巖巷掏槽爆破數值模擬分析及參數優化

張 釬

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦， 山西 陽泉 045008）

山西陽煤一礦井下地質條件復雜，受構造影響較大，鉆爆法作為巖巷掘進中主要施工手段，在現場采用較多。國內學者對于鉆爆法在巖巷掘進過程中的應用展開過大量的研究：龔敏等[1]通過采用數值模擬，對掏槽爆破過程進行模擬，對比優化前后的有效應力等參數，并結合現場情況進行檢驗，新的方案取得了良好的效果；宗琦等[2]通過理論結合實際，對影響爆破掘進的主要因素進行了討論，提出了合理的掏槽形式和掏槽參數等；東兆星等[3]基于模糊綜合評價理論和觀場實測數據，對掏槽方式及爆破參數進行優化評價，結果符合實際情況；孟小瑞[4]針對原有方案中進尺低、炮眼利用率小的問題，通過結合理論對掏槽參數進行優化，新的爆破方案中掏槽采用三級楔形掏槽，在現場施工中有效提高了循環進尺。

本文通過選取該礦具有代表性的北翼回風巷道作為試驗巷道，主要針對原有爆破方案中的掏槽參數進行優化，結合數值模擬進行分析，經過一段時間的現場試驗后，根據統計進尺、炮眼利用率等指標，取得了良好的試驗效果。

1 工程概況

山西陽煤一礦北翼回風巷道為直墻半圓拱形斷面，巷道毛寬4800 mm、毛高3900 mm、毛斷面16.243 m2、埋深-850 m，掘進范圍內的巖層為硬度較高的砂巖。通過對巷道圍巖進行取芯加工后，進行單軸試驗測得巖石的單軸抗壓強度達到了100 MPa，粘聚力為25 MPa，巖石硬度系數f＞10。由于巖石硬度較高，在原有爆破方案中，掏槽采用單楔形掏槽爆破，孔間距較大，當掏槽爆破最先起爆后，爆炸產生的應力波對圍巖的破壞作用較小，掏槽區域巖石未能充分破壞，影響巖石的拋擲，造成后續炮眼起時夾制作用較強，因此對掏槽參數進行優化對于提高爆破進尺有著重要影響，在新的爆破方案中，在楔形掏槽眼的中部與掘進方向平行鉆中心眼，采用楔直復合掏槽，這種方案主要在于首先起爆斜眼，用以擴大槽孔，中心眼分段起爆加強爆破后的拋渣力，楔直復合掏槽可以發揮擴大自由面、增強拋擲力度的作用。

表1 北翼回風巷道巷參數表

2 數值模擬分析

2.1 數值模型建立

楔直復合掏槽爆破模型由被爆巖體、炸藥、封堵炮泥、空氣四部分組成。被爆巖體尺寸大小為4 m×3 m×2.4 m。巖體中心位置處垂直方向上對稱布置2個中心炮孔，中心直眼設置延時起爆，在楔形掏槽眼爆破1000 μs后起爆。在距中心炮孔0.5 m左右兩側處各布置1列楔形炮孔，每列設置3個楔形炮孔，炮孔間距為0.3 m，楔形炮孔與巖體斷面夾角為75°，炮孔布置圖見下頁圖1。由于研究問題具有對稱性，只建立四分之一模型，掏槽眼直徑均為40 mm，炸藥直徑為35 mm，炸藥長度1.0 m，炮泥封堵長度為1.2 m，采用反向起爆方式。被爆巖體采用拉格朗日網格建模，被爆巖體和空氣、炸藥間采用流固耦合算法，模型中均采用六面體劃分網格。為模擬巷道掘進過程圍巖無邊際巖體情況，邊界設置為無反射邊界。

被爆巖體和炸藥的主要物理力學參數見下頁表2。

圖1 數值模型圖

表2 材料物理力學參數

2.2 被爆巖體內部應力波傳播過程

為研究楔形掏槽爆破過程中被爆巖體內應力波傳播規律，從被爆巖體內部觀察應力波傳播過程。圖2為應力波傳播時程圖。

圖2 應力波傳播時程圖

從有效應力波的傳播過程圖中可以看出，隨著炸藥從炮孔底部起爆后，有效應力波迅速擴展開來，在260 μs時楔形掏槽眼炸藥爆炸完畢，此后隨著爆破應力波向工作面擴展，在560 μs時應力波達到自由面，在此階段由于中心空孔的原因，應力波向此處集中，在1020 μs時隨著中心炮眼的起爆，爆炸產生的應力波與楔形掏槽眼爆炸產生的應力波發生疊加，有利于巖體的二次爆破。

3 爆破技術研究

3.1 施工工藝

結合上述數值模擬，對北翼回風巷道試驗巷道進行現場試驗，提出了楔直復合掏槽爆破的施工方案。具體爆破方案布置圖如下圖3所示，爆破參數表如下表3所示。

圖3 炮眼布置圖（mm）

表3 爆破參數表

爆破作業采用一次打眼、一次裝藥起爆的施工方式，采用反向起爆，炸藥采用三級礦用乳化炸藥，雷管采用毫秒延期電雷管。

3.2 爆破試驗效果

采用新方案后，對巷道施工情況進行一段時間的監測后，得出試驗巷道的爆破效果表如表4所示。

表4 爆破效果表

采用新的爆破方案后，同原有爆破方案所產生的掘進效果進行對比如表5所示。

表5 施工工藝效果對比表

通過對比分析可以看出，采用楔直復合掏槽爆破的優勢主要有：可以充分將掏槽區域巖石破碎，爆破后大塊矸石少，出矸速度快，減少出矸時間；爆破進尺增大，炮眼利用率增高，大大提高了掘進效率。

4 結論

通過數值模擬分析出，楔直復合掏槽在爆炸開始后，應力波從炮孔底端呈橢圓狀向自由面方向擴展，并迅速與相鄰炮孔的應力波開始疊加作用，當楔形掏槽爆破應力波到達自由面后，在自由面處發生應力波反射形成拉伸波，隨著中心炮眼的起爆，楔形掏槽產生的有效應力波同其發生疊加，應力作用增強，有利于造成被爆巖體的二次破碎。以此作為基礎，采用新的爆破方案后，有效提高了巷道的掘進進尺，增大了炮眼利用率，由原來的75%提高到了90%，掘進進尺由3 m/d提升至3.6 m/d，提升了掘進效率。