巖巷炮掘作業中大直徑中空眼的應用分析

李 科

（潞安化工集團五陽煤礦，山西 長治 046200）

在對煤礦進行開采的過程中，往往在工作量方面圍巖掘進工程量、工期以及相應的投資所占的比重較大。在采煤以及抽取煤與瓦斯時，往往需要掘進大量的頂底板巖巷，從而可以有效地推進巷道掘進的速度。通常巖巷掘進工法包括：鉆爆法、綜掘法。其中鉆爆法得到了廣泛的應用，可是在我國采用該方式每月平均進尺為60 m。通常對于巖巷掘進的影響因素相對較多，其中最重要的是掏槽技術。在實施的過程中所設置的炮眼深度為2.0 m，當前由于煤炭開采強度逐漸增強，從而可以有效地提高巖巷掘進尺度，探索孔深需要甚至在2.5 m以上。可是隨著炮眼深度逐漸增加，那么相應的炸藥爆炸后對巖體破壞，并且拋擲形成槽腔的難度將會逐漸增加。

1 大直徑中空眼直眼掏槽

通常可以借助掏槽眼將中心巖石導出，從而可以為后面的爆破提供更過的空間。當將炮孔深度增加后，位于掏槽區域周圍巖體可以對掏槽區域巖體夾制作用明顯增加，從而增加了掏槽爆破的難度。為了能夠有效地解決該問題，可以選擇使用預留中空眼。而在中間掏槽眼位置設置大控眼，其直徑為146 mm，如圖1所示涂黑表示中空眼位置。

圖1 大直徑中空眼直眼掏槽

2 數值模型建立

為了對大直徑中空眼進行分析，以76.2號區段2號總回風巷為工程為研究對象，借助FLAC3D構建大直徑中空眼模型。依據相應的工程地質條件，相應的模型外形尺寸設定為：長、寬、高分別：20 m、10 m、15 m。將巷道的形狀設置成為直墻半圓拱，相應的斷面尺寸：長、寬、高分別為：5 300 mm、4 150 mm、1 500 mm。對應的大直徑中空眼直徑設定為146 mm，其中位置設置在距離腰線以下300 mm的位置，通常將掏槽眼直徑設置為38 mm，并且與中空眼之間的間距設置為300 mm。所選用的模型為摩爾一庫侖模型，而在模型頂端設置巖石等效載荷。經過調查發現該地區圍巖相對穩定，并且地質條件相對簡單，因此去側壓力系數為1，壓力取值為11 MPa。對于模型而言，其兩邊并不存在水平位移，底部所產生的約束為零。再開始挖掘之前，需要對初始平衡應力進行計算，接著工作人員開始施工中空眼以及掏槽眼。圖2表示對應的巷道三維模型及網格劃分。

圖2 巷道三維模型

3 模擬結果與分析

依據中空眼施工前后對數據進行模擬情況來分析，主要從塑性區分布、圍巖應力分布、圍巖變形分布、截面上應力、位移分布等五方面進行了分析。

3.1 施工中空眼前后塑性區分析

下頁圖3表示相應的大直徑中空眼時施工前后的塑性區分布圖。通過分析可以看出，在施工后，在中空眼附近存在明顯的塑性區。與此同時，位于附近的掏槽眼位置的塑性區域也在不斷地變大，由此可以看出在施加中空眼的過程中，掏槽眼能給爆破提供一定的自由面。

圖3 塑形區分布

3.2 施工中空眼前后位移變化分析

3.2.1 垂直位移

當完成中空眼后，由于圍巖應力受到了不同程度的破壞，同時導致圍巖鉆孔方向出現一定的變形。圖4表示相應的數值模擬結果。此外，圍巖垂直位移量也出現了一定的增加，主要在中空眼周圍分布，經過測量發現在中空眼周圍出現較大的位移量。通過分析圖4-1發現，在腰線上掏槽眼周圍存在較大的位移量，接著朝著兩幫位置開始擴散，與此同時呈現出一定的對稱性。施工中空眼后，相應的位移沿著中空眼從大到小開始變化，與此同時在掏槽眼附近同樣也出現了與圖4-1相同的位移情況。由此可以看出，施工中空眼后，巷道巖石變異量在中空眼四周發生變化。

