一、概述
煤礦無掏槽爆破技術(shù)具有顯著降低巖體約束力和增加炸藥最有效破壞力的作用，從而達到很好的中深孔光面要求，并具有較好的工藝穩(wěn)定性，但研究成果較少且在煤炭行業(yè)沒有應(yīng)用。我們以ANSYS有限元分析軟件中的LS-DYNA顯示動力分析模塊為依托，進行了煤礦巷道無掏槽爆破巖石損傷數(shù)值模擬分析，建立了煤礦井下巖石爆炸破碎損傷模型，進行了無掏槽爆破時炮孔壁和炮孔內(nèi)巖石連續(xù)損傷演化累積過程模擬，為煤礦巷道進行無掏槽爆破設(shè)計及參數(shù)選取提供了科學依據(jù)；進行了無掏槽爆破機理研究及無掏槽與掏槽爆破的實驗室模擬對比試驗，對比分析了爆破效果和爆炸在巖石內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變波形差異，通過高速攝影觀察了無掏槽爆破的分段爆破現(xiàn)象，確定了無掏槽爆破的優(yōu)越性及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。
二、關(guān)鍵技術(shù)
1.煤礦巷道無掏槽爆破巖石損傷數(shù)值模擬分析。為提供煤礦巷道鉆爆工程中進行無掏槽爆破設(shè)計及參數(shù)選取的科學依據(jù)，通過有限元分析軟件，建立井下巖石爆炸破碎損傷模型，進行無掏槽爆破時炮孔壁和炮孔內(nèi)巖石連續(xù)損傷演化累積過程模擬，研究不同炮孔布置參數(shù)時巖體破碎過程和發(fā)育情況。
2.無掏槽爆破與掏槽爆破效果的對比試驗研究。對比分析兩種爆破工藝的爆破效果，確定無掏槽掘進爆破的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。
3.煤礦巷道無掏槽爆破掘進技術(shù)工業(yè)試驗研究。選擇煤礦巷道進行放大試驗，對相關(guān)技術(shù)進行驗證。
三、創(chuàng)造性和先進性
1.在進行無掏槽爆破理論分析的基礎(chǔ)上，進行了煤礦巷道無掏槽爆破巖石損傷數(shù)值模擬分析，并得到以下結(jié)論：初始地應(yīng)力增大將會減小爆破損傷區(qū)半徑，增加損傷衰減速度，削弱炮孔作用范圍；無掏槽孔爆破形成的破裂區(qū)以孔口為端點呈類似橢圓體分布，在孔底形成超挖；上段爆破易影響下段爆破效果。該分析為確定炮孔間距、堵塞體質(zhì)量及長度和合適炸藥裝填線密度提供了理論依據(jù)。
2.系統(tǒng)進行了無掏槽、直眼掏槽與錐形掏槽爆破的實驗室模擬對比試驗研究，無掏槽爆破模擬實驗裝置如圖1所示，對比試驗結(jié)果如圖2所示。通過高速攝影及超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進行了觀測，得出了無掏槽爆破較之掏槽爆破槽腔體積更大、炸藥循環(huán)消耗量節(jié)約5%～6%、應(yīng)變峰值和能量衰減率相當?shù)慕Y(jié)果，為無掏槽爆破在煤礦巷道應(yīng)用提供了實驗依據(jù)。
圖1 無掏槽爆破模擬實驗裝置圖
圖2 無掏槽爆破與錐形掏槽爆破模擬試驗爆破效果圖
3.進行了煤礦巷道無掏槽爆破掘進技術(shù)現(xiàn)場試驗研究，取得了炮眼深度增加11%、炮眼利用率增加8%、循環(huán)進尺增加20%、雷管總段數(shù)減少的良好爆破掘進效果。
四、與國內(nèi)同類技術(shù)的綜合對比
1.現(xiàn)有工藝技術(shù)
