岩巷掘进中角柱形掏槽孔合理间距的分析与应用.pdf
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1、为了提高岩巷掘进效率,对掏槽孔合理间距进行研究与分析,以便于爆破方案设计中掏槽孔间距的选择。从角柱形掏槽入手,结合补偿空间理论和柱形药包爆破机理,推导出最适孔间距的数学计算模型,得出1 7 5mm为理论最适间距。结合理论推导和数值计算对岩巷掘进中角柱形掏槽孔的合理间距进行了分析,发现1 7 0mm孔间距的模型爆破效果最好,且有效应力随着间距的改变先减小后增大,最适间距出现在有效应力最低处。结合数值计算和现场施工效果综合分析,发现采用最适间距的爆破方案能够使平均爆破进尺增加0.7m,每循环消耗炸药量降低2.6 6k g,振速平均降低0.1 2c m/s,新方案大大降低了爆破用材,提高经济效益和掘
2、进效率,并且减少了振动带来的危害。研究结果可为角柱形掏槽爆破参数设计提供参考,对类似施工条件的爆破方案设计具有一定的参考价值。关键词:孔间距;掏槽爆破;角柱形掏槽;数学模型中图分类号:T D 2 3 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 2 0 1 3 4A n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no f r e a s o n a b l e s p a c i n go f c o r n e r c o l u m nc u th o l e s i nr o c kr o a d w a ye x c
3、a v a t i o nD U A NB a o-f u1,H O UY a-h o n g1,Z H A N GZ h e n g-x i n2,Z H A N GC h u n-w u3,S U NZ o n g-j u n1,4(1.S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,Q i n g d a o2 6 6 5 9 0,S h a
4、n d o n g,C h i n a;2.T h eF o u r t hC o n s t r u c t i o nC o.,L t d.,C h i n aC o n s t r u c t i o nE i g h t hB u r e a u,Q i n g d a o2 6 6 0 7 1,S h a n-d o n g,C h i n a;3.C h i n aR a i l w a yW u h a nS u r v e ya n dD e s i g nC o.,L t d.,W u h a n4 3 0 0 7 4,C h i n a;4.Q i n g d a oR u
5、 i h a nT e c h-n o l o g yG r o u pC o.,L t d.,Q i n g d a o2 6 6 0 6 1,S h a n d o n g,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c yo f r o c kr o a d w a ye x c a v a t i o n,t h e r e a s o n a b l e s p a c i n go f t h e c u t h o l e s i s s t u d i e da n
6、 da n a l y z e d,s oa s t of a c i l i t a t et h es e l e c t i o no ft h ec u th o l es p a c i n gi nt h eb l a s t i n gs c h e m ed e s i g n.S t a r t i n gf r o mt h ec o r n e rc y l i n d r i c a lu n d e r c u t,c o m b i n e dw i t h t h e c o m p e n s a t i o ns p a c e t h e o r ya n
7、d t h eb l a s t i n gm e c h a n i s mo f t h e c y l i n d r i c a l c h a r g e,t h em a t h e m a t i c a l c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h eo p t i m u m h o l es p a c i n gw a sd e d u c e d,a n di tw a sc o n c l u d e dt h a t1 7 5 mm w a st h et h e o r e t i c a l o p t i m u ms p a
8、c i n g.C o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n,t h er e a s o n a b l es p a c i n go fc o r n e r-c o l u m nc u th o l e s i nr o c kr o a d w a ye x c a v a t i o nw a sa n a l y z e d.I tw a sf o u n dt h a t t h em o d e lw i t
