地应力影响下的五孔掏槽爆破岩石损伤效应研究

在地下矿山开采过程中,地应力对巷道掘进效率的影响日益显著。本研究以某地下铁矿为研究对象,采用有限元软件LS-DYNA模拟不同地应力条件下五孔掏槽爆破掏槽孔孔间延期时间对岩石损伤程度的影响。通过现场爆破实验和块度识别软件验证模拟结果,探究了地应力、孔间延期时间与岩石损伤程度之间的关系。研究结果表明,地应力由0 MPa增加到10 MPa,五孔掏槽爆破掏槽孔最佳延期时间由60 ms减少为10 ms,相应的岩石损伤程度降低79%。地应力对爆破远区岩石裂纹的发育影响较大,而对近区影响较小。现场实验进一步证实了数值模拟的结论,表明可以根据实际地应力大小合理设置延期时间,有效降低大块率,提高爆破效率。

孔内多分段掏槽爆破数值模拟及实验研究

针对传统煤矿巷道掏槽爆破成本高、炮孔利用率低等问题,提出了一种孔内多分段掏槽爆破技术。通过采用ANSYS/AUTODYN数值模拟软件建立直眼掏槽、楔形掏槽和孔内多分段掏槽3组仿真模型,结合SPH算法进行仿真计算,对比分析了不同掏槽爆破模型的进尺效果,并针对孔内多分段掏槽爆破方法进行了现场缩比实验。研究表明:孔内多分段掏槽爆破模型理论上具有改善掘进面掏槽区自由面形态、破除岩石夹制力、增强爆破作用力等多种优点;仿真结果显示孔内多分段掏槽模型炮孔利用率可达97%,高于直眼掏槽和楔形掏槽;现场缩比实验结果表明,孔内多分段掏槽爆破进尺效果良好,最高可达100%,充分证明了孔内多分段掏槽爆破技术的优越性。

超前钻孔直径对高应力巷道卸压及掏槽爆破效果影响研究

随着煤炭开采逐步向深部推进,巷道开挖过程中应力集中问题日益突显,亟需有效解决。本文采用Ansys/Ls-Dyna数值模拟软件,针对高应力环境下不同超前钻孔直径对巷道卸压效果及掏槽爆破效果的影响进行了系统研究。利用ImageJ图像处理软件对巷道掏槽爆破损伤云图进行了详细分析。结果表明,随着超前钻孔直径的增加,钻孔孔底至岩石内部区域的有效应力逐渐降低,有效实现了卸压作用;随着超前钻孔直径的增大,掏槽爆破岩石块度逐渐减少,小块度占比显著增加,且在大直径钻孔爆破中岩石块度的分布更为均匀。研究成果对提升高应力巷道掏槽爆破效果具有重要指导意义。

金属矿山硬岩巷道分阶段掏槽爆破数值模拟研究

针对地下金属矿山深部硬岩强度高,掏槽难度大,掘进效率低下的问题,以首钢杏山地下铁矿巷道掘进项目为背景,基于数码电子雷管精准逐孔起爆,提出针对直眼桶形掏槽爆破的掏槽区孔内分段与孔间、孔内延时相结合的分阶段爆破方案。采用数值模拟以及现场试验方式,在现场原传统方案的基础上,对掏槽区炮孔进行孔内分段、孔间以及孔内微差起爆的分阶段起爆设置。通过LS-DYNA数值模拟软件建立掏槽区三维模型,设置了原传统方案和3种分阶段方案进行模拟计算,对比分析了原传统爆破方案和分阶段方案在掏槽区的有效应力峰值演化情况。数值模拟结果表明:采用孔间短延时分阶段爆破方案能够改变有效应力峰值波动形态,与原传统方案相比,掏槽区沿炮孔方向岩体的有效应力峰值状态提升40%~57%,炮孔底部0~30 cm半径岩体有效应力峰值状态提升幅度在84%~92%。在数值模拟结果的基础上,开展了现场试验验证,现场试验表明:在矿石点位掘进中,采用孔间短延时微差起爆能够改善碎石挤死的现象,采用孔内短延时微差起爆能够提高抛掷能力,改善上段炮孔爆破后产生碎石的抛掷效果,避免影响后续炮孔爆破,在硬岩爆破中二者结合可以明显改善爆破效果,掏槽进尺提高28%;在岩石点位掘进中,采用孔间短延时,孔内长延时设置能获得良好的掘进效果。

