岩巷定向断裂控制爆破机理与参数优化研究——已经打印

岩巷定向断裂控制爆破机理与

参数优化研究

薛勇军

(山西焦煤集团有限责任公司,山西省太原市,030024)

摘 要 分析了岩巷定向断裂控制爆破的原理,阐述了定向断裂爆破施工中的优化参数设计及影响串向断裂爆破的因素。利用定向断裂控制爆破技术,可有效控制岩巷周边成形,增强围岩稳定性、减少支护材料费用。

关键词 岩巷 定向断裂 机理 参数 研究

定,见图2。A方向和B方向上的管壁压力是其他方向上压力的3󰀁6倍,由于在缺口处压力产生突变,给剪切破坏创造了有利条件。当相邻两炮孔切缝方向成一条直线时,相邻炮孔连心线方向产生应力集中,当其压力大于围岩抗压强度时即产生定向破裂。

1 定向断裂控制爆破机理

根据岩石的爆破机理,炸药爆破作用可分为两个方面,一是冲击波或应力波的破岩作用,二是爆炸气体的膨胀作用。定向断裂控制爆破技术是利用具有一定强度的定向切缝管,对柱形炸药爆炸后的冲击波或应力波的传播进行控制,使其沿着某一确定的方向传播,以达到定向爆破的目的,见图1。

图1 炮孔内装药断面图

位于定向切缝管内的炸药在爆炸时,由于切缝管的约束,冲击波或应力波沿切缝口处直接向外传播作用于炮孔壁上(A点和B点),其压力为P1,而在其他向因切缝管的阻尼产生位移变形,吸收部分能量,其到达孔壁上的压力为P2。则:

P2=P1-k!󰀁

式中:k󰀂󰀂󰀂切缝管时能量衰减系数;

󰀁󰀂󰀂󰀂切缝管壁厚。

通过采用动光弹爆破加载和超动态光电测试技术,对定向断裂炮孔爆炸动应力场参数进行了测

岩巷定向断裂控制爆破机理与参数优化研究图2 定向爆破裂缝扩展图

2 参数优化2󰀁1 炮孔间距

炮孔间距视炸药性能、围岩性质而定,在定向断裂控制爆破中,由于有定向切缝管的约束作用,炸药能量集中定向传播,在相邻炮孔连心线方向的应力远远大于同条件下光爆中相邻炮孔连心线方向的应力,故可在光爆周边孔间距的基础上适当增大

29炮孔间距,提高爆破效果。一般选取硬岩为500~600mm;中硬岩为450~550mm;软岩为400~500mm。

2󰀁2 装药结构

目前集团公司岩巷爆破炮孔深多在2m以下,采用预留空气柱不耦合装药结构。对于光面爆破,由于炸药是直接置于炮孔当中,空气柱的长度不易控制,如果空气柱过大,失去均衡孔壁压力的作用,甚至在孔口部位出现∀挂门帘#等不良效果,空气柱过小,则会造成局部超、欠挖。

在定向断裂控制爆破中,根据所需柱状药量的多少,计算出最佳空气柱的长度,加工特种长度的定向切缝管,使空气预留在切缝管中,再在炮孔内用炮泥填塞至切缝管处,见图3。

心开始,由里向外,起爆微差时间依次变小(表1)。

表1 孔深与微差时间的关系

孔深/m1󰀁52󰀁02󰀁5

掏槽-辅助

/ms100133167

辅助-崩落

/ms75100125

崩落-周边

/ms6080100

3 影响爆破效果的因素

3󰀁1 岩石结构面对定向断裂控制爆破的影响

一般岩体内的结构面分层理面和节理面,各种结构面的黏结力远远小于岩体内聚力,在爆破时,这些结构面容易首先产生断裂,因而对定向断裂爆破中超、欠挖具有一定的影响。根据现场观察,当结构面与相邻炮孔连心线夹角在60~90∃之间时,断裂方向基本与炮孔连心线一致,当结构面与相邻炮孔连心线夹角小于60∃时,断裂呈锯齿状,在25~35∃时,结构面对定向爆破理想断裂面的形成最为不利,见图4。

图3 装药结构示意图

2󰀁3 装药量

定向断裂控制爆破比光面爆破更有利于保护围岩,但装药量是保证爆破效果的关键参数。实践证明,在其他条件(如岩石、炸药品种、炮孔尺寸等)相同的情况下,定向断裂控制爆破的装药量应大于光面爆破的装药量,同时要注意药量太大则可能产生较大的超挖。由于集团公司目前多为浅孔爆破,一般选取硬岩药量为200~300g;中硬岩药量为150g~200g;软岩药量为100g~150g。2󰀁4 炮孔堵塞

为了保证爆炸能量得到充分利用,定向断裂控制爆破炮孔应堵塞。由于加工切缝管时已经考虑了预留空气柱问题,故炮泥要填塞至定向切缝管处。

堵塞长度视切缝管内装药量或围岩岩性而定,一般软岩可按孔间距的40%、中硬岩可按孔间距的60%、坚硬岩可按孔间距的80%作为堵塞长度,采用粘土作为堵塞材料,在特殊环境下应加水炮泥。

