裝藥直徑對煤礦巖巷掘進(jìn)爆破效果的影響

謝 平，王夢想，武 建，汪海波，宗 琦，徐 穎

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司顧北煤礦，安徽 淮南232001;2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001)

在煤礦井巷掘進(jìn)爆破時(shí),巖石性質(zhì)、炮孔與炸藥直徑、鉆孔設(shè)備等因素均會(huì)影響爆破效果。 巖石條件多變,三級煤礦許用炸藥威力低,如何提高硬巖巷道掘進(jìn)爆破效率仍是亟待解決的問題。 目前,巖巷掘進(jìn)通常采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu),鉆頭直徑主要有32 mm 和42 mm,與之匹配的炸藥藥卷直徑分別為27 mm、35 mm。 在爆破時(shí),不耦合系數(shù)和炸藥藥卷直徑直接影響炮孔孔壁壓力,杜俊林等[1-2]對空氣不耦合裝藥和水不耦合裝藥孔壁壓力進(jìn)行了理論分析;宗琦等[3-4]通過對不同裝藥結(jié)構(gòu)的理論分析得出,炮孔耦合裝藥孔壁壓力＞水不耦合裝藥孔壁壓力＞空氣不耦合裝藥孔壁壓力;凌偉明[5]采用錳銅壓阻傳感器測試了炮孔孔壁壓力。 上述學(xué)者推導(dǎo)的相關(guān)公式結(jié)果雖然對傳統(tǒng)的爆轟理論求解孔壁壓力進(jìn)行了優(yōu)化,但是不管按照傳統(tǒng)的爆轟理論還是修正理論,炸藥密度相同,不耦合系數(shù)相同時(shí),其炮孔孔壁壓力理論推導(dǎo)值都近似相同。 因此,不耦合系數(shù)相同時(shí),采用傳統(tǒng)的爆轟理論不能準(zhǔn)確地描述不同裝藥直徑作用下炮孔孔壁壓力的變化及相關(guān)爆破參數(shù)的差異。

為進(jìn)一步研究不耦合系數(shù)相同時(shí),不同裝藥直徑作用下炮孔孔壁壓力的變化,通過理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)的方法,開展不同裝藥直徑孔壁壓力的計(jì)算分析。 理論上分析,不耦合系數(shù)相同時(shí),隨著炮孔和藥卷直徑的增大,爆破破巖效果增強(qiáng)。 為驗(yàn)證分析結(jié)果,在現(xiàn)場進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

1 裝藥直徑與孔壁壓力、裂隙區(qū)半徑的關(guān)系

1.1 徑向不耦合連續(xù)裝藥孔壁壓力

基于徑向不耦合連續(xù)裝藥,提出如下假設(shè)[6]:

1)間隙內(nèi)不存在空氣;

2)爆轟產(chǎn)物在間隙內(nèi)按PVn=常數(shù)的規(guī)律膨脹(n=3),遇到炮孔壁時(shí)產(chǎn)生沖擊壓力,并在巖石內(nèi)激起爆炸應(yīng)力波;

3)膨脹時(shí)的初始壓力按平均爆轟壓計(jì)算。

根據(jù)上述假設(shè),計(jì)算炮孔壁上產(chǎn)生的初始壓力。

爆轟產(chǎn)物的平均爆轟壓為:

式中:ρ0為炸藥密度;D1為炸藥爆速。

爆轟產(chǎn)物碰撞炮孔壁時(shí),壓力增大,n 取8 ～11[6]。 因此,在不耦合裝藥炮孔壁上的沖擊壓力為:式中:dc為裝藥直徑;db為炮孔直徑;n 為壓力增大倍數(shù)。

1.2 裝藥直徑與爆速的關(guān)系

裝藥直徑是影響爆速的主要因素之一。 不同類型的炸藥爆破時(shí)要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳爆須達(dá)到臨界直徑。 由于波的透反射,炸藥爆炸會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擴(kuò)散,沿裝藥直徑由外向內(nèi)傳播。 理論和試驗(yàn)研究表明,炸藥爆速與裝藥直徑關(guān)系[6]為:

式中:D 為炸藥的實(shí)際爆速;DH為炸藥的理想爆速;a 為爆轟反應(yīng)區(qū)厚度;dc為藥柱直徑。 參考文獻(xiàn)[6],反應(yīng)區(qū)厚度a 取炸藥臨界直徑的1/2。

由式(3)可見,爆速與藥卷的直徑呈正相關(guān),曲線關(guān)系如圖1 所示。

圖1 炸藥的爆速與裝藥直徑的關(guān)系

1.3 不同裝藥直徑孔壁壓力計(jì)算

將式(3)代入式(1)、式(2)得到不同裝藥直徑作用下的炮孔孔壁壓力。

爆轟產(chǎn)物的平均爆轟壓為:

因此,在不耦合裝藥炮孔壁上的沖擊壓力為:

當(dāng)不耦合系數(shù)一定時(shí),炮孔孔壁壓力隨著裝藥直徑的增大而增加,爆速趨于理想爆速。 反應(yīng)區(qū)厚度與裝藥直徑無關(guān),只取決于炸藥的爆速和反應(yīng)時(shí)間的乘積。 當(dāng)臨界直徑為反應(yīng)區(qū)厚度2 倍時(shí),臨界爆速約為理想爆速的一半。

1.4 應(yīng)力波作用下的裂隙區(qū)

爆炸應(yīng)力波由沖擊波衰減為壓縮應(yīng)力波或者使徑向方向產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓縮變形。 由于泊松效應(yīng),切向方向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形。 由于巖石屬于脆性材料,抗拉性能較差,當(dāng)切向拉應(yīng)力大于巖石極限動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生徑向裂紋,同時(shí)結(jié)合應(yīng)力波在巖石中的衰減規(guī)律,得到巖石在爆炸荷載作用下的裂隙圈半徑r 為:

式中:rb為炮孔半徑;ST為巖石抗拉強(qiáng)度;b=μ/(1-μ);α 為衰減系數(shù)。

選用三級煤礦許用炸藥,密度ρ0= 1.10 g/cm3,炸藥爆速D=3 600 m/s,n=10,反應(yīng)區(qū)厚度a=6 mm,孔壁原始壓力P2采用理想爆速計(jì)算。 巖石的抗壓強(qiáng)度為100 MPa,抗拉強(qiáng)度為10 MPa,泊松比為0.25,衰減指數(shù)為1.67,代入式(2)、式(5)、式(6),求解出孔壁壓力和裂隙區(qū)半徑。 計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同裝藥直徑炮孔孔壁壓力

由表1 可見,在同種炸藥作用下,經(jīng)典炮孔孔壁壓力計(jì)算公式(2)計(jì)算的P2,只與炸藥不耦合系數(shù)有關(guān)。 不論炮孔和炸藥直徑發(fā)生怎樣的變化,炮孔孔壁壓力始終不變,這與現(xiàn)場實(shí)際不符。 不管炸藥直徑怎樣改變,始終采用理想爆速代入求解,存在很大的誤差。 而由式(5)進(jìn)行計(jì)算,既能反映孔壁壓力與裝藥不耦合系數(shù)之間的關(guān)系,還能揭示其與裝藥直徑的關(guān)系。

孔壁壓力P′2和裂隙區(qū)半徑r′在不耦合系數(shù)相同時(shí),隨著裝藥直徑的增加逐漸增大。 在不耦合系數(shù)一定時(shí),與藥卷直徑25 mm 的孔壁壓力相比,藥卷?33 mm、?39 mm 的孔壁壓力分別增大1.15 倍、1.25 倍;藥卷?33 mm、?39 mm 的裂隙區(qū)半徑r 比藥卷?25 mm 的裂隙區(qū)半徑分別增大1.44 倍、1.79倍。 藥卷直徑變大,有利于提高巖石的爆破效果。巖石巷道鉆眼掘進(jìn)過程中,隨著鉆眼直徑的增大,鉆眼機(jī)械的鉆進(jìn)速度逐漸降低,會(huì)影響工作效率。

