巖巷掘進掏槽爆破理論與技術研究進展

黃寶龍

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

目前，我國煤礦巖巷掘進普遍采用鉆孔爆破法，所以爆破技術是影響和制約巖石巷道掘進速度和質量的關鍵性技術之一。

巖巷爆破掘進的特點是只有一個自由面，所受的夾制力很大，不利于爆破[1]。為了克服此困難，在工作面布置掏槽炮孔，首先爆破掏槽炮孔，形成槽腔，產生新的自由面，從而為后繼炮孔爆破提供有利條件。掏槽效果決定了炮孔利用率，因此，掏槽方式的選擇與掏槽爆破參數的設計極為關鍵。目前，掏槽方式一般可分為兩大類：斜孔掏槽和垂直孔掏槽，它們各有不同的優缺點，適用的范圍也各不相同。

數十年來，國內外學者針對巖巷掏槽爆破問題，通過理論分析、室內試驗、數值分析和現場試驗等多種途徑開展了大量研究，取得了許多成果。本文歸納分析了掏槽技術的研究進展，并介紹了一種新的掏槽技術——準直孔掏槽技術。

1 斜孔掏槽技術研究現狀

斜孔掏槽是我國煤礦巖巷掘進所普遍采用的方式。斜孔掏槽的特點是掏槽炮孔與巖巷掘進工作面斜交。斜孔掏槽通常有以下幾種基本形式[1]：①楔形掏槽；②半楔形掏槽；③錐形掏槽；④扇形掏槽。斜孔掏槽的優點主要有：適應性強，任何巖石均可采用；拋擲能力強，槽腔內已破碎的巖塊容易拋出，從而產生有效自由面；需要的炮孔數量少；精度要求低，掏槽效果受炮孔位置和傾角的精確度影響較小。

斜孔掏槽的缺點主要有：①炮孔與工作面的夾角范圍為55～75°，進行深孔爆破時，受巷道斷面寬度限制，鉆桿無法擺開，炮孔深度受限；②巖塊拋擲距離長，易崩壞臨時支護和巷道的設備，爆堆分散，造成裝巖與清碴困難；③槽口部位為后繼炮孔提供的自由面的抵抗線小，而槽底部位的抵抗線大，由于槽底巖石所受的夾制作用要強于槽口部位的巖石，因此，對后繼炮孔爆破不利。由于上述原因，中深孔爆破采用斜孔掏槽方式的爆破效果不佳。

斜孔掏槽的爆破機理復雜，目前關于斜孔掏槽爆破的文獻大多是工程應用總結，理論研究很少。

2 垂直孔掏槽理論與技術研究現狀

垂直孔掏槽的特點是[1]：炮孔全部與工作面垂直；所有炮孔互相平行；炮孔的間距較小；一般存在一定數量的空孔，這些空孔作為其他炮孔的自由面，并為破碎巖石膨脹提供補償空間，空孔直徑大于或等于其他炮孔直徑。垂直孔掏槽可歸納為4種類型：角柱形、螺旋型、裂隙型與分層裝藥逐段掏槽。

垂直孔掏槽的優點：①掏槽布置不隨炮孔深度和斷面寬度的改變而改變，而只是將裝藥量進行相應調整，方便實行機械化鉆孔；②爆堆集中，便于出碴；③巖塊拋擲距離小，臨時支護與巷道內的設備不易被崩壞；④巷道斷面寬度對深孔爆破無影響。

垂直孔掏槽的缺點：技術復雜；炮孔數量多；炸藥單耗高；形成的槽腔較小；拋擲能力差；精度要求高，掏槽效果易受炮孔間距和平行度的誤差所影響。

2.1 垂直孔掏槽理論研究進展

為了滿足生產實踐的需求，從20世紀50年代開始，眾多學者與工程技術人員對垂直孔掏槽爆破進行了理論研究。

2.1.1 空孔效應

垂直孔掏槽一般都布置了空孔，空孔具有以下作用[2]：為應力波反射提供自由面；應力集中作用；卸壓作用；為破碎巖石提供膨脹空間作用。數十年來，多位學者對空孔的作用及參數進行了研究。