楔形掏槽分段延时爆破技术研究

常规钻爆法施工中,掏槽孔同时起爆,爆破所产生的振动很大,对围岩稳定性和周围建(构)筑物产生不利影响。针对爆破振动过大的问题,提出了楔形掏槽分段延时爆破技术。首先,通过优化掏槽起爆方式,结合电子雷管精确延时的特性,提出将掏槽孔起爆顺序进行分类、优化的楔形掏槽分段爆破延时技术,即先爆孔先起爆,后爆孔后起爆,先爆孔爆破后为后爆孔提供新的自由面;然后,建立了先爆孔爆破后腔体模型,通过对掏槽腔体破岩过程进行力学分析,建立了楔形掏槽分段爆破成腔判据;最后,应用Anderson叠加原理,基于不同类型炮孔爆破振动波型,建立了炮孔爆破精确延时爆破振动波形表达式。通过楔形掏槽分段爆破现场验证结果表明,楔形掏槽分段延时爆破技术可以有效降低爆破振动,本文研究内容可为现场爆破降振施工提供指导。

大直径空孔对掏槽爆破效果的影响机理研究

针对大红山铜矿巷道掘进爆破出现炮孔利用率低、单次循环进尺低、现场半孔率低、超欠挖严重及轮廓面不平整等问题,通过数值模拟软件LS-DYNA,构建三、四、五、六个大直径空孔四种掏槽爆破模型,对四种大直径空孔数量条件下的掏槽爆破成腔效果进行数值模拟研究,为后续掏槽布孔设计提供指导。研究表明:大直径空孔对岩体爆破损伤有导向作用,六个大直径空孔诱导形成的爆腔面积最大,约0.1321 m^(2),比五个大直径空孔的爆腔面积增长了8.55%,比四个大直径空孔的爆腔面积增长了2%,比三个大直径空孔的爆腔面积增长了8.01%;大直径空孔的阻隔作用明显,空孔的存在可以使得爆破振动峰值下降51.63%,有效应力峰值下降67.24%。

楔形掏槽爆破效果分析及其在硬岩巷道中的应用

为加快岩巷钻爆法快速掘进技术研究,利用LS-DYNA模拟软件对直眼掏槽和楔形掏槽爆破应力波传播及岩体损伤破坏进行对比分析,并在霍州煤电三交河煤矿下组煤胶轮车辅助运输巷进行现场应用。结果表明:楔形掏槽爆破因其槽底间距较近,可以使爆破能量更多消耗在两炮孔之间,而直眼掏槽爆破能量在两帮过度消耗;与直眼掏槽相比,楔形掏槽能够造成两炮孔之间的岩体大范围损伤破坏,有利于岩块破碎抛出;现场应用表明:采用楔形爆破后,炮孔利用率高、大块率低、循环进尺达到2.5 m以上,显著提高成巷速度。因此建议在硬岩巷道爆破掘进时优先考虑楔形掏槽方式。

掏槽方式对光面爆破效果的影响研究

基于光面爆破施工方法,设计了甘肃北山坑探设施项目光面爆破的爆破参数。进而,着重研究了掌子面掏槽方式对光面爆破效果的影响。针对相同的地质条件、围岩及爆破耗材条件下,分别设计了直眼掏槽、单楔形掏槽、双楔形掏槽共计三种掏槽方式。进一步地实施了在不同掏槽方式下光面爆破的施工,获得了直眼掏槽方式更有利于爆破的硐室成型;而单楔形和双楔形掏槽更有利于岩石的破碎及岩渣抛掷。同时,需指出的是,钻爆施工涵盖多种不同的爆破参数,影响因素众多,此爆破试验获取的爆破数据仅仅是对不同掏槽方式的初步探索。研究可对后续工程开挖提供相应的试验数据与理论支撑,其对于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置,有一定的理论指导意义。