9、hah o l es p a c i n go f1 7 0mmh a dt h eb e s tb l a s t i n ge f f e c t,a n dt h ee f f e c t i v es t r e s s f i r s td e c r e a s e da n dt h e n i n c r e a s e dw i t ht h ec h a n g eo f s p a c i n g.T h ep r o p e rs p a c i n go c c u r sw h e r e t h ee f f e c t i v es t r e s s i s
10、l o w e s t.C o m b i n e dw i t hn u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sE n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):6 9-7 7o fo n-s i t ec o n s t r u c t i o ne f f e c t s,i t i s f o u n dt h a t t h eb l a s t i n gp l a nw i t ht h eo p
11、t i m u ms p a c i n gc a n i n c r e a s e t h ea v e r a g eb l a s t i n gf o o t a g eb y0.7m,r e d u c e t h ec o n s u m p t i o no f e x p l o s i v e sp e r c y c l eb y2.6 6k g,a n dr e d u c e t h ev i b r a t i o ns p e e db ya na v e r a g eo f0.1 2c m/s.T h en e w p l a ng r e a t l yr
12、e d u c e st h e T h eb l a s t i n g m a t e r i a li m p r o v e se c o n o m i ce f f i c i e n c ya n de x c a v a t i o ne f f i c i e n c y,a n dr e d u c e s t h eh a r mc a u s e db yv i b r a t i o n.T h e r e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d ear e f e r e n c e f o r t h ed e s i g
13、 no fb l a s t i n gp a r a m e t e r s f o r c o r n e r-c o l u m nu n d e r c u t s,a n dh a v eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o r t h ed e s i g no fb l a s t i n gs c h e m e sw i t hs i m i l a rc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s.K e yw o r d s:h o l es p a c i n g;u n d e
14、r c u tb l a s t i n g;c o r n e r c y l i n d r i c a l u n d e r c u t;m a t h e m a t i c a lm o d e l 煤炭资源一直在我国能源消耗中占据主导地位,是我国飞速发展的重要保障,巷道是煤矿开采的基础,是煤矿运输的“道路”1。钻爆法作为岩巷掘进中的主要技术,对巷道掘进效率的提升有重要影响。而在中深孔爆破掘进中,直掏槽的爆破进尺和效率高于斜掏槽,在多数工作面受限的巷道中,直掏槽是主要掏槽方式。为了提高掘进效率,国内外学者对含空孔直掏槽方式进行了大量研究,Z h e m i n gZ h u等2通过
15、AUTO D YNA数值模拟软件,建立了含中心空孔的岩石掏槽模型,得出了爆破作用下模型的破碎机理。P a l a z z oS3总体分析了直掏槽的碎岩机理,构建了空孔直径的爆破作用的半理论半经验公式。多数学者在对掏槽孔爆破半径和破碎机理上进行了深入的研究,在此基础上通过理论推导,形成最适理论间距的数学模型,再通过数值模拟和工程实例进行验证,得出的结论可以直接应用于实际工程,这对提高岩巷掘进效率和提升经济效益具有十分重要的意义。1 最适爆破孔和空孔间距理论计算在多数学者认同的爆炸应力波和爆生气体膨胀压力共同作用假说的基础上,在裂隙开展的经验公式中加入爆生气体的二次楔入作用,得出裂隙开展的最大长度
