徐先鋒 邢鵬飛 袁 杰 吳亞華

(核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)有限公司, 浙江 湖州 313000)

地下巷道是進(jìn)行地下資源回采的主要通道之一,其重要性隨著國(guó)家“深地戰(zhàn)略”的實(shí)施愈發(fā)關(guān)鍵[1-2]。鉆爆法以高效低成本以及適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)仍被廣泛運(yùn)用于地下巷道的掘進(jìn)中,但是該方法存在固有的缺點(diǎn),即無(wú)可避免地對(duì)周邊的圍巖產(chǎn)生損傷[3-4]。超挖是伴隨鉆爆法開(kāi)挖次生危害的重要表現(xiàn)之一,超挖不僅會(huì)大幅提高支護(hù)成本,并且會(huì)嚴(yán)重制約生產(chǎn)進(jìn)度[5-7]。而欠挖往往伴隨超挖同時(shí)出現(xiàn),通常是由不合理爆破參數(shù)所引起,欠挖會(huì)增大二次破碎的強(qiáng)度。超欠挖問(wèn)題隨著巷道埋深增加愈發(fā)嚴(yán)重,因此亟需對(duì)深部巷道圍巖超欠挖擴(kuò)展演化及影響因素進(jìn)行分析,以此降低超欠挖對(duì)地下工程的危害。

目前,針對(duì)超欠挖的成因國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量研究。通常認(rèn)為成因可以分為兩類:地質(zhì)成因,包括巖體強(qiáng)度、節(jié)理裂隙特性、地應(yīng)力等;爆破成因,包括炸藥類型、裝藥結(jié)構(gòu)、孔網(wǎng)參數(shù)等[8-9]。Widodo等[10]通過(guò)在地下巷道中開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ANFO 相比乳化炸藥會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的超挖和欠挖,通過(guò)合理的爆破方案和鉆孔精度能夠很好地控制圍巖超挖。Kim 等[11]在地下隧道內(nèi)所開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了一種可靠的控制超欠挖損傷的方法。對(duì)于深部巷道鉆爆法施工來(lái)說(shuō),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超欠挖厚度具有重要意義。為此,Dey 等[12]和Murthy 等[13]基于峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分別提出一種超挖損傷厚度的預(yù)測(cè)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,深度學(xué)習(xí)開(kāi)始被大量運(yùn)用于超欠挖損傷預(yù)測(cè)中。Jang 等[14]將超欠挖影響因素分為可控制和不可控制2-大類,然后使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測(cè),得到一種可靠性較高的預(yù)測(cè)方法。

雖然關(guān)于超欠挖損傷機(jī)理和預(yù)測(cè)的研究成果已有很多,但是傳統(tǒng)方法在超欠挖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中精度較差,此外,對(duì)特定工況的巷道并沒(méi)有具體的施工指導(dǎo)[15-16]。為此,本研究首先使用高精度FocusS 150三維激光掃描儀對(duì)某地下巷道進(jìn)行輪廓掃描,通過(guò)Trimble Business Center 點(diǎn)云處理軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。然后基于LS-DYNA 有限元程序,構(gòu)建三維輪廓爆破數(shù)值模型,并對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。最后基于三維數(shù)值模型研究初始應(yīng)力、孔間距、裝藥集中系數(shù)以及不耦合系數(shù)對(duì)超欠挖損傷的影響,獲取最優(yōu)的爆破孔網(wǎng)參數(shù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

本研究試驗(yàn)地點(diǎn)位于某地下礦山的脈外運(yùn)輸巷道內(nèi),試驗(yàn)區(qū)域圍巖以白云巖為主,完整性較好,無(wú)明顯的節(jié)理裂隙。巷道垂直埋深約500 m,巖體水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力分別為20和10 MPa。為了得到試驗(yàn)地點(diǎn)的巖石力學(xué)參數(shù),在現(xiàn)場(chǎng)采集巖塊按照國(guó)際巖石力學(xué)試驗(yàn)試樣加工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切割打磨,然后通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展物理力學(xué)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of rock mass

1.2 爆破孔網(wǎng)參數(shù)