U.Langefors等[3]根據巖石在爆破作用下所產生的3種不同的破壞情況：破碎、拋擲與塑性變形，確定了不同的空孔直徑情況下相應炮孔間距的范圍，在其建立的計算公式中體現了空孔的作用。

對空孔的應力集中作用，已進行了理論與試驗研究。正交試驗分析得知，空孔半徑是影響掏槽效率的最顯著因子[4]。

從上述研究成果來看，空孔在垂直孔掏槽中起到了至關重要的作用。但由于空孔效應研究涉及的因素眾多，此方面還值得深入探討。

2.1.2 拋擲過程

槽腔內破碎巖塊的拋擲過程，對于理解掏槽爆破機理十分有益，已有多位學者研究了垂直孔掏槽的拋擲過程。

林從謀等[5]將槽腔劃分為2個區域，利用流體動力學基本方程，建立了槽腔內破碎巖塊拋擲過程的物理模型和數學模型。對于槽腔內的巖塊拋擲體，張奇[6]建立了二相流運動模型。林大能等[7]認為槽腔內碎塊是在內側氣碎混合體的膨脹壓力下，克服側限摩擦力而被拋出槽腔的。對于掏槽拋渣，利用數理統計和流體力學方法，是一個新的思路。

由于槽腔內破碎巖塊的拋擲極為迅速，過程又十分復雜，這就使得該問題的研究特別困難，目前還處在探索階段。

2.1.3 爆破參數

巖巷掘進爆破的關鍵是掏槽，而掏槽效果主要取決于掏槽爆破參數是否合理，所以，掏槽爆破參數研究對于工程實踐具有重要意義。

炮孔深度、孔距、空孔直徑等因素對垂直孔掏槽爆破效果的影響，通過力學模型和數值計算得到了定量分析。裝藥量計算公式則根據垂直孔掏槽機理導出。

起爆微差是一個非常重要的參數，不能應用一般的微差爆破機理來分析垂直孔掏槽爆破。利用分段微差起爆，宗琦等[8]獲得了炮孔垂直于工作面情況下的爆破漏斗特性曲線。目前，還不能由解析法和數值計算求得巖石斷裂速度隨各因素變化的規律，分形理論是研究微差爆破機理和微差爆破延時優化的一種新的途徑[9]。槽腔內巖石碎塊的運動過程及槽腔內掏空率與時間的定量關系，可確定掏槽孔與崩落孔之間的微差起爆時間[10]。迄今為止，還未提出垂直孔掏槽爆破起爆微差時間的理論依據，這是個需要繼續研究的問題。

掏槽爆破參數尚沒有非常適宜的確定方法，設計出炮孔數目少、形式簡單、材料消耗小、效率高的掏槽爆破參數是廣大科研人員的努力目標。

2.1.4 掏槽機理

掏槽機理是掏槽爆破研究的根本所在，通過掏槽機理研究，可以更好地指導爆破參數設計。

單孔和多孔爆破漏斗的形成機理分析表明：合理設計直孔掏槽方式，應該以炮孔間距和炮孔堵塞長度為核心，確保有足夠的爆炸作用時間使深部空間巖石充分破碎并拋出槽腔[11]。不偶合裝藥起爆后巖體中粉碎區和破裂區的范圍的計算，從理論上解決了炮孔裝藥量與炮孔間距之間的相互合理性問題[12]。在柱狀耦合裝藥條件下，埋深在臨界深度以下時，沖擊波做功消耗的能量約占爆炸總能量的40%，用于擴腔和擴展主要裂隙的爆生氣體能量約占總能量的23%，剩余能量有小部分用于新增裂紋數目，其余都損失掉了[13]。