16、,并作为计算边界。目前常用的计算裂隙的经验公式为R L=rb(PdST)11(1)式中:R L为裂隙圈半径,mm;rb为爆破孔半径,mm;Pd为不耦合装药爆腔压力,P a;ST为岩石抗拉强度,P a;1为应力波衰减系数;为动态泊松比,=d/(1-d);d=0.8,为静态泊松比,岩石材料参数如表1所示。表1 岩石材料相关参数T a b l e1 P a r a m e t e r s r e l a t e dt or o c km a t e r i a l s岩石种类抗拉强度/MP a泊松比页岩50.2 90.3 0 2砂岩90.2 70.2 8 0石灰岩1 30.2 50.2 4 8花岗岩
17、1 80.2 20.1 8 9 其中Pd的计算公式如下:Pd=18n0D2(D炮D药)-6(2)式中:0为炸药的密度,k g/m3;D为炸药的爆轰速度,k m/s;D炮为炮孔直径,mm;D药为药卷直径,mm;n为压力增加系数。在爆破破岩中一般忽略冷压强,因此爆生气体产生的爆压可利用阿贝尔方程来计算:Pm=P0V0T2 7 3V-(3)式中:P0为标准大气压,P a;V0为爆容,L;T为炸药爆温,;V为炸药比容,L/k g;为炸药余容,c m3/g。若裂隙刚停止,裂隙中的爆生气体的准静压力依据文献4-8 和止裂条件可知P*计算如下:P*=4aKI C(4)式中:P*为止裂时爆腔内的准静压力,P
18、a;KI C为岩石断裂韧度,MP am1/2;a为爆轰波形成的裂隙长 度,mm,这 里 可 以 用R L代 替,具 体 如 图1所示。07工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4图1 炮孔间距F i g.1 B l a s t h o l es p a c i n g由于爆破作用时间很短,爆轰波和爆生气体对于裂隙的扩展时间快,因
19、此可以用平均压力P来代替2次扩展的压力:P=Pm+P*2(5)依据弹性力学可知,荷载和形状对称于轴线的圆厚壁圆筒的切向应力,由此可得下式:=P r2bR2L(6)式中:为切向应力,N。由此,结合公式(1)(6),能够得出在增加爆生气体二次楔入作用后,裂缝开展的计算公式。RL=rb2Pm+R LKI C412(7)图1显示,空孔处也会产生裂隙区,计算见下式9:孔=Pd(rbR L+2Rr)1=STRr=rb21Pd孔-R L2 (8)式中:孔为孔壁切向应力,N;Rr为反射拉伸波形成的裂隙半径,mm。通过式(7)、(8)能够得出理论上最大的裂隙长度,但并不是最优的长度,在工程中,需要考虑多种因素和
20、限制并且满足多种条件,才能适应工程条件的变化。这里需要考虑最小间距以满足补偿空间理论9-1 0,并防止碎石填满空孔,导致能量浪费,依据前人的研究给出的计算公式如下1 1:R1=2(rb+rd)2(h r2b+r2d)K-1+r2b+r2d (9)式中:R1为考虑岩石碎胀的爆破孔和空孔间距,mm;rd为空孔半径,mm;h为装药系数,即装药长度与炮孔长度之比,一般取0.71 2;K为岩石膨胀系数。通过式(9)能够得出符合补偿空间理论的爆破孔和空孔间距,依据该式得出的限制间距,能够更进一步的判断最适间距。最后通过分析柱形药包爆破机理1 3,发现岩层若要均匀开裂,必须保证柱面波在爆破孔4 5 方向上具
21、有开裂岩石的应力(见图2)。图2 柱状药包应力波分布情况F i g.2 S t r e s sw a v ed i s t r i b u t i o no f c y l i n d r i c a l c h a r g e岩层若要均匀开裂,必须保证柱面波在爆破孔轴向4 5 具有开裂岩石的应力,才能保证掏槽区域形成碎块适宜的裂隙区,而柱面波纵向应力波衰减速度相比于径向4 5 方向的应力波衰减速度过快,且为了便于研究,将纵向应力波应力忽略不计,因此选择爆破孔径向4 5 方向代替爆破孔轴向4 5 方向进行研究(见图3)。图3 爆破孔和空孔测试位置F i g.3 B l a s t i n gh
22、 o l ea n dv o i dt e s t l o c a t i o n s根据数值模拟得出距离和稳定后应力的曲线(见图4和图5)。图4 0 方向有效应力随距离变化F i g.4 V a r i a t i o no f e f f e c t i v es t r e s s i n0 d i r e c t i o nw i t hd i s t a n c e17第4期段宝福,等:岩巷掘进中角柱形掏槽孔合理间距的分析与应用E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):6 9-7 7图5 1 3 5 方向有效应力随
23、距离变化F i g.5 V a r i a t i o no f e f f e c t i v es t r e s s i n1 3 5 d i r e c t i o nw i t hd i s t a n c e通过2个拟合曲线能够看出0 方向的纵轴为数倍1 3 5 方向,依据拟合方程中的数据,发现连接处有效应力y为14倍的1 3 5 方向上的有效应力,为了简便后续计算选择2倍。该系数能够将爆破孔和空孔间距规范在一个使应力完全作用于破碎岩石的范围内,并且结合柱形药包爆破机理和补偿空间理论等限制条件进行综合考虑,最终得出数学模型。R L=rb(PdST)11RL=rb2Pm+R LKI
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