深孔爆破卸壓孔間距設計與破壞效果分析

李磊波

（山西焦煤集團西山煤電屯蘭礦，山西 太原 030206）

爆破卸壓是煤礦生產過程中比較常用的卸壓方式，爆破卸壓的重難點在于在爆破點周圍巖層不受爆破影響的前提下，確定合理的炮孔角度、炮孔間距等各項參數。李卯玄等對杜兒坪煤礦的72909工作面使用切頂卸壓護巷技術發現，該技術能夠有效延長巷道服務年限，明顯減小巷道圍巖變形情況；曹勇強等在斜溝煤礦的23111 工作面切頂卸壓的過程中發現，卸壓之后的巷幫移進量能夠較切頂前減少25%。

本文特以屯蘭礦12507 工作面為例，設計并開展了切頂爆破卸壓方案。屯蘭礦已經施工的12507工作面底抽巷與鄰近待施工的12509 工作面軌道順槽受到12507 工作面大面積的回采動壓影響，預計巷道變形控制難度大。為了改變回采巷道周圍所處的應力環境，使巷道能夠處于卸載區，根據屯蘭礦的12507 工作面實際生產條件，決定在12507 工作面運輸順槽實施爆破切頂卸壓，以保護12507 工作面底抽巷和鄰近12509 工作面輔運巷。

1 深孔爆破卸壓孔間距分析

1.1 柱狀炸藥產生的爆破載荷分析

在耦合的條件下裝炸藥，巖體內的柱狀炸藥孔起爆之后，會向孔壁外側的巖體施加強力的沖擊載荷，按動力波原理有：

式中：p 為透射入巖石中的沖擊波初始應力；p0為炸藥的爆轟壓；ρ、ρ0分別為巖石和炸藥的密度；v1、v2分別為巖石中的波速和炸藥爆速；γ 為爆轟產物的膨脹絕熱指數，一般取γ≈3。

巖體中產生的透射沖擊波不斷地向外界傳播，同時不斷衰減，最后演變成為應力波。巖體中任意一點的徑向應力和切向應力可表示為：

式中：σθ、σr分別為巖石中的切向和徑向應力；d 為比距離，，r 為計算點到裝藥中心的距離，rb為炮孔半徑；α 為載荷傳播衰減指數，，正負號分別對應沖擊波區和應力波區，μd為巖石的動泊松比；b 為側向應力系數

如果將問題看成是平面問題，可進一步求得z軸方向的受力：

1.2 爆炸載荷作用下巖石的破壞分析

在外力條件作用下，材料破壞的標準與材料的物理力學性質和內部受力情況有關，巖石屬于脆性材料，抗壓強度顯著高于抗拉強度，工程爆破狀態下，巖體呈現出一種受壓、受拉混合的三向受力狀態。許多研究表明：鉆孔爆破中，巖體受壓縮出現粉碎區，而受拉破壞的結果則是裂隙區，巖體中任意一點的應力狀態：

將式（3）（4）（5）代入整理得：

1.3 粉碎圈與裂隙圈半徑的計算

柱狀耦合裝藥條件下，藥包產生爆炸時，對周圍的巖體能夠產生一種高峰值的脈沖壓力，同時會有一股強力的沖擊波在緊靠藥包附近的區域被激起。在幾萬兆帕沖擊波的超高壓作用下，巖體內部結構遭到嚴重破壞，并粉碎成為細微粒子，從而形成了粉碎圈。粉碎圈的半徑很小，但是由于巖體結構遭到強烈粉碎，產生了大量的塑性變形和剪切破壞，消耗能量極大。因此，為了能夠充分地利用炸藥爆炸產生的能量，應盡可能控制和減少粉碎圈的形成。根據公式（6）（7）可得粉碎圈的半徑為：