直眼掏槽的破岩机理及掏槽设计

本文对直眼掏槽的破岩机理进行了分析研究，并根据其机理，对掏槽参数进行了理论计算，提出了比较合理的掏槽型式。

复式楔形掏槽在大断面隧道掘进中的应用研究

掏槽孔爆破效果对整个断面的爆破质量有着重要影响,为解决大断面隧道掘进困难,炮孔利用率低的问题,采用基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合算法对比研究单楔形掏槽与复式楔形掏槽的内部有效应力与损伤破坏范围,与现场实际爆破效果印证解释了复式楔形掏槽爆破效果优于单楔形掏槽的原因。研究结果表明:单楔形掏槽应力峰值出现在孔底处,随孔底至堵塞段应力峰值缓慢降低,堵塞段到掌子面应力峰值骤降。复式楔形掏槽应力峰值则出现在一级掏槽孔底位置,且其数值大小高于单楔形掏槽应力峰值。选取两种掏槽模型的损伤区域截面发现,两者的破碎面积接近,但单楔形掏槽模型的堵塞段至掌子面区域的岩石未能破碎贯通,复式楔形掏槽模型整个槽腔完全贯通。根据数值模拟结果改进了某公路隧道爆破方案并进行了现场试验,复式楔形掏槽能更好地解决大断面隧道爆破炮孔利用率低以及爆后大块多的问题。研究结果可为相关隧道掏槽孔布设方案提供选择和参考。

高地应力巷道掏槽爆破的应力演化与损伤破裂研究

近年来,矿产资源的开采状态由露天转地下,由浅部转深部,在深部岩体的钻爆法施工中,地应力对爆破效果有显著影响。有关掏槽爆破机理和应用的研究主要是针对浅部地层中的巷道爆破施工,没有考虑地应力对爆破效果的作用。采用一种考虑爆破荷载下粉碎区能量耗散的改进型连续-非连续单元法(Continuum-Discontinuum Element Method,CDEM),基于二维平面应变模型,分别研究了普通直眼掏槽爆破和大空孔直眼掏槽爆破在不同地应力条件下的应力演化过程和破裂损伤特征。数值模拟结果表明,大空孔的存在增强了爆炸应力波的反射拉伸作用,削弱了地应力对爆炸裂纹扩展的抑制作用,促进了爆炸主裂纹的扩展,增加了掏槽爆破的分形损伤和损伤面积,提高了掏槽爆破的岩体破碎程度。双向等压地应力对爆炸裂纹的扩展有抑制作用,对径向爆炸裂纹的扩展尤为显著。较大的地应力削弱了孔间爆炸应力波的相互作用,相邻炮孔对爆炸主裂纹扩展的导向效应减弱。随着地应力的增加,爆炸裂纹的分形维数和分形损伤整体上呈逐渐减小的趋势,但是大空孔直眼掏槽爆破的裂隙区分形损伤和损伤面积均显著大于普通直眼掏槽爆破的裂隙区分形损伤和损伤面积。说明在高地应力环境下,大空孔直眼掏槽爆破依然能够显著增加岩石破碎程度和破碎范围,提高爆破效果和破碎效率。

掏槽爆破成腔空孔效应数值模拟研究与分析

掏槽爆破是巷道掘进单自由面爆破的关键。为探究空孔对掏槽爆破效果的影响,基于空孔作用理论,利用有限元-粒子流耦合方法,建立单空孔掏槽爆破三维数值模型,并结合现场掏槽爆破试验结果,分析多段掏槽爆破空孔附近岩石应力分布特征,岩石破碎、抛掷及槽腔成形过程对空孔响应规律。研究结果表明:空孔对近场岩石应力场的分布具有导向作用,并在空孔周围形成明显的应力集中效应,增加应力高峰值区范围,进而为后续爆破提供有利条件;岩石抛掷效果以及槽腔大小与空孔之间表现出强相关性,单空孔掏槽爆破与无空孔相比,抛掷速度提升34.7%,抛掷效率提高了10.2%,现场试验中腔体体积增加17.1%,掏槽深度增加了16.3%,但槽腔整体形状变化不明显;研究结果对实际掏槽爆破参数设计和优化提供了部分理论依据。

