大直径空孔直眼掏槽爆破效果的实验研究_范军平.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 大直径空孔直眼掏槽爆破效果的实验研究 范军平 1， 张召冉2， 左进京3， 赵志伟3 （1.阳泉煤业 （集团） 有限责任公司 生产技术部， 山西 阳泉 045000； 2 北方工业大学 土木工程学院， 北京 100141； 3.中国矿业大学 （北京） 力学与建筑工程学院， 北京 100083） 摘要直眼掏槽中空孔对掏槽具有重要影响， 以大直径空孔直眼掏槽和小直径空孔直眼掏槽 为研究对象， 通过理论和数值模拟分析了大直径空孔直眼掏槽破岩机理， 结合实验室实验分析 不同直径空孔直眼掏槽的爆破效果。研究表明 空孔直径对直眼掏槽的爆破效果和爆破振动均 产生重要影响， 小直径空孔振动速度峰值、 振动持续时间等参数均高于大直径空孔掏槽， 大直径 空孔比小直径空孔爆破振动速度降低 20.6； 大直径空孔掏槽爆破掏槽深度提高 20， 对掘进 工作面的破坏范围减小 30.8；结合掏槽效果及爆破能量分析，大直径空孔直眼掏槽由于空孔 提供的自由面较大， 振动消耗炸药能量要小于小直径空孔掏槽， 大部分能量用于掏槽区岩石的 破坏， 减少了爆破振动危害。 关键词井巷工程； 爆破振动； 爆破； 空孔； 直眼掏槽爆破 中图分类号TD236文献标志码A文章编号1003-496X（2020）05-0083-05 Experimental Study on Parallel Cut Blasting Effect of Large Diameter Empty-hole FAN Junping1, ZHANG Zhaoran2, ZUO Jinjing3, ZHAO Zhiwei3 （1.Yangquan Coal Industry（Group）Co., Ltd., Yangquan 045000, China;2.School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100141, China;3.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology （Beijing） , Beijing 100083, China） Abstract The empty-hole of parallel cut has an important influence on the cutting effect. Taking large-diameter empty-hole parallel cut and the small-diameter empty-hole parallel cut as the research objects, we analyzed the rock breaking mechanism of large-diameter empty-hole parallel cut through the theory and numerical simulation, and analyzed the blasting effect of empty- hole parallel cut with different diameters by combining with laboratory experiments. The research shows that the diameter of the empty-hole has an important influence on the blasting effect and blasting vibration of the parallel cut. The parameters such as the peak velocity and vibration duration of the small-diameter empty-hole are higher than those of the large-diameter hole. The blasting vibration velocity of large diameter empty hole is 20.6 lower than that of small diameter empty hole. The cutting depth of large-diameter parallel cut blasting is increased by 20, and the damage range of tunneling working face is reduced by 30.8. Combined with the analysis of cutting effect and blasting energy, the vibration consumption of blasting energy in the parallel cut with large diameter empty hole is smaller than