一、概述
煤礦無(wú)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(dá)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(méi)有應(yīng)用。我們以ANSYS有限元分析軟件中的LS-DYNA顯示動(dòng)力分析模塊為依托，進(jìn)行了煤礦巷道無(wú)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(jìn)行了無(wú)掏槽爆破時(shí)炮孔壁和炮孔內(nèi)巖石連續(xù)損傷演化累積過(guò)程模擬，為煤礦巷道進(jìn)行無(wú)掏槽爆破設(shè)計(jì)及參數(shù)選取提供了科學(xué)依據(jù)；進(jìn)行了無(wú)掏槽爆破機(jī)理研究及無(wú)掏槽與掏槽爆破的實(shí)驗(yàn)室模擬對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)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(guò)高速攝影觀察了無(wú)掏槽爆破的分段爆破現(xiàn)象，確定了無(wú)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(wú)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(jìn)行無(wú)掏槽爆破設(shè)計(jì)及參數(shù)選取的科學(xué)依據(jù)，通過(guò)有限元分析軟件，建立井下巖石爆炸破碎損傷模型，進(jìn)行無(wú)掏槽爆破時(shí)炮孔壁和炮孔內(nèi)巖石連續(xù)損傷演化累積過(guò)程模擬，研究不同炮孔布置參數(shù)時(shí)巖體破碎過(guò)程和發(fā)育情況。
2.無(wú)掏槽爆破與掏槽爆破效果的對(duì)比試驗(yàn)研究。對(duì)比分析兩種爆破工藝的爆破效果，確定無(wú)掏槽掘進(jìn)爆破的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。
3.煤礦巷道無(wú)掏槽爆破掘進(jìn)技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)研究。選擇煤礦巷道進(jìn)行放大試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
三、創(chuàng)造性和先進(jìn)性
1.在進(jìn)行無(wú)掏槽爆破理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了煤礦巷道無(wú)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(huì)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(wú)掏槽孔爆破形成的破裂區(qū)以孔口為端點(diǎn)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(zhǎng)度和合適炸藥裝填線密度提供了理論依據(jù)。
2.系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)掏槽、直眼掏槽與錐形掏槽爆破的實(shí)驗(yàn)室模擬對(duì)比試驗(yàn)研究，無(wú)掏槽爆破模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通過(guò)高速攝影及超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了觀測(cè)，得出了無(wú)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(dāng)?shù)慕Y(jié)果，為無(wú)掏槽爆破在煤礦巷道應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
圖1 無(wú)掏槽爆破模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖
圖2 無(wú)掏槽爆破與錐形掏槽爆破模擬試驗(yàn)爆破效果圖
3.進(jìn)行了煤礦巷道無(wú)掏槽爆破掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，取得了炮眼深度增加11%、炮眼利用率增加8%、循環(huán)進(jìn)尺增加20%、雷管總段數(shù)減少的良好爆破掘進(jìn)效果。
四、與國(guó)內(nèi)同類技術(shù)的綜合對(duì)比
1.現(xiàn)有工藝技術(shù)
目前，我國(guó)井巷掘進(jìn)仍主要采用鉆眼爆破方法破巖，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(jìn)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(diǎn)且分別存在一些不足：
（1）“‘三小’光爆錨噴巖巷掘進(jìn)技術(shù)”，其技術(shù)核心是通過(guò)減小鉆頭直徑，提高鉆眼速度，實(shí)施淺眼小循環(huán)，以“小步快走”模式加快巷道掘進(jìn)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(jìn)尺能更好的利用炸藥的爆破能量，此時(shí)使用小直徑藥卷是經(jīng)濟(jì)合理的。由于小直徑藥卷在炮眼軸向上的裝藥集中度相對(duì)較低，同時(shí)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(jìn)尺較少的情況。小直徑藥卷不宜進(jìn)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(jìn)尺，充分利用工時(shí)，減少輔助作業(yè)時(shí)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(jìn)進(jìn)尺，但是如需取得實(shí)際效果，須在施工中進(jìn)行精準(zhǔn)、復(fù)雜操作，并要求根據(jù)具體條件進(jìn)行工藝調(diào)整方可達(dá)到效果。而我國(guó)煤礦巷道掘進(jìn)施工現(xiàn)狀卻難以達(dá)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(diǎn)的淺眼小循環(huán)。為此，根據(jù)我國(guó)礦區(qū)的實(shí)際情況，應(yīng)解決我國(guó)煤礦中深孔光面爆破中的“技術(shù)先進(jìn)”與“工藝普適”這一對(duì)矛盾。
2.本技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
無(wú)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(duì)此進(jìn)行了理論探討外，試驗(yàn)研究較為稀少，工業(yè)試驗(yàn)到目前為止尚為空白。本技術(shù)通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和試驗(yàn)的方法，針對(duì)煤礦巷道無(wú)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(duì)比試驗(yàn)、工業(yè)試驗(yàn)等進(jìn)行研究。
與煤礦井下已有的爆破技術(shù)相比，無(wú)掏槽爆破掘進(jìn)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）無(wú)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(wú)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(dāng)；
（3）通過(guò)試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行了煤礦巷道無(wú)掏槽爆破應(yīng)用試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(dá)到或接近90%；循環(huán)進(jìn)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(jìn)爆破效果，提高爆破效率，對(duì)加快礦井巖巷掘進(jìn)速度，緩解采掘緊張矛盾具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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