掏槽孔，15～18 號(hào)孔為輔助孔.

圖4 超深200 mm 炮孔布置及孔底處測(cè)點(diǎn)選擇圖Fig.4 Arrangement of 200 mm overdepth blast holes and selection of measuring points at the hole bottom

2.1.2 超深爆破計(jì)算模型

超深掏槽爆破計(jì)算模型除了掏槽孔、中心孔的超深深度以外，炮孔布置、各項(xiàng)參數(shù)及孔底處測(cè)點(diǎn)選擇都與上述超深200 mm 掏槽爆破一致，掏槽孔、中心孔比其他孔分別深300、400 和500 mm.

2.1.3 確定計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)

建模時(shí)可以先建立1/2 的模型，然后通過對(duì)稱得到全部模型，節(jié)省建模及運(yùn)算時(shí)間.爆破數(shù)值計(jì)算中，使用Jones-Wilkins-Lee (JWL)狀態(tài)方程來描述爆破壓力和爆轟產(chǎn)物比容的關(guān)系，JWL 方程為[26]：

式中：A1，B2，R1，R2,ω為JWL 狀態(tài)方程參數(shù)；P為壓力；V為爆轟產(chǎn)物的比容；E0為初始內(nèi)能.具體參數(shù)如表2 所示.

表2 爆破用炸藥參數(shù)Table 2 Parameters of explosives used in blasting

巖石選擇*MAT_JONHSON_HOLMQUIST_CONCRETE 作為數(shù)值模擬模型，該模型的力學(xué)參數(shù)如表3.

表3 巖石模型力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of rock model

炮泥選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 作為數(shù)值模擬模型，該模型的力學(xué)參數(shù)如表4.

表4 炮泥模型力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of blasting mud model

2.2 爆破過程中槽腔內(nèi)應(yīng)力波傳播規(guī)律分析

以超深400 mm 掏槽爆破的應(yīng)力波強(qiáng)度變化為例，掏槽孔首先起爆，29 μs后，掏槽孔與中心孔孔間壓力迅速提高，最高峰值為131 MPa，隨后中心孔起爆，掏槽孔殘余應(yīng)力和中心孔應(yīng)力相疊加，炮孔底部巖石破碎.掏槽孔起爆99～199 μs內(nèi)，爆破產(chǎn)生的平均應(yīng)力為106 MPa，超過砂巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度99 MPa，巖石被壓縮破壞.在599～799 μs之間，應(yīng)力波從裝藥部分頂部向自由面方向傳播，到達(dá)自由面后發(fā)生反射，形成的應(yīng)力波對(duì)巖石具有拉伸作用導(dǎo)致自由面附近的巖石受拉破壞.被自由面反射回來的應(yīng)力波和炮孔底部的壓縮應(yīng)力波再次疊加，使底部巖石破碎（圖5）.

圖5 超深400 mm 方案爆破應(yīng)力波強(qiáng)度變化特征圖.（a）99 μs;（b）199 μs;（c）399 μs;（d）599 μs;（e）799 μs;（f）999 μsFig.5 Variation characteristics of blasting stress wave intensity of overdepth 400 mm scheme:（a）99 μs;（b）199 μs;（c）399 μs;（d）599 μs;（e）799 μs;（f）999 μs

2.3 孔底處有效應(yīng)力數(shù)值變化分析

為比較不同超深爆破方案爆破效果的差異，測(cè)得整個(gè)爆破過程中4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力變化曲線.

四種超深爆破方案爆破中心孔和掏槽孔底部的有效應(yīng)力曲線如圖6 所示，各測(cè)點(diǎn)處的有效應(yīng)力峰值見圖7.

圖6 不同超深爆破方式下孔底有效應(yīng)力變化曲線.（a）200 mm;（b）300 mm;（c）400 mm;（d）500 mmFig.6 Variation curve of effective stress at hole bottom under different ultra deep blasting methods:（a）200 mm;（b）300 mm;（c）400 mm;（d）500 mm

圖7 不同超深爆破方式下各測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值Fig.7 Effective stress peak value of each measuring point under different ultra deep blasting methods