試驗(yàn)巷道采用全斷面一次爆破開(kāi)挖技術(shù)一次成型,爆破設(shè)計(jì)和爆破孔網(wǎng)參數(shù)分別見(jiàn)圖1和表2。為了減小爆破裝藥量過(guò)大產(chǎn)生強(qiáng)烈爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)锏篮筒蓤?chǎng)穩(wěn)定性的影響,使用孔外毫米延期電雷管按起爆順序起爆炸藥。爆破方案中所使用的楔形掏槽方式在深部初始應(yīng)力巖體中可以有效減小地應(yīng)力對(duì)爆破裂紋擴(kuò)展的抑制作用,同時(shí)可以增強(qiáng)掏槽范圍內(nèi)巖體的拋擲效果,降低炸藥單耗。然而,作業(yè)人員為了加快施工進(jìn)度,沒(méi)有嚴(yán)格遵循“多打眼,少裝藥”的原則,因此實(shí)際施工中的1 000 ～1 050 mm 光面孔間距顯然不合理。

表2 現(xiàn)有爆破方案設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of original blasting pattern

圖1 爆破設(shè)計(jì)(單位:mm)Fig.1 Blasting design

2 超欠挖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本研究使用TBM 三維點(diǎn)云處理軟件對(duì)抽稀后的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析處理,獲取超欠挖方量、不同截面處的超欠挖尺寸等結(jié)果。從孔口開(kāi)始,每隔0.5 m選擇一個(gè)橫截面以分析巷道不同截面的超欠挖分布狀態(tài)。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道超欠挖損傷測(cè)量結(jié)果Fig.2 Field measurement results of blast-excavated roadway

如圖2(a)所示,雖然爆轟壓力和爆生氣體大幅衰減,但是由于自由面條件更好,且孔口附近巖體在上一次爆破作業(yè)時(shí)受到動(dòng)態(tài)擾動(dòng)其力學(xué)特性已有一定弱化,所以該截面內(nèi)的巖體超挖范圍也較小,只在巷道底部有較小范圍的欠挖。圖2(c)處于炮孔裝藥量的末端,該截面的巖體仍處于炸藥有效作用范圍內(nèi),此時(shí)圍巖的超欠挖大小和分布情況和圖2(d)基本相同,頂板處的最大超挖為39.1 cm,最大欠挖出現(xiàn)在巷道底板與側(cè)幫連接處為13.1 cm。圖2(e)所示巷道頂板附近最大超挖厚度為11.3 cm,超挖平均值小于8 cm 低于最大容許超挖值,表明基于當(dāng)前的爆破孔網(wǎng)參數(shù),在巷道拱頂和側(cè)幫位置能夠取得良好的爆破效果。圖2(a～e)表明,超挖厚度隨開(kāi)挖進(jìn)尺的增加而先增大后減小,相反地圍巖欠挖厚度隨開(kāi)挖進(jìn)尺的增加先減小后增大。在當(dāng)前的爆破孔網(wǎng)參數(shù)條件下,試驗(yàn)巷道在爆破開(kāi)挖后其圍巖內(nèi)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重超欠挖現(xiàn)象,為保證人員設(shè)備安全和運(yùn)輸巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性將必須進(jìn)行支護(hù)和二次爆破或二次破碎。根據(jù)Foderà 等[17]的研究結(jié)論可知,本研究中試驗(yàn)巷道的超欠挖成因可以歸結(jié)為爆破參數(shù)所引起,因此有必要根據(jù)當(dāng)前的開(kāi)挖效果對(duì)爆破方案進(jìn)行優(yōu)化,在保證施工效率的同時(shí)提高巷道開(kāi)挖質(zhì)量。

3 數(shù)值模擬

3.1 材料模型

3.1.1 巖 石

擬采用RHT 材料模型表征巖石受爆炸載荷作用的損傷破壞與變形特性[18-19]。RHT 本構(gòu)模型引入了3 個(gè)極限破壞面,即彈性極限面、失效面和殘余強(qiáng)度面,它們分別描述巖石材料的初始屈服強(qiáng)度、失效強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律。巖石的損傷破壞通過(guò)損傷系數(shù)D'表示,損傷系數(shù)D'的計(jì)算[20-21]:

式中,Δεp和εf分別為累計(jì)損傷應(yīng)變和材料發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變。

本研究通過(guò)定義損傷系數(shù)D'=0.3 即可表征白云巖收到爆破擾動(dòng)后的超挖損傷。白云巖基本巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示,其他本構(gòu)參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[22]。

3.1.2 炸 藥

使用材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和狀態(tài)方程JWL 來(lái)描述炸藥爆炸時(shí)爆轟產(chǎn)物膨脹擴(kuò)散產(chǎn)生的高壓對(duì)周邊介質(zhì)的動(dòng)態(tài)作用。炸藥爆轟壓力與比容的關(guān)系[23]為

式中,A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù);P為爆轟壓力;V為爆轟產(chǎn)物的初始比內(nèi)能。乳化炸藥的具體參數(shù)如表3所示。

表3 乳化炸藥材料參數(shù)Table 3 Emulsion explosive parameters

3.1.3 空 氣

為了研究不耦合裝藥對(duì)超欠挖控制作用,將使用MAT_NULL 材料和linear polynomial EOS 狀態(tài)方程共同求解爆轟產(chǎn)物通過(guò)空氣中的傳播?？諝舛嗑€性狀態(tài)方程表達(dá)式[24]為

式中,C0～C6為材料常數(shù);E0為單位體積的初始內(nèi)能;μ為空氣狀態(tài)方程中的參數(shù)。

空氣的材料參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[24]。

3.2 數(shù)值模型

如圖1 中所示,楔形掏槽孔與水平面成一定的傾角,目前基于有限元法求解一個(gè)同時(shí)含垂直和傾斜炮孔的全尺寸模型十分困難,幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。Holmberg[25]研究表明,地下巷道爆破開(kāi)挖中,只有最后兩層炸藥會(huì)引起圍巖損傷。為此在保證研究主體不變的條件下忽略掏槽孔和輔助孔爆破對(duì)超欠挖尺寸的影響,只建立一個(gè)包含光爆層的模型以研究初始應(yīng)力條件下周邊孔爆破產(chǎn)生的超欠挖情況。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型如圖3所示,模型的長(zhǎng)×寬×高為9 m×8 m×5 m,為保證計(jì)算精度單元平面尺寸控制在35 ～40 mm,總單元數(shù)約為2×106。-z平面設(shè)置為無(wú)反射邊界以消除應(yīng)力波在邊界上的反射拉伸作用,z方向設(shè)為自由面。通過(guò)LS-DYNA 中的重啟動(dòng)技術(shù)將初始應(yīng)力施加于模型水平和垂直方向。根據(jù)炸藥密度、裝藥量和炮孔直徑求得裝藥長(zhǎng)度為1.0 m,炸藥起爆點(diǎn)位于孔底z=0 位置,底板炸藥優(yōu)先于輪廓上的炸藥起爆,延期時(shí)間為25 ms。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同截面巖體損傷云圖如圖4所示。