圖4 垂直位移分布

3.2.2 水平位移

當完成施工掏槽眼和中空眼后，圖5表示相應的巷道內巖石的水平位移分布情況。在并未添加中空眼時，水平位移圖表現為環狀分布，而在巷道掏槽眼四周位移量較大，并且向四周逐漸減小。通過分析水平位移可以看出，施工中空眼后水平位移開始朝著中空眼方向發展。

圖5 水平位移分布

通過分析水平與垂直位移發現，中空眼使得圍巖變形量朝著巷道中心位置發展，從而能夠有效地提高爆破的效果。

3.3 掏槽眼周圍應力分析

3.3.1 垂直應力

對于垂直方向而言，當完成掏槽眼與中空眼施工后，圖6表示應垂直應力分布情況。其中圖6-1無中空眼的情況下，垂直應力分布情況。通過分析可以看出，垂直應力呈現出無規律的分布。在掏槽眼附近存在拉應力，可是相應的數值變化并不大。圖6-2表示在存在有中空眼情況下，垂直應力分布情況。通過分析圖發現，位于中空眼附近存在的較大的拉應力，與此同時逐漸朝著四周擴散，數值呈現逐漸減小的趨勢。同時最大應力在孔口位置，圍繞中空眼呈現環形分布變化，因此在進行爆破時其相應的破壞效果優于無中空眼。

圖6 垂直應力分布

3.3.2 水平應力

下頁圖7表示相應的數值模擬水平應力分布情況。其中，分析圖7-1發現在掏槽眼附近存在較大的水平應力集中現象，可以四個掏槽眼均不相同。通過分析圖7-2發現經過施工中空眼后，在掏槽眼附近出現了較為集中的拉應力帶。與此同時在周圍掩體附近存在應力區域貫通的現象。

圖7 水平應力分布

3.4 斷面模擬結果分析

X=0斷面表示相應的巷道中心垂直線斷面，其將中空眼與上下掏槽眼橫切，經過分析發現，可以通過分析斷面位移與應力變化情況，來判斷施加中空眼后，掏槽眼的變化情況。

3.4.1 位移分析

下頁圖8表示X=0斷面上的垂直位移圖，其中，圖8-1表示為添加中空眼時，垂直位移分布情況。在掏槽眼附近出現最大位移量，其數值達到240 mm。與此同時，位移量隨著距離掏槽眼而逐漸變小。因此為了能夠最大限度的優化爆破效果，往往輔助掏槽眼可以設置在250~500 mm位置內。而圖8-2表示相應的施工中空眼的情況下，斷面的垂直位移分布圖。通過分析可以看出，掏槽眼影響范圍包括了中空眼。因此在實施掏槽眼時，圍巖壁已經具有一定的自由面，進而可以大大提高爆破效果。

圖8 X=0斷面垂直位移分析

3.4.2 應力分析

圖9表示X=0斷面上的垂直應力圖。其中，圖9-1、9-2分別表示無、有中空眼時的垂直應力分布。通過分析發現其與位移分布類似，并且存在中空眼后在垂直方向的應力相對較大。

圖9 X=0斷面垂直應力分析

4 工程實例

76.2號區段2號總回風巷該巷道選用楔形掏槽，其深度設定為1.9 m，其他的炮眼深度可以達到1.8 m，而對應的循環爆破進度設定為1.6 m。經過統計發現全斷面消耗的炸藥總量為26 kg。每月掘進進尺為86 m。經過工程實踐發現，在實踐選用大直徑中空直徑掏槽，斷面消耗的炸藥總量為32.4 kg，每月進尺達到了118 m，大大提高了工程效率，縮短了工期達到了2.4個月，經過計算發現共計節省109.8萬元。

5 結論

1）經過工程實踐發現，大直徑中空眼能夠有效地優化炮眼的利用率，同時可以大大提高爆破效果。

2）借助理論與實踐，對大直徑中空眼直徑與深度等參數進行優化。

3）在進行爆破時，可以選擇合適的參數，進而能夠有效地優化爆破效果，因此能夠有效地推進掘進效果。

4）在進行掘進前，當選用超前中空眼工藝后可以對工作面地質情況進行探測，這樣可以有效地優化掘進的安全問題。