掏槽機理研究是建立在炸藥與巖石的相互作用基礎上的，難度很大，目前，國內外對掏槽機理的研究還處在摸索階段，需要科研工作者加倍努力。

2.2 垂直孔掏槽方式研究進展

從20世紀70年代開始，國內多家單位對垂直孔掏槽進行了工藝試驗。在馬脊梁礦巖巷掘進中，采用了無空孔的三角復式直孔分階掏槽方式、三角復式分階分段掏槽、六棱柱分段掏槽和四角柱復式分階分段掏槽，炮孔利用率達到94%以上[14]。在堅韌難爆的石灰巖中，成功應用了分層分段直孔掏槽技術[15]。

經過這些年的實踐，有的單位成功應用了垂直孔掏槽爆破技術，但當爆破條件(如巖石性質、炸藥性能等)發生改變時，已有的成功經驗難以適應這些變化，掏槽容易失敗。

3 準直孔掏槽技術研究現狀

單仁亮等[16]提出了準直孔掏槽技術(圖1)，這是一種新型的深孔掏槽爆破技術，該技術的特點是型式簡單、具有良好的掏槽效果、易操作，適應性強，該技術已取得國家發明專利。目前，該技術已在我國多個礦區得到了成功應用。

圖1 準直孔掏槽[16]

圖1(a)中，1#～6#炮孔為準直孔(與工作面夾角在75～85°之間)，7#與8#炮孔為直孔，a為準直孔炮孔間距，b為槽口間距。圖1(b)中，準直孔裝1段雷管，裝藥量為掏槽藥量的絕大部分；直孔裝2段雷管，僅在孔底裝少量炸藥。圖1(c)中，準直孔首先起爆，槽腔內巖石大部分破碎并被拋出。圖1(d)中，直孔起爆后，槽腔底部殘余巖石被拋出，從而起到擴腔作用。

準直孔掏槽本質上與斜孔掏槽和垂直孔掏槽均不相同，而是結合了兩者的優點，摒棄了兩者的缺點。

單仁亮等[16]基于爆生氣體的準靜態作用，采用Mohr-Coulomb準則，分析了準直孔掏槽的爆破機理，并進行了模型試驗研究，分析了爆破參數對掏槽效果的影響[17]。

現場應用該技術，均取得了良好的爆破效果。對于巖巷深孔爆破掘進中存在的掏槽效率低和掏槽結構復雜的問題，該技術提供了有效的解決途徑。

4 掏槽爆破研究展望

巖巷掏槽爆破研究是巖石動力學領域一個富有挑戰性的課題。本文綜述了國內外巖巷掏槽爆破理論與技術的研究進展，歸納了巖巷掏槽爆破的理論與試驗研究狀況及掏槽技術的工程應用情況。該課題下一步的研究方向主要有以下方面。

1)巖石動力強度理論和破壞準則是掏槽爆破理論研究的根本所在，巖石動態破壞過程的研究對于掏槽爆破研究尤其重要。由于巖石材料的復雜性和特殊性，建立巖石動態本構關系是一項任重道遠的工作。

2)巖體是包含節理、層理、裂隙、斷層等不連續結構面的非均勻、非連續的地質體，對于這種復雜的介質，研究其在爆炸作用下的變形、破壞和運動理論時，考慮所有影響因素是不切實際的，應當力求依據最少的巖石參數研究出利于工程應用的掏槽爆破計算模型。掏槽爆破機理研究的根本目的是為工程實踐服務，因此，應將掏槽爆破機理研究與掏槽爆破參數設計緊密結合起來，要在掏槽爆破參數的優化過程中，探索掏槽爆破機理。

3)對于掏槽爆破研究，數值模擬技術是一種有意義的應力分析手段和試驗工具，借助計算機模擬技術可以實現許多現場無法實現的試驗。掏槽爆破過程極為復雜，在現有條件下，槽腔內部巖石的破碎現象還無法直接觀測到，因此，開展掏槽爆破過程的數值模擬研究是解決這一問題的有效途徑。

4)對槽腔形成過程中爆炸應力波的破壞作用，已有的研究成果多是分析單孔爆破機理，應進一步研究群孔爆炸應力波共同作用機理。

持續深入的掏槽爆破機理研究會促進掏槽爆破技術的不斷發展，這對巖巷掘進效率的提高是一個佳音。

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