式中：ρ0為炸藥的密度；v2為炸藥爆速；A 為爆轟波傳播至巖體的投射系數，；σcd為巖石動態抗壓強度，σcd=σcε1/3，其中σc為巖石的單軸靜態抗壓強度，MPa，ε 為加載應變率，s-1，工程爆破中巖石的加載率為100～105s-1，在粉碎圈內加載率較高，可取102～104s-1，在粉碎圈外加載率可取100～103s-1。

炸藥爆炸形成粉碎圈之后，沖擊波慢慢衰減，最終變為應力波，此時的強度已經遠低于巖體的抗壓強度，不會再繼續產生壓縮破壞，但是仍會產生切向的拉伸應力，如果該拉伸應力超過了巖體的抗拉強度，則會在巖體中形成裂隙，與破壞圈貫通。

2 工程背景與數值模型

2.1 工程背景

屯蘭礦12507 工作面底抽巷（已施工）與鄰近12509 工作面軌道順槽（待施工）受12507 工作面回采動壓影響，預計巷道變形控制難度大。為了改善巷道所處的應力環境，使巷道處于卸載區，根據12507 工作面實際條件，通過在12507 工作面皮帶順槽進行爆破切頂卸壓，以保護12507 工作面底抽巷和鄰近12509 工作面輔運巷。以屯蘭礦12507 工作面為例，利用上述爆破理論分析爆破參數，同時利用數值模擬分析軟件進行模擬分析，以確定合理的施工參數。

2.2 數值模型

本文采用Flac3D進行數值模擬分析。Flac3D是二維的有限差分程序Flac2D的拓展，能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構，單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動（大變形模式）。

3 數值結果分析

3.1 合理切頂高度的確定

在工作面尚未回采之前，原巖地應力呈現縱向梯度均勻分布，底抽巷所處位置位于保護煤柱正下方，處于應力集中區域，極其不易維護。工作面頂板巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面頂板巖層柱狀圖

從圖1 可以看出，2 號煤層上面有很多比較堅硬的巖層，切頂高度需要垂直15 m 才算合理。分別模擬了切頂角度60°、65°、70°、80°時的圍巖應力改善情況。通過對比分析12507 頂板和保護煤柱，當切頂角度選定為70°時效果最好，炮孔斜長選定為18 m 較為合理。保護煤柱區域應力集中分散轉移后、才更有利于沿空掘進的巷道的維護。

根據數值模擬分析，初步將切頂方案定為：炮孔仰角70°，裝藥長度10 m，封泥長度8 m，炸藥起爆點在實體煤上方，保證不會對巷道造成破壞。

3.2 數值模擬分析爆破裂隙

設定炸藥藥卷直徑為50mm、炮孔的半徑0.375 mm、兩個炮孔之間間距為3 m 進行模擬，炸藥包爆炸之后的炮孔周圍的巖體破壞情況如下頁圖2 所示。

圖2 兩個爆破裂縫疊加狀態

根據上面分析結果，炮孔周圍的巖石在炸藥包起爆后開始出現比較大范圍破壞，在這之后徑向主裂紋開始出現，隨后裂紋開始擴展，出現次裂紋。次裂紋隨機擴展，而主裂紋則是沿著徑向方向向外擴展，但在局部上也表現出一定的隨機性。裂紋停止擴展以后，主裂紋的平均長度在0.85 m 左右。因此可以確定，在屯蘭礦的地質條件下，將炸藥的炮孔間距確定為3.0 m 較為合適。

4 結論

根據Flac3D模擬分析與爆破理論計算得知，對于屯蘭礦12507 工作面，最合理的卸壓方案為：炮孔仰角70°、裝藥長度10 m、封泥長度8 m、藥卷直徑50 mm、炮孔直徑75 mm、炮孔間距3 m。對12507 工作面進行切頂卸壓護巷，通過卸壓12507 皮帶順槽保護12507 底抽巷，延長了巷道服務年限，減少了受采動影響而造成鄰近巷道圍巖變形增大現象，降低了巷道維護治理費用。