目前,?50 mm 釬桿還不具備大規(guī)模使用的條件,現(xiàn)場常采用?42 mm 的鉆頭鉆孔,孔內(nèi)裝?35 mm 的藥卷。 從理論分析結(jié)果可知,在同一耦合系數(shù)作用下,藥卷直徑增加,裂隙區(qū)半徑增大,采用?42 mm 的藥卷,可以有效增加巖石破碎半徑,從而減少斷面整體炮眼數(shù)量。

綜上所述,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際和理論分析,針對巷道掘進(jìn)掏槽爆破的特點(diǎn),提出將大直徑藥卷應(yīng)用到掏槽眼的觀點(diǎn),可以形成較好的槽腔,加大掏槽腔體的破碎,提高槽眼利用率,從而保證其他炮眼的破碎效果,加快施工進(jìn)度。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

淮南某煤礦巷道斷面為直墻半圓拱,巷道斷面5.2 m×3.8 m,掘進(jìn)斷面面積19.01 m2。 巷道所處巖層巖性為泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖等。 試驗(yàn)段巷道穿過巖層主要為粉細(xì)砂巖,灰白色,整體性好,裂隙少,堅(jiān)硬難爆,巖石的堅(jiān)固性系數(shù)f=10。 炸藥采用煤礦三級高威力許用炸藥,爆破方案設(shè)計(jì)為2 種:

1)全斷面均采用?42 mm 的鉆孔,孔內(nèi)放置?35 mm× 330 mm×350 g 藥卷。

2)掏槽孔直徑50 mm,孔內(nèi)放置?45 mm × 400 mm × 700 g 的藥卷,炮孔布置如圖2 所示。 其他孔直徑為42 mm,孔內(nèi)放置?32 mm 的藥卷。

2 種方案的爆破效果見表2。

圖2 炮孔布置圖(掏槽孔直徑50 mm)

表2 2 種爆破方案對比分析

通過表2 對比發(fā)現(xiàn):

1)采用大直徑藥卷掏槽爆破效果較常規(guī)掏槽爆破效果有顯著提高,具體體現(xiàn)為炮眼利用率顯著提高。 雖然循環(huán)進(jìn)尺炸藥消耗增加了5.4 kg,但巖石破碎總體積顯著增加。

2)雖然藥量增加,但是循環(huán)炸藥單耗和雷管消耗降低了,且在拋擲效果相同的情況下,巖石大塊率明顯減小,為后期出渣提供了有益條件。 分析原因,大直徑藥卷掏槽孔在保持炮眼間距不變、深度不變的情況下,藥卷直徑增大,炮眼孔壁壓力增大,裂隙區(qū)半徑增加,從而使得掏槽區(qū)炮眼爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)相互重疊的部分增加,使巖石深度破碎,產(chǎn)生較好的爆破效果。

3)當(dāng)采用大直徑裝藥時(shí),可以適當(dāng)?shù)丶哟笈谘坶g距,通過優(yōu)化施工工藝減少炮孔數(shù)量、節(jié)省鉆孔時(shí)間,也可達(dá)到相同的爆破效果。

3 結(jié)論

1)裝藥結(jié)構(gòu)和不耦合系數(shù)一定時(shí),在理論上證明了隨著裝藥直徑的增加,炮孔孔壁壓力增大,裂隙區(qū)半徑增大。

2)掏槽孔采用大直徑炮孔和藥卷,有助于提高掏槽爆破炮孔利用率、降低矸石塊度。

3)采用鑿巖臺(tái)車保證較高鉆孔效率的情況下,可考慮巷道全斷面采用大直徑炮孔和藥卷,從而減少炮孔數(shù)量,提高爆破效果。