高臺階松軟巖體預(yù)裂爆破半隔孔導(dǎo)向作用效果的試驗研究

師強強 潘祖瑛 李二寶3

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司）

在松軟巖體區(qū)域進行預(yù)裂爆破時，由于巖體原生裂隙的存在對裂縫的形成和擴展存在很大的影響。炮孔連心線上主裂紋貫通形成的同時也引起炮孔壁周圍巖體中的原有細小裂紋起裂擴展，最終導(dǎo)致保護區(qū)巖體的進一步破碎、超挖，達不到良好的預(yù)裂效果。在工程實踐中為達到控制爆破的目的，適當設(shè)置導(dǎo)向孔［1］，可使之按預(yù)定方向擴展，并抑制其它方向的裂紋生成，從而達到理想的控制效果。

1 高臺階爆破介紹

近年來，為減少剝離量，降低成本，不少露天礦山最終邊坡采用并段方式，使最終段高變?yōu)?4 m 甚至更高。在高臺階預(yù)裂爆破時，為克服炮孔底部夾制作用，炮孔底部加強裝藥量和孔深的大致關(guān)系如表1所示［2］。

注：L1為加強裝藥段長度，m；qy1為加強裝藥段線裝藥密度，g/m；qy為正常裝藥段線裝藥密度，g/m。

從表1可發(fā)現(xiàn)預(yù)裂爆破孔深20 m時，加強裝藥段線裝藥密度將是正常段的5～6倍，如果孔深達到26 m時，這個比例將會更大。這種情況下，如采用常規(guī)的設(shè)置導(dǎo)向孔的爆破方法，在不耦合系數(shù)的約束下，難以滿足底部加強裝藥量的要求。因此，針對高臺階預(yù)裂爆破提出在2 個正常裝藥預(yù)裂孔之間設(shè)置半隔孔的布孔方式。所謂半隔孔即布置在2 個正常裝藥孔中間，炮孔底部加強裝藥，上部空置的結(jié)構(gòu)形式，見圖1。這種布孔形式上部能起到空孔導(dǎo)向作用，下部加強裝藥也能克服超深孔底部的夾制作用。

2 半隔孔作用機理

（1）半隔孔上部導(dǎo)向作用機理。當正常裝藥孔爆破后，會激起應(yīng)力波向外傳播，當應(yīng)力波到達孔壁后，導(dǎo)致附近巖體中產(chǎn)生微裂隙并且擴展。應(yīng)力波傳到空孔時，并在空孔處產(chǎn)生反射，由于應(yīng)力波的反射，空孔孔壁附近的應(yīng)力將比無空孔時應(yīng)力大，即表現(xiàn)為空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)。根據(jù)彈性力學(xué)理論確定的空孔峰值應(yīng)力狀態(tài)［3］為

式中，σθθ為空孔應(yīng)力集中后巖石中的切向應(yīng)力，MPa；σθ為巖石中某一點的徑向應(yīng)力，MPa；σr為巖石中某一點的切向應(yīng)力，MPa；k=，r2為空孔半徑，cm，rb為巖石中某一點距空孔中心的距離，cm；θ為任意方向與孔間連線的夾角，（°）。

當k=1，θ=±π時，σθθ=3σθ+σr為極大值。

可知在相鄰炮孔連線方向出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。該集中應(yīng)力導(dǎo)致裂紋優(yōu)先向槽孔與空孔的連線方向發(fā)展。所以空孔的存在同時起到了導(dǎo)向裂隙的作用。初始裂縫猶如導(dǎo)向的“溝道”，隨著裂隙擴展。隨后，孔內(nèi)爆生氣體形成的氣楔擠入孔壁的初始徑向裂紋，產(chǎn)生“氣刃效應(yīng)”作用，使裂紋進一步擴展。最終，在應(yīng)力波和爆生氣體的共同作用下形成貫通的裂縫。

（2）半隔孔底部夾制作用。綜合分析影響巖體爆破破裂的各種因素，所謂炮孔底部夾制作用，即巖體初始應(yīng)力對破裂成縫的影響。研究表明，巖體初始應(yīng)力在孔壁周圍產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力集中將抵消爆炸應(yīng)力波而產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力集中。這種情況下，不利于孔壁形成初始裂縫。在裂縫擴展過程中，巖體初始應(yīng)力的存在也將會抑制裂縫的擴展，使表征裂縫擴展能力的應(yīng)力強度因子值降低［4］。