岩巷掏槽爆破掘进数据库建立及参数优化研究

掏槽爆破掘进参数是岩巷钻爆法施工的关键参数,优化爆破掘进参数是确保钻爆法高效率施工的重要途径之一。依据1980—2022年共200个代表性爆破掘进案例,利用统计学方法分析了爆破参数在普氏系数和断面面积2个岩巷特征参数维度下的变化特征,通过构建爆破掘进案例数据库研究了岩巷掏槽爆破客观规律。结果表明:随着普氏系数增加,岩石极限抗压强度增大,为保证爆破效果,可适当增加炮孔长度和炸药单耗,同时也会略微增加单循环进尺,但岩石自身高应力导致的夹制作用会降低炮孔利用率;通常设置空孔为掏槽爆破提供新的自由面,通过应力波反射拉伸使得靠近自由面的岩体破坏区域更大,硬岩巷道更适合直孔掏槽爆破。在较大断面岩巷的掏槽爆破掘进过程中,岩石夹制作用较小,较小的炸药单耗可以达到良好的爆破效果,从而促进了单循环进尺和炮孔利用率的提高;由于大断面面积对岩石爆破的限制作用减弱,无需过分增加炮孔数量和装药量,相反适当减缓炮孔数量的增长速率也能够达到良好的爆破效果。上述分析可以为爆破参数优化、岩巷高效施工提供参考。

角柱形垂直掏槽爆破参数研究

针对角柱形掏槽孔网参数确定问题,依据前人研究,总结推导了岩体爆破作用下粉碎区半径Rp和裂隙区半径Rf的计算模型,量化了爆炸应力波和爆生气体对岩体破碎的影响,并根据Rp和Rf的结果结合碎胀空间效应构建了角柱形掏槽孔网参数的计算模型。结合现场实际情况,可得爆炸应力波产生的粉碎区半径R1=50 mm,裂隙区半径R2=550 mm,爆生气体二次破碎产生的粉碎区半径l c=16 mm,裂隙区半径l g=420 mm;从而得到Rp=66 mm、Rf=970 mm结合碎胀空间效应,可知装药孔和空孔距离L和装药孔间距L_(1)满足66 mm<L<L_(1)<160 mm,依据现场实际取L=0.1 m、L_(1)=0.15 m;对该掏槽方案建立数值模型进行计算,模拟结果表明裂隙区裂纹平均长度为1069.4 mm,与Rf=970 mm相比误差为99.7 mm,粉碎区槽腔破碎的平均长度为67.1 mm,与Rp=66 mm相比误差仅为1.1 mm,再对该掏槽方案进行多次现场巷道掘进试验,试验结果表明炮孔利用率可由原先的80%提高至93%以上,验证了模型的有效性。

中等断面隧道长进尺直孔掏槽爆破开挖与超欠挖控制现场试验

中等断面隧道受施工范围限制易导致爆破难度大,循环进尺短,超欠挖问题严重,长进尺开挖和超欠挖控制是降本增效的有效途径。基于某中等断面隧道工程设计了长进尺直孔掏槽爆破方案,进行了40个循环的爆破开挖现场试验,结果表明:(1)按照爆破手册设计中等断面隧道开挖爆破参数,往往大块率高,掌子面不平整,适当增加直孔掏槽孔单孔装药量(现场试验掏槽药量占比由12.8%增至18.1%),可获得较好的爆破效果;(2)在初步设计参数基础上调整了中等断面隧道周边孔单孔装药量,线装药密度最终确定为0.27 kg/m,轮廓成形效果好,半孔率达90%以上,现场40个爆破循环超挖平均值为18.6 cm,分析可知超挖量主要由轮廓线处留置错台造成,在超挖控制方面,除了周边孔参数的合理设计外,应在钻孔施工过程中尽可能减小错台宽度,从而降低超挖;(3)直孔掏槽方案能很好地匹配凿岩台车钻孔施工,实现机械化长进尺爆破开挖,但超欠挖精细控制和爆破施工成本控制是重难点问题,需从钻孔人员操作技术和现场施工管理模式方面进行优化提升。研究成果可为中等断面隧道机械化钻爆施工、长进尺爆破开挖与超欠挖精细控制设计和施工提供参考依据。