對(duì)比四種超深爆破方案的應(yīng)力峰值，可以看出超深400 mm時(shí)，處于中心孔與掏槽孔之間的測(cè)點(diǎn)A處和處于掏槽孔與輔助孔之間的測(cè)點(diǎn)C處峰值應(yīng)力較大，表明400 mm 方案的掏槽孔的爆破能量更多用于在掏槽孔周邊產(chǎn)生裂隙重合區(qū)，有利于降低破巖難度，增大爆后爆腔的體積以及后續(xù)巖石的拋擲；同時(shí)，超深400 mm 爆破方案各測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力隨時(shí)間衰減的更慢，相同時(shí)間內(nèi)的平均應(yīng)力更大，說明掏槽孔爆炸應(yīng)力波在槽腔內(nèi)發(fā)生了反射，反射后的應(yīng)力波、殘余應(yīng)力波以及掏槽孔底部的壓縮應(yīng)力波相疊加而成的組合應(yīng)力波對(duì)周圍巖石的拉伸斷裂作用更大且時(shí)間更長(zhǎng)，使巖體破碎更充分、均勻，有效減小大塊率，提高破巖效率.而超深500 mm時(shí)，A測(cè)點(diǎn)處的峰值應(yīng)力過高，巖體破碎過度，浪費(fèi)爆破能量，不利于提高經(jīng)濟(jì)效益.比較4 種超深爆破方案可知，掏槽孔超深400 mm時(shí)，爆破效果最佳.由上述分析可知，掏槽孔超深可增強(qiáng)爆破作用于巖體的有效應(yīng)力，促進(jìn)巖體裂隙區(qū)貫通，增大巖體破碎程度，同時(shí)可延長(zhǎng)爆炸超壓作用于巖體的時(shí)間，改善爆破效果，提高炸藥能量的利用效率以及炮孔利用率.

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

淮浙煤電顧北礦–648 m 水平降溫硐室巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為241.15 m，巷道采用直墻半圓拱形斷面的錨網(wǎng)支護(hù)，該巷道–648 m 井底車場(chǎng)西北側(cè)，巷道揭露巖性主要為泥巖、中細(xì)砂巖及菱鐵質(zhì)細(xì)砂巖等，（煤）巖層裂隙、滑面發(fā)育；局部發(fā)育小褶曲.泥巖抗壓強(qiáng)度為23.2～42.1MPa、中細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為42.6～46.3 MPa、菱鐵質(zhì)細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為46.3～76.2 MPa.巷道施工區(qū)域巖層傾角3o～20°，根據(jù)鉆探、三維地震勘探資料及實(shí)測(cè)資料分析，該施工區(qū)域附近發(fā)育有Fs111、Fs264、Fs12 等斷層，受斷層影響，構(gòu)造應(yīng)力集中，（煤）巖層裂隙及小褶曲較發(fā)育.施工段巷道無地質(zhì)構(gòu)造.

3.2 爆破方案及爆破效果

3.2.1 超深200 mm 爆破方案

超深200 mm 爆破方案中使用礦用毫秒延期電雷管，炸藥選用三級(jí)煤礦普通水膠炸藥，炸藥參數(shù)為 ?27 mm×430 mm.起爆器使用MFB–200 型發(fā)爆器.掏槽孔深設(shè)計(jì)為2000 mm，為普通楔形掏槽，總共布置8 個(gè)掏槽孔.掏槽孔與自由面夾角為77°，掏槽孔孔口距為1320 mm，孔底距為400 mm.輔助孔及周邊孔孔深為1800 mm，與自由面夾角均為90°，周邊孔孔口距離斷面輪廓線100 mm.

原方案的單循環(huán)爆破進(jìn)尺為152 mm，炮孔利用率為84.2%，炸藥單耗為2.28 kg·m?3，爆破后有明顯大塊矸石.巷道巖性多為砂巖，砂巖為硬巖，使用普通超深200 mm 爆破方案，巖石夾制力大，炸藥能量利用率低，炮孔利用率低；掏槽孔爆破后形成的自由面不足，孔口處巖石爆破不徹底，破碎巖石難以拋出，爆破成腔困難，最終導(dǎo)致爆破效果不好.原始爆破方案爆破效果部分照片如圖8所示.

圖8 原始爆破方案爆破效果部分照片.（a）爆后斷面圖;（b）爆破產(chǎn)生大塊矸石圖Fig.8 Photos of blasting effect of original blasting scheme: (a) section after blasting;(b) large gangue produced by blasting

3.2.2 增加掏槽孔深度后爆破方案

為了提高掏槽爆破效果并研究出最佳的超深深度，采用不同超深深度的爆破掘進(jìn)方案.優(yōu)化后的4 個(gè)方案分別進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，4 種新方案的部分主要參數(shù)對(duì)比如表5 所示.爆破方案中的掏槽孔深分別為2000、2100、2200 和2300 mm，其余孔深均為1800 mm.除此之外，對(duì)比原方案，增加了兩個(gè)中心孔，增加了周邊眼的間距.新方案中炮孔直徑dc=32 mm，可得同列掏槽孔之間距離m的取值范圍為247.7～495.4 mm.為了保證爆破效果，并降低施工難度，m取350 mm，得到掏槽孔孔底距l(xiāng)=189.8 mm，因?yàn)橹行目椎拇嬖冢琹的取值可適當(dāng)增大，取l=200 mm.超深400 mm 爆破方案圖和爆破炮孔裝藥參數(shù)如圖9 所示和表6 所示.