平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值稱之為側(cè)壓比，其值隨深度的增加而減小。其變化范圍基本上介于以下范圍。

式中，σh.av為水平應(yīng)力，MPa；σv為垂直應(yīng)力，MPa。

由式（2）可以看出，在淺層地殼中平均水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力［5］。當側(cè)壓力系數(shù)相同時，埋深越大，水平應(yīng)力越大，受初始地應(yīng)力場影響裂紋擴展長度越小，裂紋數(shù)量越少，爆破效果也就越差［6］，這就是底部夾制作用的主要原因。半隔孔底部加強裝藥將彌補正?？籽b藥不足的情況，克服炮孔深部初始地應(yīng)力，可以改善底部爆破效果。

3 主要參數(shù)確定

（1）不耦合系數(shù)。在沖擊壓縮條件下裂隙發(fā)展的格里菲斯判據(jù)確定的不耦合系數(shù)［7］Kd為：

式中，db、dc分別為炮孔直徑和藥卷直徑，m；ρ0為炸藥的密度，g/m3；V為炸藥的爆速，m/s；n為壓力增大系數(shù)；K為在沖擊載荷下巖石抗壓強度增大系數(shù)；T為巖石單軸抗拉強度，MPa。

對于板巖，其單軸抗壓強度σ=68 MPa，單軸抗拉強度T=5.4 MPa。取ρ0=1.15 g/cm3，V=5 000 m/s，取n=10，K=10，代入式（3）得出Kd≥2.1。

根據(jù)試驗及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，不耦合系數(shù)一般取2～4，本工程試驗地區(qū)為中等強度巖石，且局部較為破碎，現(xiàn)場提供的藥卷最小直徑為45 mm，本工程取穿孔直徑120 mm，不耦合系數(shù)2.67。

（2）合理孔間距。預(yù)裂孔孔間距常按照下面公式估算。

由于d=120 mm，孔距a的取值范圍為0.96～1.44 m，為方便現(xiàn)場布孔，孔距a=1.4 m。

（3）線裝藥密度。根據(jù)經(jīng)驗，露天深孔預(yù)裂爆破線裝藥密度按下列公式［2］確定。

式中，q1為炮孔線裝藥密度，kg/m；σy為巖石抗壓強度，MPa。

對于板巖，其單軸抗壓強度σy=68 MPa，當孔距a=1.4 m 時，q=0.58 kg/m，考慮到現(xiàn)場巖性局部較破碎，取q=0.55 kg/m。

4 現(xiàn)場試驗

試驗地段巖石類型為板巖，局部較為破碎，巖石硬度系數(shù)約為6～7。根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果，巖石抗壓強度為68.2 MPa，容重為25.9 kN/m3。

4.1 試驗方案

為驗證上述技術(shù)及參數(shù)的合理性，在巴潤采場進行了現(xiàn)場試驗研究。本次試驗采用雙段預(yù)裂爆破施工，預(yù)裂孔采取雙段穿孔，一次爆破。緩沖孔和主爆孔采取單臺階穿孔爆破。采用液壓潛孔鉆機穿孔，預(yù)裂孔和緩沖孔傾斜角度與設(shè)計坡面角一致，傾角為65°，預(yù)裂孔、緩沖孔直徑120 mm，主爆孔直徑為150 mm，傾角為90°［8］。

（1）試驗參數(shù)。本次采用對比試驗分析半隔孔底部加強裝藥效果，總共進行了4次現(xiàn)場試驗。試驗1和試驗2是比較正常孔距和裝藥情況下設(shè)置空孔對裂縫貫通的作用；試驗1 為常規(guī)預(yù)裂爆破方案，每孔均正常裝藥；試驗2 每2 個正常裝藥孔中間設(shè)置1 個導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥；試驗3 和試驗4 是比較設(shè)置半隔孔的優(yōu)勢，同時為了提高穿孔效率，節(jié)約成本，相比較試驗2 將孔距增大為0.9 m，試驗3 每2 個正常裝藥孔中間設(shè)置1個半隔孔，半隔孔底部加強裝藥高度為5 m，試驗4每2個正常裝藥孔中間設(shè)置1個導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥。試驗參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)詳見表2、圖2。