圖4 不同截面處的巖石損傷(單位:cm)Fig.4 Blast-induced damage at different advances

由圖4(a)可以看出孔底所在平面圍巖損傷較為嚴(yán)重,巷道側(cè)幫和拱頂位置的損傷范圍均超出開(kāi)挖邊界,且超挖主要集中于炮孔周邊。在炮孔連線中間位置損傷裂紋基本貫通,沒(méi)有出現(xiàn)任何巖體超欠挖。然而,在巷道底板與側(cè)幫連接處能看到有局部未損傷區(qū)域,出現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果一致的欠挖現(xiàn)象。分析產(chǎn)生欠挖的原因是該部位巖體夾制作用明顯,孔間距過(guò)大,再加上炮孔沒(méi)有填塞,孔底炸藥起爆后沖擊波向孔口迅速擴(kuò)散,造成一部分能量耗散。如圖4(b)所示,進(jìn)尺為0.5 m 時(shí)正好位于裝藥段的中心位置,此時(shí)由于爆炸沖擊波的疊加作用巖體破壞最為嚴(yán)重,開(kāi)挖邊界以內(nèi)的巖體損傷均超出了損傷閾值,在開(kāi)挖邊界以外有明顯的超挖現(xiàn)象,最大超挖尺寸為0.3 m。值得注意的是超挖最為嚴(yán)重的部位發(fā)生了變化,由原來(lái)的炮孔周邊轉(zhuǎn)變?yōu)橄噜徟诳走B線的中間位置,這正是應(yīng)力波疊加以后產(chǎn)生的結(jié)果。與此同時(shí),從圖4(c)～圖4(e)可知,隨著截面越來(lái)越接近孔口,在不堵塞作用下作用于巖體上的動(dòng)態(tài)載荷強(qiáng)度迅速降低,由此待開(kāi)挖區(qū)域巖體的損傷破壞范圍明顯減小。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示在孔口位置巖體的損傷范圍極小,這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致,分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是模型邊界條件不協(xié)調(diào),另外,對(duì)孔口附近巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行弱化也是造成數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在未裝藥段存在誤差的重要因素。綜上所述,數(shù)值模擬結(jié)果得到的圍巖超欠挖結(jié)論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果基本一致,表明采用該數(shù)值模擬方法研究初始應(yīng)力條件下巷道爆破開(kāi)挖圍巖超欠挖控制是可行的。

4 超欠挖影響因素分析

4.1 初始應(yīng)力

現(xiàn)有研究表明,初始應(yīng)力的大小和方向不僅會(huì)主導(dǎo)爆破損傷裂紋的擴(kuò)展方向,同時(shí)會(huì)影響損傷范圍的大小。基于此,本研究將通過(guò)改變初始應(yīng)力的幅值以及側(cè)壓力系數(shù)λ來(lái)研究原巖應(yīng)力的變化對(duì)地下巷道爆破超欠挖大小和分布的影響。已知巷道的水平應(yīng)力σx=20 MPa,垂直應(yīng)力σy=10 MPa。為了對(duì)比應(yīng)力幅值對(duì)巷道圍巖超欠挖厚度和分布的影響,靜水壓力場(chǎng)設(shè)置4 組對(duì)比項(xiàng),初始應(yīng)力分別為20,30,40和50 MPa,數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同幅值初始應(yīng)力下的圍巖超欠挖結(jié)果(單位:cm)Fig.5 Simulation results of overbreak and underbreak with different magnitudes of stress

由圖5 可知,隨著水平方向和垂直方向原巖應(yīng)力同時(shí)增大,無(wú)論是巷道拱頂、底板還是側(cè)幫上的最大超挖范圍均表現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且初始應(yīng)力為30 MPa 是超挖變化趨勢(shì)的分界點(diǎn)。然而,圖中所示無(wú)論是進(jìn)尺2.0 m 還是進(jìn)尺1.0 m 截面處的欠挖范圍受到初始應(yīng)力幅值變化的影響較弱。由此可以得出結(jié)論:深部巷道當(dāng)采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí),地應(yīng)力對(duì)欠挖范圍的影響極小基本可以忽略,應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注地應(yīng)力對(duì)超挖損傷的作用,及時(shí)根據(jù)地應(yīng)力的變化調(diào)整爆破參數(shù)以減小超挖量。

其次,在非靜水壓力場(chǎng)中保持垂直主應(yīng)力為10 MPa 不變,改變水平主應(yīng)力,使得λ=1、3、4和5,數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6 可知,無(wú)論是從進(jìn)尺2.0 m 還是進(jìn)尺1.0 m 截面處的巖體損傷來(lái)看,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大巷道側(cè)幫超挖損傷幅值逐漸增大,表明水平主應(yīng)力對(duì)水平方向的爆破損傷有促進(jìn)作用。另一方面可以看到巷道拱頂和頂板處的超挖最大值隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而逐漸減小,這表明側(cè)壓力系數(shù)增大,由于開(kāi)挖卸載和爆破擾動(dòng)在巷道垂直方向產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)減小,對(duì)損傷的擴(kuò)展起到一定的抑制作用。此外,由圖可知,隨著側(cè)壓力系數(shù)的變化,巷道欠挖范圍基本沒(méi)有明顯的增大或減小,因此在實(shí)際爆破生產(chǎn)過(guò)程中可以忽略側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圍巖欠挖的影響。

