楔形掏槽爆破效果分析及其在硬巖巷道中的應用

孫小娜

(中鐵建設集團有限公司,北京 100040)

0 引言

目前,我國大多數煤礦巖巷采用的鉆爆法施工,普遍表現出拋擲巖石大塊率高、炮眼利用率低、圍巖損傷嚴重、作業環境惡劣等問題[1-2],導致巖巷施工效率低、安全性差。另外,由于綜采機械化的發展,采掘接續緊張的局面更加突出,因此加強煤礦巖巷鉆爆法快速掘進技術的研究具有重要的現實意義,而影響巖巷鉆爆法掘進速度的關鍵在掏槽。

關于掏槽爆破,歸根到底是研究最優的掏槽形式,目前國內外已經取得了不少的成果:梁瑞、單仁亮等[3-4]結合直眼和楔形掏槽的優點提出了準直眼掏槽,并在正興礦、河東礦、晉華宮煤礦進行了應用,提高了炮眼利用率,降低了單位炸藥消耗量;Fourney W. L等[5]進行了空氣間隔爆破理論與應用研究;宗琦和孟德君[6]探究了不同炮孔裝藥結構對爆炸能量傳遞的影響;胡建華等[7]采用AUTOCAD和ANSYS聯合建模構建了單楔形爆破數值模型,并對比分析了單楔形掏槽爆破和直眼掏槽爆破效果,結果表明同等條件下,單楔形掏槽爆破掏槽體積明顯更大;楊仁樹、張召冉等[8]進行中深孔掏槽爆破理論及其在硬巖巷道掘進中的應用研究;戴俊、楊永琦[9-10]開展了三角柱直眼掏槽爆破的試驗研究,提出爆破后槽腔的形成過程可以分為兩個階段。

大量學者開展掏槽爆破的理論與應用研究[11-13],推動著巷道爆破技術水平的提高,但兩種掏槽方式在硬巖巷道中的優劣對比還不夠直觀。由于巖石強度較大,硬巖巷道鉆爆法施工對爆破塊度、炮孔利用率等都帶來了新的挑戰。因此本文以霍州煤電三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運輸巷為工程背景,應用ANSYS/LS-DYNA模擬直眼和楔形掏槽爆破應力波的傳播以及對周圍巖體的壓力和損傷破壞,以便更加直觀地對比兩種掏槽方式的特點和區別,為硬巖巷道中楔形掏槽方式的選擇提供依據。

1 數值模擬計算及對比分析

1.1 掏槽模型建立

由于本文只研究爆破近區不同掏槽爆破形式下對巖體的影響,因此只模擬了一對掏槽眼(見圖1)。模型尺寸如表1所示。巖石單元網格為1 cm×1 cm×1 cm,炸藥、炮泥單元網格為0.5 cm×1 cm×1 cm,空氣單元網格為0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm,單元總數23萬。

表1 掏槽模型參數

固體采用了Lagrange算法,流體采用AIE算法,固體和固體間、流體和流體間采用共節點,實現能量的傳遞;流固耦合實現固體和流體間能量傳遞。炸藥本構采用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN,結合JWL狀態方程,通過選取合適的參數來模擬實際工程中采用的工業乳化炸藥,如表2所示;巖石采用*MAT_RHT本構,該本構能夠較為真實地模擬常見巖石的物理力學特性,且能夠體現巖體的損傷情況,如表3所示。針對三交河礦實驗巷道巖石硬度、強度較大,結合圍巖測試結果,將*MAT_RHT本構的抗壓強度設置為107.8 MPa。炮泥本構采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC來模擬;空氣本構采用*MAT_NULL,結合狀態方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來模擬。由于炮泥和空氣參數為常用參數,不再單獨列出。

表2 炸藥材料物理力學參數

表3 巖石材料物理力學參數

1.2 兩種掏槽爆破下應力波傳播過程對比

兩個掏槽孔是同時在t=0 μs起爆的,所以兩個炮孔的傳播過程幾乎完全一致。另外,由于整個模型是個只有三層厚的“薄板”,為了防止爆破后RHT單元產生嚴重畸變,約束整個模型除了自由面以外的所有面,控制其不產生超出模型以外的位移,同時定義除自由面以外的所有面都是無反射。

1)直眼掏槽應力波傳播。如圖2(a)所示,t=29.7 μs時,直眼掏槽孔的炸藥完全起爆,應力波呈錐形分布;t=59.5 μs時,應力波傳遞到兩幫,由于約束造成了應力的積聚;t=99.9 μs時,兩個直眼掏槽孔產生的應力波在兩孔中間附近相遇并發生疊加;t=109.9 μs時,兩炮孔中間附近應力疊加明顯達到3 420 MPa以上,遠遠大于其他位置應力。

2)楔形掏槽應力波傳播。如圖2(b)所示,t=29.7 μs時,楔形掏槽孔的炸藥完全起爆,應力波呈錐形分布,與直眼掏槽相比,爆破速度一致;t=59.5 μs時,應力波還未傳遞到兩幫,但由于楔形孔在底部距離較近,兩個楔形掏槽孔產生的應力波在兩孔中間附近相遇并發生疊加,應力達到7 200 MPa,遠大于巖石的抗壓強度;t=99.9 μs時,應力波傳到兩幫,但由于能量在中心眼附近消耗較大,與直眼掏槽相比,兩幫的應力波強度明顯降低;t=109.9 μs時,兩孔中間附近應力疊加強度在2 370 MPa以上。