表6 超深400 mm 爆破炮孔裝藥參數(shù)表Table 6 Charging parameters of ultra deep 400 mm blasting hole

圖9 超深400 mm 爆破方案圖Fig.9 Blasting scheme of overdepth 400 mm

表5 4 種新方案的部分主要參數(shù)Table 5 Some main parameters of four schemes after optimization

3.2.3 不同方案爆破結(jié)果對(duì)比

爆破試驗(yàn)較為成功，新超深掏槽爆破方案依照設(shè)計(jì)好的爆破段別布置雷管與炸藥，連線完畢后依次進(jìn)行爆破.掏槽孔先爆破，將巷道中部的巖石破碎并拋擲，為后續(xù)爆破產(chǎn)生自由面，隨后中心孔、輔助掏槽孔、輔助孔滯后爆破，更多巖石被破碎，巷道槽腔初步形成，剩余炮孔繼續(xù)爆破，巷道內(nèi)剩余部分巖石被破碎，直至爆破過程結(jié)束.其中，中心孔滯后爆破能粉碎掏槽孔爆破拋擲出的大塊矸石，減小大塊率；掏槽孔裝藥量一定時(shí)，掏槽孔超深400 mm 時(shí)爆破所創(chuàng)造的自由面最大，爆破效果最佳.

4 次爆破實(shí)驗(yàn)的爆破效果對(duì)比如表7 和圖10所示.對(duì)比發(fā)現(xiàn)：原方案的單循環(huán)進(jìn)尺平均值為1.6 m，新方案的單循環(huán)進(jìn)尺平均值分別為1.69、1.72 和1.70 m，較原方案平均提高了0.1 m；原方案的炮孔利用率為84.2%，新超深方案中炮孔利用率最高為95.2%，平均炮孔利用率為93.8%，相比于原方案提高了9.6%；原方案的單耗平均值為2.37kg·m?3，新超深方案中單耗最低值為1.93kg·m?3，平均單耗為2.15kg·m?3，相比原方案降低了0.22kg·m?3.新超深方案在炮孔利用率、眼痕率、單循環(huán)進(jìn)尺方面相對(duì)于原方案提升，在炸藥單耗、大塊率、爆堆范圍方面降低，取得了更好的爆破效果.新方案現(xiàn)場(chǎng)爆破情況如表8 所示.

表8 新方案現(xiàn)場(chǎng)爆破情況Table 8 Site blasting of new scheme

圖10 原方案與新方案爆破效果對(duì)比圖.（a）單循環(huán)進(jìn)尺;（b）炮孔利用率;（c）眼痕率;（d）大塊率;（e）爆堆范圍;（f）炸藥單耗Fig.10 Comparison of blasting effect between the original scheme and the new scheme: (a) single cycle footage;(b) hole utilization rate;(c) half-hole marks;(d) large block rate;(e) explosive range;(f) explosive unit consumption

表7 不同超深方案爆破效果對(duì)比Table 7 Comparison of blasting effects of different ultra deep schemes

對(duì)比采用原爆破方案和新爆破方案4 種情況下的施工情況可以發(fā)現(xiàn)，采用超深爆破掘進(jìn)方案具有4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①用4 種最新的方案所需要的炸藥量對(duì)比原方案有明顯的減少；②新方案的單循環(huán)時(shí)間要更短；③新方案的巷道成型質(zhì)量對(duì)比原方案有明顯提高，半孔痕可見，同時(shí)大塊率有明顯的降低；④新方案的炮孔利用率都達(dá)到了95%左右，相比原方案的84.2%有了很大幅度的提升.

4 結(jié)論

（1）引入裂隙區(qū)重合度 φ，得到了炮孔利用率與掏槽孔超深系數(shù)η之間的函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)裂隙區(qū)重合度隨著超深系數(shù)的增加而增大，同時(shí)炮孔利用率隨著超深系數(shù)的增加先增大后減小，且超深系數(shù)在0.17～0.22 之間存在某一值使得炮孔利用率達(dá)到峰值，該理論為提高炮孔利用率提供了新的思路.

（2）基于–648 m 水平降溫硐室的實(shí)際條件，當(dāng)超深系數(shù)為0.22時(shí)，爆破能量主要用于在掏槽孔周邊產(chǎn)生裂隙區(qū)，為后續(xù)中心孔和輔助孔爆破提供足夠的自由面，降低了破巖難度，增大了爆腔的體積，有利于后續(xù)巖石的拋擲.同時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力隨時(shí)間衰減的更慢，相同時(shí)間內(nèi)的平均應(yīng)力更大，應(yīng)力波對(duì)周圍巖石的拉伸斷裂作用更大且時(shí)間更長(zhǎng)，能使巖體破碎更充分、均勻，有效減小大塊率，提高破巖效率.

（3）在–648 m 水平降溫硐室現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，超深系數(shù)為0.22時(shí)，炮孔利用率達(dá)到了最大95.2%，大塊率與炸藥單耗顯著降低，眼痕率顯著增加，巷道成型質(zhì)量良好.這表明超深爆破不僅能提高炮孔利用率，還能改善爆破效果以及巷道成型質(zhì)量，而且當(dāng)掏槽孔超深深度為400 mm 時(shí)的爆破效果最佳.