that of the small-diameter empty-hole parallel cut due to the large free surface provided by the empty-hole. Most of the energy is used for the destruction of the rock in the cutting area, which reduces the damage of blasting vibration. Key words shaft and roadway; blasting vibration; blasting; empty-hole; parallel cut blasting 掏槽技术的选择是岩巷掘进成功与否的关键[1-2]， 直眼掏槽是广泛应用于矿山、隧道、水利水电等工 程爆破中。直眼掏槽以空孔作为自由面进行破岩， 掏槽孔平行且抵抗线相同，爆破槽腔形状规整， 施 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.016 范军平，张召冉，左进京，等.大直径空孔直眼掏槽爆破效果的实验研究［Ｊ］.煤矿安全，2020， 51（5）83-87. FAN Junping, ZHANG Zhaoran, ZUO Jinjing, et al. Experimental Study on Parallel Cut Blasting Effect of Large Diameter Empty-hole［Ｊ］. Safety in Coal Mines, 2020, 51（5）83-87. 移动扫码阅读 83 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图1自由面效应示意图 Fig.1Free surface effect 工简单。但是直眼掏槽一般需要多个不装药炮孔提 供弱自由面和碎涨空间，导致掏槽炮孔距离较近， 炮孔数量多。 基于以上原因，国内外学者开始对能够提供大 碎涨空间及自由面的大直径空孔掏槽技术及机理进 行研究。如林大能[3-4]认为掏槽爆破形成的拉应力对 破岩具有重要作用，拉应力取决于空孔直径；郭东 明等[5-6]通过数值模拟并对比分析了基于大直径的 不同直眼掏槽方案，确定最优掏槽布置方式和爆破 参数； 李萍[7]对渐进式大空孔螺旋掏槽技术进行研 究， 确定了合理炮孔数目、 空孔直径等参数； 刘优平 等[8]认为空孔的应力集中效应对破岩影响较大， 大 直径空孔有利于提高爆破效果。宗琦等[9]利用数值 模拟的方法得到空孔具有自由面、补偿空间、应力 集中效应。汪海波等[10]认为大直径空孔的存在使得 应力波峰值提高为无空孔时的 2.2 倍。 从以上分析可以看出，大直径空孔直眼掏槽技 术已经成为行业的热点问题，从大直径空孔破岩机 理出发，以数值模拟为手段探讨大直径空孔爆破时 应力波传播规律及爆破振动特性，结合实验室试验 分析其爆破效果。 1大直径空孔直眼掏槽破岩机理 1.1应力集中效应 掏槽孔炸药爆炸后，冲击波衰减为应力波在岩 石介质中传播，当到达空孔孔壁时发生反射，空孔 附近岩石介质中应力值相对于无空孔时要大，此为 空孔的应力集中效应。应力集中后，在炮孔与空孔 联线处产生最大拉应力 σmax，当 σmax大于岩石的动 态抗拉强度时， 空孔处会出现径向裂纹。σmax表达式 如式 （1 ） σmax （1-3λd） p0 r1 L-r2 “ α （1） 式中 λd为侧应力系数，与动态泊松比有关； p0 为透射入炮孔壁的初始压力， MPa； r1为炮孔半径， m； r2为空孔半径， m； L 为炮孔到空孔距离， m； α 为 应力波衰减系数。 1.2自由面效应 当炸药爆炸后， 应力波在岩石介质中传播， 当到 达自由面时会发生应力波的反射，此时压缩应力波 变为拉伸应力波，自有面处岩石受到拉伸应力， 由 于岩石的抗拉强度仅为抗压强度的 1/8～1/15，如果 反射的拉伸应力波的强度大于岩石抗拉强度，则自 由面处岩石被拉伸破坏，此即为空孔的自由面效 应， 自由面效应示意图如图 1。 1.3碎涨空间效应 岩体爆破后体积具有增大特性，增大后体积为 被爆岩体体积的 Ks倍， Ks为岩石的碎涨系数。增大 的部分体积需要新的空间来容纳，若无多余体积容 纳，破碎的岩石无运动空间，容易导致炮孔利用率 降低， 致使掏槽失败。大直径空孔提供的大空间， 使 得炮孔在径向的抵抗线最小，破碎的岩石优先向空 孔方向运动，大空孔提供的空间能抵消掉岩石的碎 涨体积，有利于岩石运动和抛掷出腔，此即为空孔 的碎涨空间效应。 2大直径空孔直眼掏槽数值模拟 2.1模型参数 为分析大空孔直眼掏槽爆破过程中掏槽区内应 力变化规律， 建立有限元模型， 模型长、 宽、 高分别 为 4.5、 1.8、 1.8 m。中心大空孔直径为 400 mm， 深度 为 3 m， 炮孔直径为 42 mm， 装药长度 2 m， 堵塞长 度 1 m。 考虑到模型对称性， 兼顾计算的可行性， 取 1/ 4 模型计算， 单位总数计 40 万。中心大空孔周围 4 个 菱形炮眼先起爆， 5 ms 后大空孔最外围 4 个矩形炮 眼起爆。