掏槽爆破是井巷爆破掘進的最關(guān)鍵技術(shù)。由于目前深部井巷掘進的爆破參數(shù)計算設(shè)計難以準(zhǔn)確考慮地應(yīng)力場的作用，直接影響了掏槽爆破的效果，所以經(jīng)常出現(xiàn)爆破炮孔利用率低掘進速度慢成巷質(zhì)量差等問題。

國家自然科學(xué)基金項目（編號：51874189），山東省自然科學(xué)基金項目（編號：ZR2023ME106，ZR2023ME055），山東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目（編號：SDYY15086）等資助下，山東科技大學(xué)張憲堂教授團隊以模型試驗為主要研究手段，結(jié)合實驗室的實際情況，自主研發(fā)了掏槽爆破室內(nèi)模型實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可模擬不同工況下的掏槽爆破破巖過程，分析掏槽爆破破巖效果，研究不同地應(yīng)力場作用下井巷掏槽爆破的掏槽形式、掏槽眼間距、空孔效應(yīng)等相關(guān)參數(shù)的合理性。該系統(tǒng)研究成果不僅可以為深部高應(yīng)力巖巷掘進爆破機理研究、優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，對于提高掘進效率減少深部礦井安全事故也具有重大的理論意義和應(yīng)用價值。

相關(guān)成果以《井巷掘進掏槽爆破室內(nèi)模型教學(xué)實驗系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用》為題在《金屬礦山》雜志實現(xiàn)了在線首發(fā)，作者來自山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院山東科技大學(xué)礦業(yè)實訓(xùn)中心

本項研究主要成果如下：

1 實驗系統(tǒng)研制

掏槽爆破室內(nèi)模型實驗系統(tǒng)包括三維電液伺服加載系統(tǒng)自行研制的大型組合加載鋼架、高速攝像測試系統(tǒng)、爆破效果測試分析系統(tǒng)和爆破模型試驗?zāi)K。

模型試驗現(xiàn)場布置

三維電液伺服作動器加載裝置，可以實現(xiàn)室內(nèi)對地應(yīng)力水平的模擬；大型組合加載鋼架根據(jù)模型尺寸等實際參數(shù)進行定制加工，作為限位裝置確保加載系統(tǒng)與模型試塊緊密連接；高速攝像測試系統(tǒng)能夠捕捉到模型爆破瞬間的裂紋擴展等過程；爆破效果測試分析系統(tǒng)用于實驗爆后數(shù)據(jù)采集與分析。以含有DDNP起爆藥的數(shù)碼電子雷管代替炸藥，既能保證試驗的有效性，實現(xiàn)對人員安全的保障以及防止對試驗儀器的損壞；為防止在施加周邊壓力后由爆炸產(chǎn)生的瞬態(tài)荷載對鋼架造成損壞，鋼架與模型之間設(shè)隔振材料

2 爆破效果測試分析

選用菱形布孔的掏槽方案進行試驗。制作尺寸為600 mm×600 mm×600 mm的水泥砂漿模型試塊，其中，試塊H0不增設(shè)空孔，H16、H32空孔直徑分別為16 mm、32 mm。單孔裝3發(fā)雷管，對模型試塊施加雙向1 MPa的等圍壓，利用上述系統(tǒng)完成室內(nèi)爆破。

菱形掏槽布置方案

??爆破實驗過程的高速影像測試分析

高速攝像機拍攝的爆破試驗過程顯示：裂紋在擴展過程中會受到空孔引導(dǎo)，朝著沿試件的徑向和炮孔與空孔連線45°方向擴展，在炮孔與空孔之間形成貫通裂紋。當(dāng)應(yīng)力波從邊界反射回來時，巖石主要受到拉伸應(yīng)力波影響，裂紋進一步發(fā)育并最終貫通，最終在掏槽孔外圍產(chǎn)生大量徑向裂紋及次生裂紋。裂紋的擴展和連通導(dǎo)致了巖體強度降低，最終形成較大的破壞區(qū)域。

(a)起裂階段

(b)裂紋擴展階段

(c)試塊破壞

高速攝像拍攝的爆破試驗過程

??爆后塊度測試分析

對模型爆后碎塊進行回收，用不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩對碎塊進行篩分。由篩分結(jié)果可知，H0和H32模型試塊的碎塊粒度分布趨勢相似，都顯示出小塊碎塊較少而大塊碎塊較多的特點，且主要集中在粒徑超過53 mm的區(qū)間，這一區(qū)間的碎塊質(zhì)量占比分別達到了67.0%和77.1%。H0試塊由于沒有設(shè)置空孔，需要更多的能量來克服巖石的夾制作用，這導(dǎo)致沒有足夠的能量使巖石進一步破碎。當(dāng)空孔直徑為16 mm時，碎塊的粒度分布更為均勻。

