鐵礦巷道周邊定向斷裂爆破機理及現場試驗研究

王 渝，陳帥志，趙 勇，楊 陽，駱浩浩

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.中國五礦集團有限公司，北京 100044；3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

在巷道快速掘進過程中，為減少周邊超欠挖現象，發展了許多周邊成型控制技術。工程實踐表明，切縫藥包對保證巷道周邊的成型質量有很好的效果。切縫藥包爆破的實質是在具有一定的密度和強度的炸藥外殼上開有不同角度、不同形狀和數量的切縫，利用切縫控制爆炸應力場的分布和爆生氣體對(孔壁)介質的準靜態作用和尖劈作用，達到控制所爆介質開裂方向的目的。自20世紀70年代FOURNEY等[1]提出在炮孔中使用軸向切縫的管狀藥包在巖體中形成定向裂縫的方法，國內外相關學者從機理、工程應用、宏微觀等方面對切縫藥包定向斷裂進行研究。楊仁樹等[2]通過殉爆測試驗證切縫方向的定向效果，以此確定了切縫管工業化生產合理的結構參數；李清等[3]采用數字激光動態焦散線系統，研究有機玻璃中不同藥量的切縫藥包雙孔爆破主裂紋即分支裂紋的擴展規律；楊仁樹等[4]通過比較爆生主裂紋和次裂紋動態能量釋放率的差異，認為不耦合系數為1.67時，切縫藥包爆破效果最理想；楊仁樹等[5]運用高速激光紋影儀進行切縫藥包的爆炸波動試驗研究，通過紋影照片直觀的顯示了切縫藥包爆炸外部爆炸波動流場變化；MA等[6]對切縫藥包巖石中定向斷裂爆破采用不同本構模型進行了數值模擬。基于大量的機理研究，彌壯壯等[7]將切縫藥包運用到煤礦軟巖及硬巖的快速掘進中，均取得了較好的效果；楊仁樹等[8]基于分形維數的爆破損傷度計算，定量說明了切縫藥包較普通藥包的優勢。

綜上所述，關于切縫藥包機理以及現場應用研究豐富，但雙孔切縫藥包模型在巖石中的爆炸過程及在巖石介質中的力學行為研究較少，缺乏將切縫藥包運用于鐵礦巷道，并通過分形維數定量評價切縫藥包爆破效果的案例。基于此，本文從雙孔切縫藥包數值模擬、切縫藥包現場試驗及爆破效果的定量評價等方面進行研究。

1 基于LS-DYNA的爆破數值模擬分析

1.1 有限元模型建立

為說明切縫藥包在巖石中的爆炸過程及在巖石介質中的力學行為，同時建立雙孔普通藥包及切縫藥包爆破數值模型。普通藥包爆破數值模型由炸藥、空氣、巖石三部分組成，切縫藥包數值模型由炸藥、切縫管、巖體、空氣四部分組成。 巖體模型尺寸為250 mm×600 mm；雙炮孔之間的間距為110 mm，建立在模型正中心，炮孔孔徑為10 mm，炸藥直徑為6 mm，一般認為徑向不耦合系數取1.67時爆破效果最好[4]；切縫管內壁緊貼炸藥，厚度為1 mm，縫寬為1 mm，模型平面結構如圖1所示。

圖1 模型平面結構圖

考慮到炸藥爆炸時發生劇烈的動荷載作用，為防止網格發生畸變，炸藥和空氣采用ALE網格建模；在炸藥爆炸瞬間，切縫管受到強烈的高溫高壓爆生產物的作用發生大變形，炮孔近區巖石受到劇烈的爆炸荷載作用發生破壞，為模擬真實的爆炸情景，切縫管、巖石采用Lagrange網格建模，模型中采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID*定義網格之間的耦合。圖2展示了切縫藥包模型近區的網格劃分形式，普通藥包模型類似。

圖2 切縫藥包網格劃分圖

根據實際情況，模型邊界設置為無反射邊界，施加透射條件。 炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN*高能炸藥模型，使用JWL狀態方程模擬炸藥爆炸過程中壓力和比容的關系。空氣采用*MAT_NULL*模型，結合*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL*狀態方程描述。切縫藥包切縫管為熱相關材料，在爆炸過程中切縫管的動態力學行為極為復雜，因此采用適合在高應變、高壓力條件下使用的*MAT_JOHNSON_COOK*本構模型，用以描述屈服應力與應變、應變率以及溫度之間的關系。在爆炸沖擊荷載作用下，巖石的動態力學狀態極為復雜，采用*MAT_RHT*本構模型。為體現切縫藥包及普通藥包在硬巖巷道中的作用效果，相關材料物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