圖6 不同側(cè)壓力系數(shù)下的圍巖超欠挖結(jié)果(單位:cm)Fig.6 Simulation results of overbreak and underbreak with λ

4.2 孔間距

對(duì)于周邊孔而言,孔間距是決定開(kāi)挖輪廓是否規(guī)整的關(guān)鍵因素。由礦山原有爆破方案得到的巷道圍巖超欠挖情況可知,孔間距過(guò)大使得開(kāi)挖面凹凸不平,存在明顯的超欠挖現(xiàn)象,針對(duì)這種情況本研究決定通過(guò)在不改變單孔裝藥量的條件下減小孔間距,以此研究孔間距對(duì)原巖應(yīng)力狀態(tài)下超欠挖厚度的影響。設(shè)計(jì)巷道底板和側(cè)幫的孔間距為0.6,0.7和0.84 m。不同孔間距下爆破超欠挖損傷數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知,當(dāng)孔間距S=0.60 m 時(shí),相比圖4 中原始爆破方案得到的超挖損傷范圍明顯增大,截面4 上的圍巖超挖厚度最大值為81.32 cm,嚴(yán)重超過(guò)地下金屬礦山巷道超挖容許值。與此同時(shí),在裝藥段被保護(hù)圍巖內(nèi)沒(méi)有任何欠挖,說(shuō)明當(dāng)孔間距S=0.6 m 時(shí)雖然能避免欠挖的產(chǎn)生,但會(huì)給圍巖造成很大的額外損傷。圖7(b)S=0.7 m 時(shí),圍巖超挖損傷相比0.6 m 孔間距得到的圍巖損傷范圍而言明顯地減小,裝藥段中心巷道底板位置最大超挖為77.87 cm,非裝藥段中心位置巷道頂板和底板的超挖均被控制在容許值以內(nèi),有較好的爆破效果,同時(shí)在裝藥段也不會(huì)有任何欠挖產(chǎn)生。圖7(c)S=0.84 m時(shí),圍巖超挖損傷相比0.6 m 孔間距得到的圍巖損傷范圍而言明顯地減小,裝藥段中心巷道底板位置最大超挖為46.85 cm,非裝藥段中心位置巷道頂板和底板的超挖均被控制在容許值以內(nèi),有較好的爆破效果,同時(shí)在裝藥段也不會(huì)有任何欠挖產(chǎn)生。但是值得注意的是,在孔口附近巷道側(cè)幫能看到有一值為42.13 cm 的超挖損傷,對(duì)比其他模型分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因并不是因?yàn)楸Z壓力或初始應(yīng)力卸載所引起,而是因?yàn)閼?yīng)力波在模型邊界上發(fā)生反射拉伸使得圍巖發(fā)生拉伸破壞所引起。因此,綜合考慮圍巖超欠挖的范圍以及炮孔數(shù)量等因素,當(dāng)孔間距0.84 m 時(shí)能夠取得最好的爆破效果。

圖7 不同孔間距下的圍巖超欠挖結(jié)果(單位:cm)Fig.7 Simulation results of overbreak and underbreak with different hole spacings

4.3 裝藥集中系數(shù)分析

裝藥集中系數(shù)是指每米炮孔裝藥量,本研究將裝藥集中系數(shù)分別設(shè)為β=1.2 kg/m和β=0.9 kg/m。不同裝藥集中系數(shù)得到的超欠挖損傷數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。由圖8 可知,相對(duì)現(xiàn)有爆破孔網(wǎng)參數(shù)而言,減小裝藥集中系數(shù)后圍巖超欠挖損傷得到有效控制,最大超挖明顯減小。β=1.2 kg/m 時(shí),截面3 中巷道側(cè)幫的最大超挖值為36.34 m,而β=0.9 kg/m 相同位置處的最大超挖值減小9.35 cm,同樣從未裝藥段的損傷范圍可知β=0.9 kg/m 時(shí)抵抗線內(nèi)巖體破壞范圍更大,即欠挖范圍更小。因此可以得到如下結(jié)論,當(dāng)使用0.9 kg/m 的抵抗線時(shí)能夠取得最好的爆破效果。