目前，我國井巷掘進仍主要采用鉆眼爆破方法破巖，而且在今后相當長的時期內(nèi)炮掘仍然是主要方法。煤礦推廣較多的鉆爆工藝技術(shù)為“‘三小’光爆錨噴巖巷掘進技術(shù)”與“中深孔光面爆破技術(shù)”。兩者具有各自的技術(shù)特點且分別存在一些不足：
（1）“‘三小’光爆錨噴巖巷掘進技術(shù)”，其技術(shù)核心是通過減小鉆頭直徑，提高鉆眼速度，實施淺眼小循環(huán)，以“小步快走”模式加快巷道掘進速度。但是，藥卷直徑與巷道斷面大小有密切關(guān)系。巷道斷面小，采用小循環(huán)進尺能更好的利用炸藥的爆破能量，此時使用小直徑藥卷是經(jīng)濟合理的。由于小直徑藥卷在炮眼軸向上的裝藥集中度相對較低，同時又要盡可能地使炸藥能量合理分布，因此適應(yīng)巷道斷面較小且循環(huán)進尺較少的情況。小直徑藥卷不宜進行中深孔或深孔爆破作業(yè)。
（2）“中深孔光面爆破技術(shù)”，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在增加一次循環(huán)炮孔深度，提高單循環(huán)進尺，充分利用工時，減少輔助作業(yè)時間，充分利用設(shè)備潛能，減少爆破器材用量和釬具消耗。雖然理論上中深孔光面爆破具有多種掏槽方式可以改進進尺，但是如需取得實際效果，須在施工中進行精準、復(fù)雜操作，并要求根據(jù)具體條件進行工藝調(diào)整方可達到效果。而我國煤礦巷道掘進施工現(xiàn)狀卻難以達到這種理想狀態(tài)，不能形成有效的常態(tài)工藝，往往是技術(shù)支持一撤走即恢復(fù)原狀，即：以斜眼掏槽為特點的淺眼小循環(huán)。為此，根據(jù)我國礦區(qū)的實際情況，應(yīng)解決我國煤礦中深孔光面爆破中的“技術(shù)先進”與“工藝普適”這一對矛盾。
2.本技術(shù)的優(yōu)勢
無掏槽爆破技術(shù)在理論上具有很好的增加破巖有效力、降低最小抵抗線、形成較大漏斗體積等作用，在隧道、鐵路及水電等工程中得以很好應(yīng)用。煤炭行業(yè)除了部分高校對此進行了理論探討外，試驗研究較為稀少，工業(yè)試驗到目前為止尚為空白。本技術(shù)通過理論分析、數(shù)值模擬、實驗室試驗、現(xiàn)場應(yīng)用和試驗的方法，針對煤礦巷道無掏槽爆破巖石損傷理論研究、數(shù)值模擬分析、與掏槽爆破效果的對比試驗、工業(yè)試驗等進行研究。
與煤礦井下已有的爆破技術(shù)相比，無掏槽爆破掘進技術(shù)具有以下優(yōu)勢：
（1）無掏槽爆破技術(shù)可顯著降低巖體約束力和增加炸藥最有效破壞力；
（2）無掏槽爆破較之掏槽爆破槽腔體積更大，炸藥循環(huán)消耗量節(jié)約5%～6%，應(yīng)變峰值和能量衰減率相當；
（3）通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)取得了炮眼深度增加11%、炮眼利用率增加8%、循環(huán)進尺增加20%、雷管總段數(shù)減少的良好效果。
五、應(yīng)用效果
目前，已在某礦井下進行了煤礦巷道無掏槽爆破應(yīng)用試驗。從試驗結(jié)果來看，由于孔內(nèi)用了分段裝藥起爆，在不增加材料消耗的情況下，有效降低了抵抗線，增加了有效爆力，使得炮眼深度增加11%、利用率增加8%，普遍達到或接近90%；循環(huán)進尺增加20%；雷管總段數(shù)減少；爆破塊度均勻。
綜上所述，該技術(shù)能夠改進爆破效果，提高爆破效率，對加快礦井巖巷掘進速度，緩解采掘緊張矛盾具有重要的現(xiàn)實意義。
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