2󰀁5 爆破微差时间的确定

在通常井巷爆破施工中,常按顺序布置掏槽、辅助、崩落和周边孔等几圈炮孔,各圈之间采用微差顺序起爆,其目的是为了给下一圈炮孔提供第二自由面。微差时间可通过炸药爆轰阶段、断裂阶段和岩石抛掷阶段的时间来计算,一般由掘进断面中30图4 层状岩体定向断裂爆破裂缝形状图

在层理或节理发育带内实施定向断裂爆破时尽可能减少炮孔间距,减少装药量。

3󰀁2 切缝管置入后切缝方向的影响

在井下掘进爆破施工中,要求放炮员在周边眼装药时,应将切缝管的切缝方向与半圆拱相切。但在实际操作中,难免会出现一定的误差,只要控制在一定的范围内,这种误差是可以接受的。切缝角度对巷道成形影响分析,见图5。

A、B为两相邻炮孔,O󰀂O为相邻炮孔连线方向,C󰀂D为切缝方向,两者间夹角为󰀂。设炮孔间距为S,当周边眼同时起爆时,A、B所形成的断裂应在其中点相交,但由于切缝管放置的误差S!tg󰀂,不同周边眼间2

距在不同的超欠挖情况下的切缝误差角度见表2。角󰀂,导致超、欠挖:W=

从表中看到,即使切缝管的切缝方向不能沿巷道周边轮廓线方向,只要在

(下转第33页)

中国煤炭第32卷第11期2006年11月

应力增大的同时,径向应力减小,围岩由三向应力状态变成两向应力状态。

由以上可以看出,巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力并不是由工程力全部承担,而是由软岩发生弹塑性变形所释放的能量,围岩自身的承载力和工程力共同承担。深部软岩巷道在支护过程中允许围岩进入塑性状态,塑性区的出现使应力集中区从岩壁向纵深偏移,围岩能量充分释放并提高自身承载力,使巷道在处于稳定状态下所需的工程力变小,有利于巷道稳定和控制。

4可以看出采取这种支护措施以后,巷道顶板的塑性破坏范围减少,拉、剪破坏程度也相应减少;巷道顶底受力大于两帮受力,所以应该继续加强顶底管理,以便与更好地维护巷道。这与现场观测取得的结论相似,说明实验取得了很好的效果。4 主要结论

(1)深井高应力软岩巷道支护过程中要充分利用支架与围岩共同作用的原理,发挥围岩自身的承载能力。

(2)巷道在支护时必须有效地释放围岩能量,遵循∀先让后抗#的支护原则;根据巷道围岩的变形速率选择最佳二次支护时间。

参考文献:

[1] 付国彬,姜志方󰀁深井巷道矿山压力控制[M]󰀁徐州:中国矿业大学出版社,1996

[2] 王汉峰,田海峰复合支护在软岩巷道中的应用[J]󰀁煤炭技术,No󰀁3,2000

[3] 何满潮,王树仁󰀁大变形数值方法在软岩工程中的应用[J]󰀁岩土力学,No󰀁2,2004

[4] 陈玉萍,张生华󰀁软岩巷道二次支护最佳时间的研究[J]󰀁矿山压力与顶板管理,No󰀁2,2003

[5] 刘波,韩彦辉󰀁FLAC原理实例及应用指南[M]󰀁北京:人民交通出版社,2005

图4 巷道垂直方向受力分布

本文依据试验工程地质条件和技术条件,运用FLAC有限差分数值计算软件,对深井高应力软岩巷道支护效果进行了定性的模拟,用来更好的指导试验,进一步完善支护参数和支护技术。从图3、(上接第30页) 允许超、欠挖范围内,一定的角度误差对巷道成形效果的影响是有限的。

(责任编辑 王雅琴)

缝方向与巷道轮廓线方向的夹角小于15∃。4 应用岩巷定向断裂控制爆破技术的优点

(1)由于爆炸能量沿切缝方向集中释放,使得爆炸对围岩的破坏减小,最大限度地保持了围岩自身的强度,从而增强了围岩自承能力,延长巷道使

图5 分析角度影响示意图

表2 不同眼间距在不同超欠挖情况下󰀂值超欠挖/mm

5080100150

不同眼间距󰀂/(∃)

450mm500mm550mm600mm650mm700mm

用年限。

(2)可以使周边眼间距增加50%~100%,减少工人劳动强度与工作量。

(3)周边不平整度不超过100mm,利于巷道成形,减少通风阻力。

(4)节约爆破和支护费用,平均每米岩巷节约支护成本200元左右。

参考文献:

[1] 马乃耀等󰀁爆破施工技术󰀁北京:中国铁道出版社,1985

[2] 杨永琦󰀁矿山爆破技术与安全󰀁北京:煤炭工业出版社,1991

12󰀁720󰀁425󰀁538󰀁2

11󰀁518󰀁322󰀁934󰀁4

10󰀁416󰀁720󰀁831󰀁1

9󰀁615󰀁319󰀁128󰀁7

8󰀁814󰀁117󰀁626󰀁5

8󰀁213󰀁116󰀁424󰀁6

在井下施工中,若周边眼间距在600mm以内、切缝管的切缝角度误差为15∃时,超、欠挖仍能控制在100mm以内。因此,在施工中要确保切

深井高地压软岩巷道二次支护技术研究及应用(责任编辑 王雅琴)

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