模型試驗碎塊塊度篩分統(tǒng)計

碎巖塊度分布

??爆破裂紋擴展測試

爆破試驗結(jié)束后，收集試驗?zāi)Ｐ偷牧鸭y擴展數(shù)據(jù)。

裂縫測寬儀測量裂縫寬度

??爆破振速及應(yīng)變采集測試

在模型表面距離炮孔不同位置安置振動傳感器、貼應(yīng)變片以及埋設(shè)應(yīng)變磚，并與振速、應(yīng)變采集系統(tǒng)連接，采集爆破時的振速值、應(yīng)變值。

振速測點位置

應(yīng)變測點位置

3 實驗系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用

張憲堂教授團隊針對現(xiàn)有爆破實驗教學(xué)中室內(nèi)爆破試驗難以開展、實驗適用性較差等問題，設(shè)計了掏槽爆破室內(nèi)模型教學(xué)實驗系統(tǒng)。借助該系統(tǒng)，可以在實驗室內(nèi)重復(fù)從模型制作裝藥起爆到結(jié)果分析的整個爆破過程，增進師生對于巖石爆破過程的直觀認識，掌握掏槽爆破試驗過程、數(shù)據(jù)處理方法以及相關(guān)儀器的使用。既能滿足本科生的實驗教學(xué)需求，也為教師和研究生開展科學(xué)研究提供了平臺。

掏槽爆破室內(nèi)模型教學(xué)實驗系統(tǒng)

本項研究取得如下結(jié)論：

（1）實驗系統(tǒng)利用多臺大噸位電液伺服作動器對大比例尺模型進行室內(nèi)加載，實現(xiàn)了高應(yīng)力的可控持續(xù)穩(wěn)定加載和實時監(jiān)測。實驗可根據(jù)巖巷不同地應(yīng)力分布特征完成不同的加載方法和模型設(shè)計，更加真實地模擬深部巖巷掘進爆破過程。

（2）該模型試驗中選用飛石運動軌跡、爆堆形狀、爆后塊度分布特征及爆破振動效應(yīng)反演高應(yīng)力巖巷掘進掏槽爆破破巖過程，研究角度更加細致全面。同時該模型試驗可以為高速攝像機、三維掃描儀等測試儀器提供足夠光源和空間，確保采集的試驗數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和全面。

（3）利用該實驗系統(tǒng)，師生可以開展不同工況下的掏槽爆破試驗，直觀地感受掏槽爆破試驗過程；對裂紋開展、爆堆塊度分布等試驗數(shù)據(jù)進行收集與分析，掌握利用相關(guān)儀器搜索處理試驗數(shù)據(jù)的方法；進行多個現(xiàn)場實踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生參與度與工程實踐能力，增強對巖巷掘進掏槽爆破的破巖過程以及模型試驗的深入理解。

作者簡介

張憲堂

山東科技大學(xué)教授、博士、博士研究生導(dǎo)師

青島西海岸新區(qū)拔尖人才，第八屆泰安市青年科技獎獲得者，山東科技大學(xué)教學(xué)名師、優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師。主要從事爆破爆炸及其災(zāi)害預(yù)防控制、風(fēng)浪流、爆炸等極端荷載下橋梁及大跨結(jié)構(gòu)安全與防護、地下空間工程智能化設(shè)計與施工技術(shù)等方面的教學(xué)與科研工作。主持國家自然科學(xué)基金面上項目、中國博士后特別資助科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金面上項目等項目25項，主持中煤能源集團、山東能源集團、山東黃金集團、山東高速集團、青島國信膠州灣第二海底隧道有限公司等企事業(yè)單位委托工程技術(shù)研發(fā)項目30余項。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和會議發(fā)表論文150余篇，第一作者或通訊作者發(fā)表SCI/EI收錄論文47篇；第一作者或獨立出版專著2部，主編或參編8部地方性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、著作及教材；獲得國家授權(quán)發(fā)明專利16項；獲得山東省科技進步二等獎、山東省省級教學(xué)成果獎二等獎等教學(xué)科研獎勵27項。兼任中國煤炭學(xué)會爆破專業(yè)委員會秘書長，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會巖石動力學(xué)專業(yè)委員會常務(wù)委員、軟巖工程與深部災(zāi)害控制分會理事，煤炭行業(yè)煤礦專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會井巷設(shè)備分會委員等，擔(dān)任《山東科技大學(xué)學(xué)報》（自然科學(xué)版）《中國海洋平臺》等期刊編委。

成果來源

張憲堂，焦相團，余輝，王洪立，李兆彬，周紅敏.井巷掘進掏槽爆破室內(nèi)模型教學(xué)實驗系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J/OL].金屬礦山，1-12.

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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