不同堵塞条件下硬岩隧道直眼掏槽破岩效果数值模拟研究

为研究不同堵塞材料及堵塞长度对硬岩隧道直眼掏槽爆破效果的影响,依托工程实例,采用ANSYS/LS一DYNA仿真模拟软件建立三维数值模型,对5种不同堵塞条件展开研究。根据数值模型计算结果,对掏槽区域爆破裂纹拓展情况进行了定性分析,对典型部位的岩石受力情况进行了定量分析。结果表明:1)自由面岩石主要受拉应力作用产生裂纹,炮孔堵塞使得爆炸荷载整体作用时间延长,致使自由面上裂纹更加密集;2)位于炸药和堵塞材料之间空气段附近的围岩,先受爆炸应力波作用岩石被压碎,后受力在拉压应力之间多次转化,致使裂纹被放大,结合爆生气体发挥的“气楔”作用,使得裂纹几乎贯穿模型截面;3)炮孔堵塞后炸药段周围岩石受到的爆生气体作用应力值显著提升,比不堵塞时的炸药段周围岩石峰值应力高出1.31~2.34倍,炮孔堵塞使得爆生气体持续稳定发挥作用时的压应力值提高3.70~4.70倍;4)以黏土和水作为堵塞材料时,堵塞长度为40cm的直眼掏槽破岩效果优于堵塞长度为60cm的效果。研究成果可为优化硬岩隧道直眼掏槽爆破参数提供理论基础。

岩石爆破不同掏槽形式的对比分析

在对不同掏槽形式进行对比分析的基础上,结合工程实例,试验分析了不同掏槽形式下的爆破效果,认为斜眼掏槽和直眼掏槽都存在各自的缺陷,提出采用和推广准直眼掏槽方式的建议。

大直径空孔双螺旋掏槽在大断面隧道开挖中的应用

在沙特NEOM隧道支洞项目中,4#支洞为全线路的关键段,前期开挖爆破中采用4空孔直线掏槽方法,掏槽效果不稳定,平均进尺为4.55 m,炮孔利用率为91%,爆破后凿欠和修整的时间较长,影响隧道掘进效率,无法满足施工进度要求,且不利于控制施工成本。为此,在综合考虑隧道围岩及钻孔条件后,设计了一种3×Ф127 mm空孔的双螺旋掏槽方案,理论开挖进尺为5.0m,经过85个开挖循环的测试统计,大直径空孔双螺旋掏槽方案的平均循环进尺为4.86 m,炮孔利用率为97.2%,循环进尺比前期采用的4空孔直线掏槽方案提高了0.31 m,实际爆破炸药及炮孔消耗均有所降低。在软弱、中硬及坚硬条件下的大断面隧道施工中,与传统的掏槽爆破方法相比,大直径空孔双螺旋掏槽方案可提高掘进效率,降低爆破成本,经济价值显著。

煤矿岩巷掘进爆破掏槽孔超深问题探讨

掏槽技术是影响煤矿岩巷钻爆法掘进效率的关键,为了探讨掏槽孔超深深度(掏槽孔与非掏槽孔深度之差)与炮孔利用率之间的关系,采用文献检索法和现场试验开展相关研究,以近40年岩巷爆破掘进实际案例为对象,从时间、岩性、断面大小、炮孔深度、掏槽形式等5个维度对我国煤矿岩巷掘进施工相关文献进行了统计分析研究。研究结果表明:自20世纪80年代以来,岩巷爆破设计的掏槽孔超深深度均设定约为200 mm,炮孔利用率维持在90%左右,5个维度中岩性对炮孔利用率的影响最为显著,并就掏槽孔超深深度为200、300、400和500 mm时进行了现场爆破试验,炮孔利用率较超深深度为200 mm时的89%分别提高到93%、97%和97%,最大提高了8%,试验条件下掏槽孔超深深度的最优为400 mm;掏槽孔超深深度与炮孔利用率具有较强的相关关系,适当加大掏槽孔超深深度能显著提高炮孔利用率,而不同施工条件下掏槽孔超深深度的确定有待研究。

掏槽孔爆破作用下隧道掌子面应力传播与衰减规律研究

为明晰掏槽孔爆破作用下隧道掌子面应力传播与衰减规律,借助爆破试验分析隧道掌子面在掏槽孔爆破作用下水平方向、竖向和斜向的振动速度变化规律,同时采用ANSYS/LS-DYNA模拟掏槽孔爆破作用下隧道围岩同一截面内应力传播特点。研究结果表明:隧道掌子面边缘测点振动速度大于距爆源近测点振动速度,最小爆源距测点振动速度大于中间位置测点振动速度;隧道掌子面的拱顶和拱肩位置振动速度较大,上部测点振动速度大于下部测点;隧道掌子面应力主要集中在水平方向和竖向,纵向应力较小,水平方向和竖向应力变化时刻主要集中在0~5 ms,水平方向应力传播范围更广;隧道掌子面炮孔下方测点应力大于同爆源距上方测点。相关结论可为类似隧道动力响应分析提供参考。