沿炮孔轴向在距掏槽孔 300 mm 处从孔底 开始均匀布置 4 个测点考察其应力变化情况。 2.2应力传播规律 直眼掏槽应力云图如图 2。各测点有效应力曲 线如图 ３。 从图 2 可以看出， 当内掏槽孔首先爆破后， 2 000 μs 时在掏槽孔与炮孔之间区域形成高应力强度区， 以空孔中心为轴对称分布，并且在空孔附近应力强 度最大， 该区域应力强度达到 200 MPa 以上， 应力 84 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图3各测点有效应力曲线 Fig.3Effective stress curve of each measuring point 图2直眼掏槽应力云图 Fig.2Stress cloud diagram of straight-cut 波开始凸起状向孔口附近传播，其他区域随着应力 波强度的衰减逐渐降低。结合图 3 可知，到达测点 时应力强度已经衰减为 20 MPa 左右。5 000 μs 时 外掏槽孔起爆， 1 000 μs 后在炮孔附近形成高应力 区， 并逐步向炮孔外部传播， 到 8 000 μs 时， 形成以 空孔为中心的高应力区， 应力强度可到 100 MPa 左 右，且应力分布较为均匀，对该区域内岩石进行破 坏，同时从自由面返回的应力波与其叠加，增加了 其强度。而后逐渐衰减， 到 16 000 μs 时已经衰减为 1015 MPa。 结合图 3 可以看出，炸药的第 1 次起爆和第 2 次起爆在岩石中形成 2 个应力峰值，应力达到峰值 后先下降后上升，持续一段时间后再逐渐降低。主 要原因为第 1 次起爆， 由于空孔对应力波的反射， 由 于反射回的应力波对应力波强度的增强作用，使其 重新上升到较高的应力强度，而后逐渐降低。第 2 次应力峰值是在第 2 次起爆后与第 1 次起爆残余应 力波叠加导致， 此时槽腔已经形成， 应力波在新自由 面处反射， 同样增强了应力波强度， 持续较长时间后 开始衰减。可以看出，由于大空孔的存在为掏槽孔 的破岩提供较强的应力波强度及延长了应力波作用 时间。可以看出， 大空孔直眼掏槽技术中， 空孔的自 由面效应显著， 有利于掏槽区岩石的破碎。 3大直径空孔直眼掏槽爆破实验 3.1模型掏槽方案 模型试验一般按照相似比进行确定，本次实验 确定几何相似比 K10。 为验证空孔直径对爆破振动 85 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图4掏槽炮眼布置图 Fig.4Arrangement of cut blasthole 图5实验后掏槽腔体变化 Fig.5Changes in the cavity after the experiment 表1水泥砂浆模型物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of cement mortar model 配比 密度/ （g cm-3） 抗压强度 δc/MPa 抗拉强度 δt/MPa 弹性模量 E/GPa 泊松比 1∶2∶0.452.2417.50.662.4940.28 的影响，选取实际直径为 400 mm 和直径 42 mm 作 为含空孔直眼掏槽的原型方案。实际掏槽方案的技 术参数如图 4。大空孔直径为 400 mm、 小空孔直径 为 42 mm，所有炮孔均垂直于模型表面，即掏槽孔 及空孔钻孔角度均为 90。 由于模型炮孔制作特别是装药方面的原因， 模 型炮眼直径采用 8 mm， 原型炮眼直径为 42 mm， 原 型炮眼直径与模型炮眼直径比约为 5.25， 与几何尺 寸相似要求有些差别， 当炮眼长径比较大 （＞10 mm） 时，对实验产生的结果影响较小。其他掏槽参数的 尺寸按照相似比 K 进行等比例缩小。 3.2模型制作 1 ） 模具的制作。根据试验要求， 本实验采用直 径 800 mm、 高 300 mm、 壁厚为 3 mm 无盖有底的铁 桶作为实验中盛放水泥砂浆的容器。同时为了确保 炮孔位置的准确性，预先制作定位模板装置。模型 的掏槽炮眼严格按照图 4 的尺寸制作，直眼掏槽空 孔直径分别为大空孔直径 D40 mm，小空孔直径 d8 mm， 炮孔深度均为 150 mm。 2 ） 模型材料。所用的材料为水泥砂浆， 其配比 为水泥∶砂∶水1∶2∶0.45。其中水泥为 PO.42.5R 普通 硅酸盐水泥， 砂子是中砂， 水为饮用自来水。浇注过 程边浇注边振动，以减少混凝土中的气泡，常温养 护 28 d。 3.3装药方式及起爆 为避免炸药集中于炮孔底部，影响爆破模拟效 果， 设计了一种装药方便的药包， 药径为 6 mm， 外 壳为硬质管。药包采用叠氮化铅（RDX） 作为起爆 药，每只药包 200300 mg， RDX 作为主爆药，药量 200 mg。 采用 MD-2000 多通道脉冲点火器进行同时 点火，先引爆起爆药叠氮化铅，由叠氮化铅引爆黑 索金，既能确保每个药包都能起爆，又能有足够的 爆炸威力。 3.4实验过程 爆破振动实验采用 TC-4850 爆破测振仪、 实验 开始之前首先测定标准试件的力学参数，水泥砂浆 模型物理力学参数见表 1。 