1.2 數值模擬結果分析

1.2.1 爆炸過程時程分析

雙孔普通藥包和切縫藥包爆炸過程中Von Mises等效應力分布如圖3所示。由圖3可知，雙孔普通藥包爆炸模型中，炸藥起爆后，炸藥內的爆炸過程迅速結束，爆生產物隨即沖擊炮孔內的空氣，在2 μs左右爆炸沖擊波達到炮孔壁，巖石介質在炸藥爆生產物強烈的沖擊作用下產生以炮孔中心為圓心的圓形應力場，兩炮孔形成的應力場完全一致，直到19 μs左右，兩應力場擴展相遇發生疊加，炮孔連線中心處的應力值最大。 雙孔切縫藥包爆炸模型中， 爆生產物在切縫處聚集，產生應力集中，壓縮切縫處的空氣，爆炸沖擊波在2 μs左右到達切縫處炮孔壁，切縫處的巖石介質形成尖端狀應力場，并產生初始裂紋；在19 μs左右兩炮孔形成的應力場相遇發生疊加，應力場呈啞鈴狀，兩炮孔之間的應力值明顯大于炮孔兩側應力值，為炮孔之間的裂紋貫穿提供了條件。

圖3 爆炸過程Von Mises應力分布云圖

綜上所述，相較于普通藥包，切縫藥包的切縫應力場得到優先發展，垂直切縫方向的應力場范圍明顯小于普通藥包，具有明顯的護壁效果。切縫藥包兩炮孔之間的應力值明顯大于普通藥包，表明切縫藥包炸藥能量分配合理，聚能效果明顯，有利于炮孔間裂紋的擴展貫通，定向斷裂效果明顯。

1.2.2 巖石介質有效應力分析

雙孔普通藥包模型中，在兩炮孔中心連線上距離炮孔中心5 mm、15 mm、25 mm、35 mm、45 mm、55 mm處的巖石模型中依次取A1測點、A2測點、A3測點、A4測點、A5測點、A6測點；雙孔切縫藥包爆破模型中，在兩炮孔中心連線切縫方向上距離炮孔中心5 mm、15 mm、25 mm、35 mm、45 mm、55 mm處的巖石模型中依次選取B1測點、B2測點、B3測點、B4測點、B5測點、B6測點，垂直切縫方向距離炸藥中心5 mm、15 mm、25 mm處的巖石模型上依次選取B7測點、B8測點、B9測點(圖4)。 分別將上述各測點的有效應力峰值提取出來，表2量化地表征巖石介質各測點有效應力峰值的變化規律。

圖4 測點示意圖

表2 巖石介質各測點有效應力峰值表

注：A1～A6為雙孔普通藥包；B1～B9為雙孔切縫藥包。

雙孔切縫藥包爆炸模型中，切縫方向的有效應力峰值明顯大于垂直切縫方向，表明切縫藥包的聚能作用，對爆生產物釋放起到導向作用。在炮孔連線方向上，距離炮孔中心相同的距離處，切縫藥包有效應力峰值明顯大于普通藥包。由圖5可知，在距離炮孔中心相同的距離處，切縫藥包垂直切縫方向上B7測點巖石的有效應力峰值(min)明顯小于普通藥包連線方向上A1測點巖石的有效應力峰值(mid)，切縫藥包沿切縫方向上B1測點巖石的有效應力峰值(max)最大，這表明切縫藥包可對周邊圍巖起到良好的保護作用，減少爆炸對周邊圍巖的損傷，減少圍巖裂隙的產生，護壁效果顯著。

圖5 巖石介質各測點有效應力峰值圖

2 切縫藥包定向斷裂控制爆破現場試驗研究

2.1 工程概況

試驗巷道位于弓長嶺井下鐵礦+140水平，11穿到11穿半1層采礦巷，巷道斷面為三心拱，斷面大小為9.6 m2，巷道寬度為3.4 m，高度為3 m，直墻高2 m，拱高1 m。鑿巖設備采用7655氣腿式鑿巖機，炮眼直徑為40 mm，雷管采用礦用半秒導爆管雷管，炸藥采用二級巖石乳化炸藥。巖性以鐵礦石和綠泥巖為主，硬度f=20～25。鐵礦石力學參數見表3。

表3 鐵礦石試件力學性能參數

2.2 對比試驗方案

掘進巷道采用楔直復合掏槽，掏槽孔深2.3 m，其他孔深2.0 m。為進行切縫藥包爆破效果驗證，在巷道頂部分別進行半斷面、全斷面的等藥量、等間距切縫藥包對比試驗，頂眼均采用空氣間隔裝藥，通過炮孔深度計算藥量，每孔裝4卷藥。根據炸藥尺寸和類型，采用外徑為40 mm，內徑為36 mm，壁厚為2 mm的阻燃抗靜電硬質PVC管材制作切縫管，裝填炸藥后即制作完成切縫藥包，切縫藥包如圖6所示。分別進行5次試驗，爆破網路圖見圖7，爆破方案參數表見表4。