（2）爆破網(wǎng)絡(luò)。預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索齊發(fā)爆破。保護區(qū)域采用高精度毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)孔外微差相結(jié)合，逐孔順序起爆網(wǎng)路?？變?nèi)放375 ms延期雷管，孔外同一排炮孔之間采用25 ms 延期雷管傳爆，排與排之間采用42 ms 延期雷管傳爆。預(yù)裂孔與主爆孔之間采用高精度導(dǎo)爆管雷管連接，預(yù)裂孔超前主爆區(qū)150 ms 起爆，主爆孔、緩沖孔依次起爆。試驗1爆破網(wǎng)絡(luò)見圖3。

（3）試驗過程。按照爆破設(shè)計參數(shù)，將預(yù)裂藥柱用膠帶間隔綁在導(dǎo)爆索上，然后送入孔內(nèi)，見圖4。

4.2 試驗結(jié)果

試驗1 是常規(guī)的預(yù)裂爆破施工方案，孔距為1.4 m，平均線裝藥密度為0.55 kg/m，每孔均正常裝藥，沒有預(yù)留導(dǎo)向孔。結(jié)果半壁孔痕率較低，不足50%，不平整度30～50 cm，特別是坡面上半部分存在超挖現(xiàn)象，超挖0.5～1 m，爆破效果見圖5（a）。

試驗2 孔距為0.7 m，線裝藥密度與試驗1 相同，每2 個正常裝藥孔中間設(shè)1 個導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥，結(jié)果半壁孔孔痕率較高，達到90%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分沒有超挖，底部完全貫通，爆破效果見圖5（b）。

試驗3 孔距為0.9 m，線裝藥密度增大為0.7 kg/m，導(dǎo)向孔底部加強裝藥高度5 m，結(jié)果半壁孔孔痕率較高，達到80%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分超挖在20 cm 以內(nèi)，底部完全貫通，爆破效果見圖6（a）。

試驗4 孔距和線裝藥密度與試驗3 相同，每2 孔中間設(shè)1個導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥。結(jié)果上部半壁孔貫通情況較好，半壁孔孔痕率較高，達到80%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分超挖在20 cm 以內(nèi)，但是底部裂縫未貫通，出現(xiàn)較多根底，爆破效果見圖6（b）。

通過對比試驗發(fā)現(xiàn)試驗2 的爆破效果最好，這也證明了空孔在預(yù)裂爆破中的導(dǎo)向作用。但是，試驗2 中孔間距太小，施工困難，穿孔效率低，成本大。本研究提出的試驗3 方案，即在半隔孔底部加強裝藥，上部為空孔的裝藥結(jié)構(gòu)。這種裝藥結(jié)構(gòu)既利用了空孔的導(dǎo)向作用，又增加了超深孔底部炸藥密度，上部空孔的存在抑制了其他方向上的巖石破裂程度，控制了炮孔上部的過度粉碎，減少了超挖量，有利于形成較穩(wěn)定的邊坡。炮孔底部炸藥密度的增加有利于克服超深孔底部夾制作用，能夠形成貫通的裂縫，減少了破碎錘費用，相比較試驗2 也擴大了孔距，可節(jié)省約5%的成本，同樣也取得了良好的試驗效果。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)高臺階松軟巖體的深孔底部夾制作用明顯增大，加強裝藥量明顯增大的實際情況，為控制裂縫沿著炮孔連心線的發(fā)展，并且有效地克服高臺階深孔底部的夾制作用，提出了采用設(shè)置半隔孔的預(yù)裂爆破施工方案。

（2）通過理論分析，闡述了半隔孔的導(dǎo)向作用和克服深部夾制作用的機理。根據(jù)實際情況，對預(yù)裂爆破不耦合系數(shù)、孔間距和線裝藥密度等參數(shù)進行了優(yōu)化研究。

（3）以理論分析為依據(jù)，進行了現(xiàn)場施工。通過4 次對比試驗，得出設(shè)置半隔孔的預(yù)裂爆破底部加強裝藥高度5 m，上部空置時能使預(yù)裂縫沿炮孔連心線方向開裂，抑制了其他方向上的巖石破碎，并且有效地克服了底部夾制作用，能夠形成貫通的裂縫，取得了較好的爆破效果，節(jié)省了施工費用。