從應力波傳播的角度來看,楔形掏槽爆破由于炮孔位置較近,爆破后應力波更容易在中心孔附近積聚疊加,可以使爆破能量更多的消耗在需要破碎的兩孔之間;而直眼掏槽爆破,能量分布較為均勻,但會造成能量在兩幫過度的消耗。

1.3 爆破應力波對兩孔中間區域影響對比

為了更直觀的分析兩種掏槽爆破方式下對兩孔中間區域的影響,在兩孔中間軸向方向上每隔15 cm取一個測點,共取5個測點,依次為A,B,C,D,E。

1)直眼掏槽爆破下兩孔中間區域應力曲線。如圖3(a)所示,五個監測點的最大值都發生在109 μs時,這是因為直眼掏槽爆破,兩掏槽孔間距較大,能力傳播需要時間更長,其中A1點的最大應力為2 500 MPa,B1點最大應力為3 500 MPa,C1點的最大應力為1 300 MPa,D1點的最大應力為200 MPa,E1點最大應力僅為50 MPa。

2)楔形掏槽爆破下兩孔中間區域應力曲線。如圖3(b)所示,由于楔形掏槽眼間距較近,五個監測點的最大應力值發生在50 μs～100 μs附近。其中A2點的最大應力為5 400 MPa,B2點最大應力為6 400 MPa,C2點的最大應力為6 000 MPa,D2點的最大應力為2 500 MPa,E2點最大應力僅為1 000 MPa。

從直眼掏槽與楔形掏槽爆破對兩孔中間區域的影響來看,楔形掏槽爆破五個測點的最大應力值遠大于直眼掏槽爆破,這是因為楔形掏槽的爆破更多的消耗在兩孔中間附近,而直眼掏槽爆破的能量在兩幫消耗更多。

1.4 兩種掏槽爆破下巖體損傷破壞對比

RHT本構模型能夠在pre-post后處理中查看巖體的損傷程度。當損傷值達到1時認為巖石破碎,當損傷值為0時認為巖石沒有產生破壞。

1)直眼掏槽爆破下巖體損傷。如圖4(a)所示,t=9.9 μs～59.5 μs時,直眼掏槽孔的炸藥逐漸起爆,巖石的損傷基本沿著炮孔軸向擴展;t=79.6 μs時,由于兩幫能量積聚過大,巖體發生破壞,消耗大量的爆破能;t=109.9 μs時兩炮孔中間附近沒有造成巖石的損傷破壞,兩幫反而有較大的損傷破壞。

2)楔形掏槽爆破下巖體損傷。如圖4(b)所示,t=9.9 μs～59.5 μs時,楔形掏槽孔的炸藥逐漸起爆,巖石的損傷基本沿著炮孔軸向擴展;t=79.6 μs時,由于應力波在兩孔中間附近積聚疊加,并開始產生損傷破壞,t=109.9 μs時,兩孔中間附近巖石的損傷繼續增加,而兩幫的巖體由于能量較少沒有產生新的損傷破壞,t=149.9 μs時,兩孔中間附近的損傷與掏槽孔的損傷連成一片,造成掏槽孔附近的巖體大范圍破壞,然后由于拋擲作用從自由面拋出,符合工程預期需求。

因此從巖體損傷破壞的角度來看,與直眼掏槽相比,楔形掏槽能夠更多地把爆破能量積聚疊加在兩炮孔中間附近,造成兩炮孔中間附近大范圍損傷破壞,有利于巷道斷面巖體的破壞拋出。

2 現場應用

霍州煤電集團三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運輸巷為致密的中細粒砂巖,為硬巖巷道。根據第1節關于直眼和楔形掏槽爆破效果數值模擬研究成果,該工程巷道采用楔形掏槽爆破方案,布置4對主楔形掏槽眼,掏槽眼長度3.0 m、水平間距1.4 m、孔底間距0.2 m,其他炮孔布置如圖5所示。

楔形掏槽爆破結合配套的機械化排矸系統,三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運輸巷現場應用結果表明:炮孔利用率高,大塊率低,循環進尺達到2.5 m以上,月進尺最高為156 m,月平均進尺103 m,顯著提高成巷速度。

3 討論

由于本人的水平有限,依然存在不少問題亟待解決:1)對研究內容不夠全面。本文主要切入點是通過選擇合理的掏槽方式來提高巖巷掘進速度。而實際掏槽方式的選擇、周邊眼定向爆破控制技術、配套的全液壓鉆車及側卸裝巖機作業線三個方面需要協同作用才能最大限度提高巖巷進尺。2)研究方法單一。本文主要采用數值模擬方法進行研究,缺乏相關的理論分析,如對不同掏槽方式下爆生產物對周圍巖體地作用機理等。

4 結論

LS-DYNA數值模擬結果及霍州煤電集團三交河煤礦下組煤膠輪車輔助運輸巷楔形掏槽爆破的現場應用共同表明:楔形掏槽爆破有利于槽腔底部巖石的破碎及其拋擲,進而有利于槽腔的形成和后續出渣,大大提高實際成巷速度。因此建議硬巖巷道鉆爆法施工工程中采用楔形掏槽方式。