鄒曉緯

（同煤集團(tuán)云岡礦工程一隊(duì)， 山西 大同 037017）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求也越來越高。煤礦掘進(jìn)的快速高效是影響整個(gè)煤礦開采效率的關(guān)鍵。爆破作為快速、經(jīng)濟(jì)的掘進(jìn)手段，在礦山建設(shè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，隨著長期的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人們對爆破掘進(jìn)的特征及規(guī)律認(rèn)識逐漸加深[1]。但是，由于長期以來，爆破掘進(jìn)的主要手段還是依賴現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，對于掘進(jìn)爆破是否能有更優(yōu)化的方法，爆破過程中是否存在隱性應(yīng)力危險(xiǎn)等均沒有理論支撐，使得爆破掘進(jìn)的施工過程存在很大的主觀性[2]。

一次性成巷爆破掘進(jìn)的施工過程，對巷道圍巖應(yīng)力分布的分析以及巷道圍巖應(yīng)力控制有較高的要求。因此，通過對爆破過程圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析以及合理的仿真研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 爆破原理及影響因素

炸藥在巖石中的爆破過程是一個(gè)多因素影響下的復(fù)雜過程，對于爆破作用的機(jī)理也分為爆生氣體膨脹作用、應(yīng)力波反射拉伸作用及爆生氣體和應(yīng)力波聯(lián)合作用三種基本理論觀點(diǎn)[3]。

對于深孔爆破一次性成巷而言，在爆破的初級階段，應(yīng)力沖擊對于炮孔內(nèi)巖壁的初始破壞起到關(guān)鍵作用，當(dāng)氣楔產(chǎn)生后，爆生氣體作用于巖壁裂隙的生長和延伸[4]。

根據(jù)凝聚體炸藥爆轟理論，炮孔內(nèi)爆轟氣體平均壓力為P0。

式中：ρ0為爆炸密度；D為爆轟速度。

爆轟的瞬間炮孔內(nèi)巖壁可認(rèn)為是絕熱壁，因此，炮孔內(nèi)的爆轟膨脹可認(rèn)為是絕熱膨脹，因此有PV3=K，K為常數(shù)。爆轟產(chǎn)物撞擊炮孔巖壁，并產(chǎn)生沖擊波。由于炮孔內(nèi)空氣的可壓縮特性，當(dāng)炮孔內(nèi)以空氣作為墊層時(shí)，爆轟氣體迅速膨脹，炮孔內(nèi)藥室體積恒定，因此藥室內(nèi)壁壓力顯著增大，其沖擊壓力為：

式中：VC為裝藥體積；Vb為炮孔體積；n為增大系數(shù)，取8~11。

根據(jù)Rustan 的空氣墊層爆轟理論[5]，對于柱形填藥的爆炸沖擊波可建立力學(xué)模型（見圖1）。

圖1 藥孔壁裂縫斷裂模型

當(dāng)爆轟沖擊波再巖壁傳播時(shí)，距離炮室中心線L處的巖石徑向壓應(yīng)力σr和周向拉應(yīng)力σθ為：

式中：σ0為初始沖擊壓力P作用于炮孔壁的壓應(yīng)力；Lr為比距離；r為炮孔直徑；L為裂紋總長；b為側(cè)壓系數(shù)，此處b≈1。

由于爆轟氣體進(jìn)入沖擊產(chǎn)生的巖壁裂縫，形成氣楔效應(yīng)，在裂縫頂端形成應(yīng)力集中[6]。此時(shí)，爆轟氣壓作用于炮眼壁及裂縫壁，簡化的，將壓力作用于原始炮眼圓壁，其爆轟氣體的勢能完全作用于裂縫擴(kuò)展，則根據(jù)爆轟熱力學(xué)理論，爆轟氣體生成的裂紋總長為：

式中：L0為爆轟初始裂縫長度；Pd為爆轟氣體靜平衡氣壓；db為炮眼直徑；σt為巖壁抗拉強(qiáng)度。

對于爆破掘進(jìn)的影響因素中，主要有圍巖特性、炸藥性能及爆破工藝三個(gè)方面，炸藥的波阻抗、爆力等參數(shù)根據(jù)圍巖的特性進(jìn)行選擇；毫秒延期爆破的合理利用可使爆堆集中，爆破效果明顯改善；在爆破斷面增加空孔，可增加爆破自由面，改善空孔周圍應(yīng)力狀態(tài)。

2 掘進(jìn)爆破的數(shù)值模擬

根據(jù)上述爆破影響因素分析，空孔效應(yīng)能改變空孔周圍應(yīng)力狀態(tài)，是圍巖在空孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。空孔的一方面可以為一次性成巷起到導(dǎo)向作用，另一方面，空孔可以增加應(yīng)力波的反射拉伸。

為了分析空孔對一次性成巷爆破掘進(jìn)中的爆破成腔作用，將爆破掏槽方案制定為，中心兩個(gè)空孔周圍八個(gè)裝藥孔。

建立70 mm×70 mm×450 cm 模型，對稱施加約束條件，除自由面外其余施加無反射邊界條件。其分析模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

對圖2 模型進(jìn)行仿真分析，得到如圖3 的結(jié)果。

圖3 兩空孔應(yīng)力云圖

由圖3 兩空孔方案應(yīng)力發(fā)展及爆破過程分析可以看出，第一階段炸藥應(yīng)力波傳遞并束縛在炮孔周圍，第二階段炮孔之間應(yīng)力疊加，掏槽形狀初步顯現(xiàn)并呈矩形布置，第三階段第一排和第三排炮孔之間連心線貫通，理論分析中炮孔連心線圍巖優(yōu)先破裂得到驗(yàn)證，第四階段整個(gè)圍巖破壞狀態(tài)良好，成型結(jié)果符合預(yù)期。中部炮孔連心區(qū)域有一部分圍巖未破裂，其原因?yàn)榭湛走B線區(qū)域破壞較快，說明空孔具有導(dǎo)向作用。

最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在裝藥中心區(qū)域，壓應(yīng)力峰值為383 MPa，說明此區(qū)域應(yīng)力波發(fā)生疊加，同時(shí)根據(jù)云圖可以看出壓應(yīng)力大小相間分布。

對裝藥段圍巖損傷破壞進(jìn)行應(yīng)力曲線生成，得到如圖4 所示。

圖4 裝藥段圍巖應(yīng)力曲線

由應(yīng)力曲線可以看出，炸藥能量經(jīng)過一定過程得傳播，某些時(shí)間段應(yīng)力波實(shí)現(xiàn)疊加，應(yīng)力存在應(yīng)力震蕩的特點(diǎn)，但是總體趨勢穩(wěn)定。

3 結(jié)論

根據(jù)對爆破掘進(jìn)理論分析及其數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)凝聚體炸藥爆轟理論及熱力學(xué)方法，得到爆轟初始載荷P，并經(jīng)過進(jìn)一步分析得到爆轟所產(chǎn)生裂縫長度計(jì)算方法。

2）對爆破影響因素分析，得到空孔布置可改變空孔圍巖應(yīng)力分布，適用于通過空孔的分布控制巷道成型。

3）建立掘進(jìn)爆破有限元模型，通過仿真分析，得到爆破時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布及巷道成型過程，進(jìn)一步說明空孔的設(shè)置可有效控制巷道成型。

4）通過分析開設(shè)有空孔的爆破過程，為一次性成巷爆破掘進(jìn)技術(shù)提供一定的理論依據(jù)和成型方法。