山东科技大学张宪堂教授：井巷掘进掏槽爆破室内模型教学实验系统研发

掏槽爆破是井巷爆破掘进的最关键技术。由于目前深部井巷掘进的爆破参数计算设计难以准确考虑地应力场的作用，直接影响了掏槽爆破的效果，所以经常出现爆破炮孔利用率低掘进速度慢成巷质量差等问题。

国家自然科学基金项目（编号：51874189），山东省自然科学基金项目（编号：ZR2023ME106，ZR2023ME055），山东省研究生教育创新计划项目（编号：SDYY15086）等资助下，山东科技大学张宪堂教授团队以模型试验为主要研究手段，结合实验室的实际情况，自主研发了掏槽爆破室内模型实验系统。该系统可模拟不同工况下的掏槽爆破破岩过程，分析掏槽爆破破岩效果，研究不同地应力场作用下井巷掏槽爆破的掏槽形式、掏槽眼间距、空孔效应等相关参数的合理性。该系统研究成果不仅可以为深部高应力岩巷掘进爆破机理研究、优化设计提供科学依据，对于提高掘进效率减少深部矿井安全事故也具有重大的理论意义和应用价值。

相关成果以《井巷掘进掏槽爆破室内模型教学实验系统研发与应用》为题在《金属矿山》杂志实现了在线首发，作者来自山东科技大学土木工程与建筑学院山东科技大学矿业实训中心

本项研究主要成果如下：

1 实验系统研制

掏槽爆破室内模型实验系统包括三维电液伺服加载系统自行研制的大型组合加载钢架、高速摄像测试系统、爆破效果测试分析系统和爆破模型试验模块。

模型试验现场布置

三维电液伺服作动器加载装置，可以实现室内对地应力水平的模拟；大型组合加载钢架根据模型尺寸等实际参数进行定制加工，作为限位装置确保加载系统与模型试块紧密连接；高速摄像测试系统能够捕捉到模型爆破瞬间的裂纹扩展等过程；爆破效果测试分析系统用于实验爆后数据采集与分析。以含有DDNP起爆药的数码电子雷管代替炸药，既能保证试验的有效性，实现对人员安全的保障以及防止对试验仪器的损坏；为防止在施加周边压力后由爆炸产生的瞬态荷载对钢架造成损坏，钢架与模型之间设隔振材料

2 爆破效果测试分析

选用菱形布孔的掏槽方案进行试验。制作尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的水泥砂浆模型试块，其中，试块H0不增设空孔，H16、H32空孔直径分别为16 mm、32 mm。单孔装3发雷管，对模型试块施加双向1 MPa的等围压，利用上述系统完成室内爆破。

菱形掏槽布置方案

»»爆破实验过程的高速影像测试分析

高速摄像机拍摄的爆破试验过程显示：裂纹在扩展过程中会受到空孔引导，朝着沿试件的径向和炮孔与空孔连线45°方向扩展，在炮孔与空孔之间形成贯通裂纹。当应力波从边界反射回来时，岩石主要受到拉伸应力波影响，裂纹进一步发育并最终贯通，最终在掏槽孔外围产生大量径向裂纹及次生裂纹。裂纹的扩展和连通导致了岩体强度降低，最终形成较大的破坏区域。

(a)起裂阶段

(b)裂纹扩展阶段

(c)试块破坏

高速摄像拍摄的爆破试验过程

»»爆后块度测试分析

对模型爆后碎块进行回收，用不同孔径的标准筛对碎块进行筛分。由筛分结果可知，H0和H32模型试块的碎块粒度分布趋势相似，都显示出小块碎块较少而大块碎块较多的特点，且主要集中在粒径超过53 mm的区间，这一区间的碎块质量占比分别达到了67.0%和77.1%。H0试块由于没有设置空孔，需要更多的能量来克服岩石的夹制作用，这导致没有足够的能量使岩石进一步破碎。当空孔直径为16 mm时，碎块的粒度分布更为均匀。

模型试验碎块块度筛分统计

碎岩块度分布

»»爆破裂纹扩展测试

爆破试验结束后，收集试验模型的裂纹扩展数据。

裂缝测宽仪测量裂缝宽度

»»爆破振速及应变采集测试

在模型表面距离炮孔不同位置安置振动传感器、贴应变片以及埋设应变砖，并与振速、应变采集系统连接，采集爆破时的振速值、应变值。

振速测点位置

应变测点位置

3 实验系统教学应用

张宪堂教授团队针对现有爆破实验教学中室内爆破试验难以开展、实验适用性较差等问题，设计了掏槽爆破室内模型教学实验系统。借助该系统，可以在实验室内重复从模型制作装药起爆到结果分析的整个爆破过程，增进师生对于岩石爆破过程的直观认识，掌握掏槽爆破试验过程、数据处理方法以及相关仪器的使用。既能满足本科生的实验教学需求，也为教师和研究生开展科学研究提供了平台。

掏槽爆破室内模型教学实验系统

本项研究取得如下结论：

（1）实验系统利用多台大吨位电液伺服作动器对大比例尺模型进行室内加载，实现了高应力的可控持续稳定加载和实时监测。实验可根据岩巷不同地应力分布特征完成不同的加载方法和模型设计，更加真实地模拟深部岩巷掘进爆破过程。

（2）该模型试验中选用飞石运动轨迹、爆堆形状、爆后块度分布特征及爆破振动效应反演高应力岩巷掘进掏槽爆破破岩过程，研究角度更加细致全面。同时该模型试验可以为高速摄像机、三维扫描仪等测试仪器提供足够光源和空间，确保采集的试验数据更加准确和全面。

（3）利用该实验系统，师生可以开展不同工况下的掏槽爆破试验，直观地感受掏槽爆破试验过程；对裂纹开展、爆堆块度分布等试验数据进行收集与分析，掌握利用相关仪器搜索处理试验数据的方法；进行多个现场实践环节，提高学生参与度与工程实践能力，增强对岩巷掘进掏槽爆破的破岩过程以及模型试验的深入理解。

作者简介

张宪堂

山东科技大学教授、博士、博士研究生导师

青岛西海岸新区拔尖人才，第八届泰安市青年科技奖获得者，山东科技大学教学名师、优秀研究生指导教师。主要从事爆破爆炸及其灾害预防控制、风浪流、爆炸等极端荷载下桥梁及大跨结构安全与防护、地下空间工程智能化设计与施工技术等方面的教学与科研工作。主持国家自然科学基金面上项目、中国博士后特别资助科学基金、山东省自然科学基金面上项目等项目25项，主持中煤能源集团、山东能源集团、山东黄金集团、山东高速集团、青岛国信胶州湾第二海底隧道有限公司等企事业单位委托工程技术研发项目30余项。在国内外学术期刊和会议发表论文150余篇，第一作者或通讯作者发表SCI/EI收录论文47篇；第一作者或独立出版专著2部，主编或参编8部地方性标准规范、著作及教材；获得国家授权发明专利16项；获得山东省科技进步二等奖、山东省省级教学成果奖二等奖等教学科研奖励27项。兼任中国煤炭学会爆破专业委员会秘书长，中国岩石力学与工程学会岩石动力学专业委员会常务委员、软岩工程与深部灾害控制分会理事，煤炭行业煤矿专用设备标准化技术委员会井巷设备分会委员等，担任《山东科技大学学报》（自然科学版）《中国海洋平台》等期刊编委。

成果来源

张宪堂，焦相团，余辉，王洪立，李兆彬，周红敏.井巷掘进掏槽爆破室内模型教学实验系统研发与应用[J/OL].金属矿山，1-12.

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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