实验过程先装药每个炮孔中装入 1 个药包， 然 后用黄土和砂的混合物封实； 装药检查无误后， 用石 膏液把测振仪固定在距离炮孔中心的 x、 y 方向， 距 离炮孔中心为 350 mm， 使 y 方向对准炮孔中心。 4实验结果 4.1爆破效果 实验后掏槽腔体变化如图 5。从图 5 可以看出， 小直径空孔对模型的破坏范围很大，但是形成的掏 槽深度较浅，而大直径空孔掏槽对模型的破坏范围 较小，且掏槽深度较深。掏槽腔体深度和破坏范围 对比见表 2。 从表 2 可以看出， 大直径比小直径破坏 范围要小 30.8， 而掏槽深度增加 20。 4.2振动速度 大空孔掏槽爆破振动数据见表 3。从表 3 可以 86 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 表2掏槽腔体深度和破坏范围对比 Table 2Comparison of the depth and failure range of the cavity 掏槽类型最大破坏面直径/cm掏槽深度/cm 大空孔 小空孔 45 65 15.0 12.5 表3大空孔掏槽爆破振动数据 Table 3Blasting vibration data of large empty-hole cut 通道 名称 最大值/ （cm s-1） 主频/ Hz 时间/ s 量程/ （cm s-1） 通道 x 通道 y 通道 z 20.487 -57.318 -45.675 378.789 135.135 75.988 0.000 90 0.002 32 0.001 48 69.686 69.686 69.686 表4小空孔爆破振动数据 Table 4Blasting vibration data of small hole 通道 名称 最大值/ （cm s-1） 主频/ Hz 时间/ s 量程/ （cm s-1） 通道 x 通道 y 通道 z -29.359 -62.091 -62.101 5.310 149.701 247.525 0.291 60 0.003 02 0.002 92 69.686 69.686 69.686 看出，大空孔掏槽爆破 x、 y、 z 方向爆破振动上的最 大值为 20.5、 57.3、 46.7 cm/s。最大合速度为 76.71 cm/s；小空孔爆破振动数据见表 4。从表 4 可以看 出，小空孔掏槽爆破 x、 y、 z 方向爆破振动上的最大 值为 29.4、 62.1、 62.0 cm/s， 合速度为 92.3 cm/s， 合速 度比大直径空孔掏槽合振速提高 20.6。所以无论 从 x、 y、 z 3 个方向上观测， 还是从合速度上分析， 小 空孔掏槽所产生的爆破振动要比大空孔掏槽要大。 4.3振速与爆破效果综合 由于模型体积及质量基本相同，结合振动速度 及爆破效果分析，小直径空孔掏槽振动速度大， 掏 槽深度小、振动时间长，充分说明小直径空孔掏槽 爆破能量中用于振动的要多于大直径空孔。换句话 说，大直径掏槽在破岩方面对爆破能量的利用更 高。综上分析可得，空孔直径的大小对于改变爆破 效果及爆破振动有重要影响。 5结论 1 ） 直眼掏槽爆破中， 空孔直径对直眼掏槽的爆 破效果和爆破振动均产生影响，大直径空孔掏槽效 果要优于小直径掏槽，而爆破振动危害要小于小直 径掏槽。 2） 小直径空孔掏槽爆破振动持续时间长及振动 速度高，说明小直径掏槽爆破振动对爆破能量的消 耗要高于大直径空孔掏槽。 3） 在直眼掏槽中， 要取得良好的爆破效果及消 除爆破振动危害的影响，在条件允许的条件下尽量 选择大直径空孔直眼掏槽技术。 参考文献 ［１］ 张召冉， 杨仁树．岩石巷道 “多阶段” 掏槽技术及应用 研究 ［Ｊ］ ．岩石力学与工程学报， ２０１９， ３８ （３） ５５１. ［２］ 杨仁树．我国煤矿岩巷安全高效掘进技术现状与展望 ［Ｊ］ ．煤炭科学技术， ２０１３， ４１ （９） １８－２３． ［３］ 林大能， 陈寿如．空孔直眼掏槽成腔模型理论与实践 分析 ［Ｊ］ ．岩土力学， ２００５， ２６ （３） ４７９－４８３． ［４］ 林大能．平巷掏槽爆破空孔尺寸效应及围岩频繁震动 损伤累积特性研究 ［Ｄ］ ．长沙 中南大学， ２００６ ２１－３８． ［５］ 郭东明， 王豪， 李孝林， 等．益新矿中心大空孔掏槽爆 破扩腔过程数值分析 ［Ｊ］ ．爆破， ２０１７， ３４ （２） ９－１４． ［６］ 郭东明， 李旭鹏， 王汉军， 等．益新煤矿中心大空孔掏 槽爆破现场试验研究 ［Ｊ］ ．中国矿业， ２０１６， ２５ （４） ８２. ［７］ 李萍．渐进式大直径空孔螺旋掏槽爆破参数的研究 ［Ｄ］ ．武汉 武汉理工大学， ２０１０ １０－２９． ［８］ 刘优平， 周正义， 黎剑华．井巷掏槽爆破中空孔效应的 理论与试验分析 ［Ｊ］ ．金属矿山， ２００７ （２） １２－１４． ［９］ 宗琦， 邵连军．立井深孔直眼掏槽大直径中心空孔作 用分析和参数计算 ［Ｊ］ ．爆破， ２０１５， ３２ （１） １１－１５． ［１０］ 汪海波， 宗琦， 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