圖6 切縫管示意圖

圖7 爆破網路圖

表4 爆破參數表

2.3 對比試驗結果

1) 半斷面等藥量、等間距對比試驗。現場試驗中，在巷道中心左側4個頂眼裝填普通藥包，在巷道中心右側5個頂眼裝填切縫藥包，同段起爆，每次試驗左側出現明顯超挖或者欠挖現象，右側出現4～5個明顯的半眼痕，半眼痕占半斷面的80%～100%。爆破效果圖如圖8(a)所示。

2) 全斷面等藥量、等間距對比試驗。在試驗中9個頂眼均采裝填切縫藥包爆破，同段起爆，每次均有良好的爆破效果，巷道輪廓延切縫方向顯現，圍巖較為光滑平坦，出現8～9個明顯的半眼痕，半眼痕率89%～100%。爆破效果圖如圖8(b)所示。

圖8 對比試驗爆破效果圖

由現場試驗可以得出：切縫藥包定向斷裂控制爆破技術可以有效提高巷道周邊爆破效果及成型質量，有效保護周邊圍巖地的穩定性。

3 周邊成型效果多重分形分析

為準確量化獲取爆破后圍巖平整度特征，采用多重分形理論對爆后圍巖結構的非均勻性進行分析。多重分形奇異譜(α-f(α))體現了爆后圍巖不平整程度。α為奇異性指數，f(α)為相同α值的子集的分形維數，一般將f(α)稱為多重分形譜。

多重分形譜的寬度△α(△α=αmax-αmin)描述了爆后圍巖表面裂隙尺寸集中概率測度分布的差異性程度，體現了爆后圍巖表面平整度的波動程度。寬度△α值越大，直觀表示出爆后圍巖表面裂隙分布越彌散不均勻，圍巖表面平整度分布越不均勻；寬度△α值越小，圍巖表面裂隙起伏越相似，圍巖表面平整度分布越均勻。所對應的維數差值△f描述了圍巖表面裂隙發育的最大波動幅度和最小波動幅度所出現的概率變化。IAS為非對稱指數，其絕對值描述了爆破圍巖表面裂隙尺寸發育程度和平整度分布的均勻性，計算見式(1)。

IAS=(L-R)/(L+R)

(1)

式中：L為多重分形譜中左端點到極值點的水平距離；R為多重分形譜中右端點到極值點的水平距離。

3.1 周邊成型多重分形結果

分別選取某次半斷面等藥量、等間距對比試驗中普通藥包及切縫藥包其中一個炮孔爆破后的效果圖，降噪變為灰度圖，并進行二值化處理(圖9)。隨后以爆破圍巖裂隙寬度和不平整度為參數生成爆后圍巖成型二維圖像(圖10)和三維圖像(圖11)。

圖9 爆后圍巖二值化圖

圖10 爆后圍巖成型效果二維表征

圖11 爆后圍巖成型三維效果表征

三維圖像清晰地描述爆后圍巖特征，通過顏色深淺的變化直觀表述爆后圍巖成型的平整度。通過對比普通藥包與切縫藥包的爆后圍巖成型效果二維表征圖和三維表征圖，可以發現普通藥包的顏色反差明顯大于切縫藥包，則表明切縫藥包爆后周邊成型效果明顯優于普通藥包。

3.2 多重分形譜參數

根據上述理論，計算得出爆后圍巖成型多重分形譜參數，能夠用來評價爆破后圍巖的多重分形譜參數主要為多重分形譜的開口寬度△α，維差△f，以及多重分形譜非對稱指數IAS的絕對值，具體參數見表5。

表5 爆后圍巖成型多重分形譜參數

普通藥包與切縫藥包爆后圍巖成型多重分形譜各參數差異明顯。普通藥包周邊爆破后圍巖多重分形譜的開口寬度△α、維差△f分別為0.222和0.123，切縫藥包周邊爆破后圍巖多重分形譜的開口寬度△α和維差△f分別為0.057和0.016。相較于普通藥包，切縫藥包的多重分形譜的開口寬度△α、維差△f均明顯減小，這表明，切縫藥包周邊爆破后圍巖裂隙較少，圍巖表面平整度高，切縫藥包可有效降低圍巖損害程度。兩種方案對應的爆后圍巖多重分形譜非對稱指數IAS的絕對值分別為0.774和0.122，差距較大，進一步表明了切縫藥包周邊爆破圍巖表面的凹凸程度和裂隙數量比普通藥包周邊分布更為均勻，圍巖表面更為光滑平坦。

4 結 論

1) 數值模擬結果表明，切縫藥包相較于普通藥包，能量分配更加合理，聚能效果更合理，定向斷裂效果更明顯，護壁能力更強。

2) 基于數值模擬及鐵礦巷道現場對比試驗成功的說明，切縫藥包定向斷裂技術，能有效提高半眼痕率達80%及以上。

3) 多重分形譜能夠定量的描述周邊成型效果，為現場評價爆破效果提供了一條科學嚴謹的途徑，具有一定的理論意義和現實意義。

4) 切縫藥包在鐵礦巷道的應用，為今后切縫藥包在硬巖巷道中的使用提供了一定的借鑒意義。