圖8 不同裝藥集中系數(shù)下的圍巖超欠挖結(jié)果(單位:cm)Fig.8 Simulation results of overbreak and underbreak with different charge concentrations

4.4 不耦合系數(shù)分析

以空氣為耦合介質(zhì)設(shè)定不耦合系數(shù)γ分別為2.0,2.5和3.0。3 種不耦合裝藥系數(shù)條件下的數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9 可知,對(duì)比現(xiàn)有爆破設(shè)計(jì)得到的超欠挖結(jié)果,使用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)在裝藥段圍巖的超挖損傷得到有效控制。當(dāng)不耦合裝藥系數(shù)γ=2.0 時(shí),巷道側(cè)幫圍巖最大超挖值為43.03 cm,γ=3.0 時(shí)由于裝藥量減小側(cè)幫處的損傷相應(yīng)減小,最大值為截面3 巷道底板處的30.85 cm。對(duì)比不同裝藥系數(shù)下巖體損傷云圖可知,欠挖厚度隨炮孔不耦合裝藥系數(shù)增大而增大,但是巖體超挖厚度則隨裝藥系數(shù)的增大而逐漸減小。從未裝藥段圍巖的損傷情況可以看出,γ=3.0 時(shí)待開(kāi)挖巖體基本沒(méi)有損傷,明顯不滿足爆破開(kāi)挖的要求。γ=2.5 時(shí)圍巖的損傷略有增大,但是由于不堵塞的裝藥方式仍然很難使得孔口附近的巖體發(fā)生破壞。綜上可知,隨著不耦合裝藥系數(shù)的增大,巖體超挖范圍逐漸減小,但欠挖范圍也逐漸增大,綜合考慮當(dāng)γ=2.5 時(shí)能取得一個(gè)相對(duì)較好的爆破效果。

圖9 不同不耦合系數(shù)下的圍巖超欠挖結(jié)果Fig.9 Effect of decoupled coefficient on blast induced rock overbreak and underbreak

5 結(jié) 論

(1)最大超挖損傷隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。此外,巷道側(cè)幫與底板連接處由于巖體的夾制作用最易出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象,可通過(guò)減小該區(qū)域孔間距或增大裝藥量降低欠挖影響。

(2)驗(yàn)證模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)出現(xiàn)誤差的原因是數(shù)值模型中臨近炮孔巖體力學(xué)特性未進(jìn)行弱化,這與掌子面巖體受上一循環(huán)爆破作用發(fā)生損傷累計(jì)的情況不符。但其他截面的超挖和欠挖厚度結(jié)果表明簡(jiǎn)化后的爆破模型可以用來(lái)對(duì)深部巷道圍巖超欠挖進(jìn)行分析。

(3)側(cè)壓力系數(shù)的增大會(huì)促進(jìn)水平方向超挖損傷擴(kuò)展,但對(duì)豎直方向的損傷擴(kuò)展卻有抑制作用。超挖損傷隨初始應(yīng)力的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),欠挖范圍受地應(yīng)力變化較小。

(4)孔間距減小后裝藥段的超挖范圍明顯增大,但欠挖范圍也明顯減小。通過(guò)減小不耦合裝藥系數(shù)能夠有效抑制超挖損傷,對(duì)于全段范圍內(nèi)的巖體均有較好的破碎效果。不耦合裝藥結(jié)構(gòu)能夠明顯改善炸藥能量的分布,減小圍巖超挖損傷。在給定巖體條件和爆破孔網(wǎng)參數(shù)條件下,孔間距S=0.70 m,裝藥集中系數(shù)β=0.9 kg/m和不耦合系數(shù)γ=2.5 均能取得最小的超欠挖損傷。