切縫藥包在露天控制爆破中的應(yīng)用研究

田應(yīng)祥，張義平，金桑桑，羅 毅，萬(wàn)嗣鵬

(貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

傳統(tǒng)預(yù)裂爆破與光面爆破運(yùn)用在邊坡開挖與巷道掘進(jìn)中，爆破后保護(hù)區(qū)巖體的損傷依舊較為嚴(yán)重、巷道輪廓成形效果并沒有得到明顯改善[1-2]。為了解決這個(gè)問題，研究人員引入了切縫藥包定向斷裂爆破技術(shù)以提高預(yù)裂爆破或光面爆破效果。切縫藥包是指在普通藥包外加一個(gè)切縫管，通過(guò)切縫控制爆破應(yīng)力在切縫方向形成應(yīng)力集中并增強(qiáng)該方向爆生氣體的氣楔作用，從而達(dá)到增強(qiáng)爆破能量對(duì)切縫方向破壞作用的目的。目前，切縫藥包在露天邊坡開挖與井巷掘進(jìn)的預(yù)裂爆破、光面爆破中被逐漸推廣應(yīng)用，為使該技術(shù)更好地應(yīng)用與發(fā)展，大量專家學(xué)者對(duì)其作用機(jī)理、影響因素及工程應(yīng)用等進(jìn)行了各方面的研究。

張志呈等[3]、羅勇等[4]對(duì)切縫藥包定向斷裂爆破原理及參數(shù)進(jìn)行了綜合分析與討論，并以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果，證明了該技術(shù)的優(yōu)越性。楊仁樹等[5]、李清等[6]通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究切縫藥包爆破作用機(jī)理，并闡釋其爆炸應(yīng)力波、爆生氣體如何促使爆炸裂紋的擴(kuò)展。戴俊等[7]運(yùn)用彈性及彈塑性理論分析切縫藥包控制爆破裂縫形成機(jī)理，提出了適合于彈塑性條件下初始裂縫形成的應(yīng)力強(qiáng)度因子。楊仁樹等[8]將切縫藥包運(yùn)用到巷道掘進(jìn)中，使得炮孔利用率達(dá)到90%以上；其與普通光面爆破相比，在同孔距情況下，裝藥量減少了16.7%；同藥量情況下，周邊孔間距擴(kuò)大了100 mm。單仁亮等[9]通過(guò)混泥土模型實(shí)驗(yàn)，得到切縫藥包理想的不耦合系數(shù)和切縫寬度，在大雁礦區(qū)軟巖巷道中進(jìn)行試驗(yàn)獲得了半眼痕率大于83%，超欠挖小于100 mm的好成績(jī)。 岳中文等[10]、楊國(guó)梁等[11]和黃其沖[12]分別運(yùn)用模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬研究不同切縫藥包裝藥結(jié)構(gòu)的爆破效應(yīng)，得出軸向不耦合系數(shù)在1.5～2.0之間爆破效果較好，當(dāng)不耦合系數(shù)為1.5，切縫寬度為10 mm時(shí)切縫藥包聚能效果較好。金桑桑[13]設(shè)計(jì)使用圓環(huán)居中裝置將以往偏心裝藥改為同心裝藥方式，發(fā)現(xiàn)其可提高預(yù)裂爆破效果，且比傳統(tǒng)竹片裝藥方式更加經(jīng)濟(jì)、高效。從已有研究資料可知，專家學(xué)者多使用理論分析、模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)切縫藥包的作用機(jī)理和影響因素進(jìn)行相關(guān)研究，相對(duì)缺乏工程實(shí)踐研究，其研究成果在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多不足之處，為此，應(yīng)加強(qiáng)切縫藥包工程應(yīng)用方面的研究。

本文在切縫藥包與預(yù)裂爆破作用原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化試驗(yàn)，把切縫藥包運(yùn)用在露天邊坡開挖的預(yù)裂爆破中。該技術(shù)提高了爆破能量的利用率、減少了爆破產(chǎn)生的危害、降低了施工成本、取得了良好的工程爆破效果、可為相關(guān)爆破工程參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 切縫藥包預(yù)裂爆破破巖理論分析

1.1 作用原理分析

切縫藥包預(yù)裂爆破是一種通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)普通藥包預(yù)裂爆破(簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)預(yù)裂爆破)的裝藥結(jié)構(gòu)，從而使得藥包爆炸時(shí)的能量更集中地作用于預(yù)定方向的技術(shù)。其作用機(jī)理是通過(guò)調(diào)整藥包切縫方向與預(yù)裂孔中心連線方向一致，當(dāng)切縫藥包爆炸時(shí)，在切縫方向，切縫口對(duì)爆轟產(chǎn)物傳遞的導(dǎo)流作用，使其形成高速射流，加快了孔壁初始裂紋的形成，增強(qiáng)了破巖的效果。此外，切縫管的約束作用，使爆轟氣體破巖作用時(shí)間得以延長(zhǎng)，從而增加了切縫方向裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度；而在非切縫方向，因爆破能量經(jīng)過(guò)切縫管和空氣介質(zhì)的雙重削弱后才作用于孔壁，所以減弱了爆破能量對(duì)該方向孔壁的破壞作用。由此可知，把切縫藥包運(yùn)用在預(yù)裂爆破中，可有效改善定向斷裂效果并減小被保護(hù)巖體的破壞程度。切縫藥包作用原理如圖1所示。

圖1 切縫藥包作用原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the action principleof slit cartridge

1.2 裂紋擴(kuò)展條件與長(zhǎng)度理論分析

根據(jù)巖石斷裂力學(xué)理論可知，當(dāng)裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于巖石的斷裂韌性KIC時(shí)，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，反之?dāng)U展停止，即裂紋起裂條件為：KI≥KIC。其中,KI計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：P為孔壁所受壓力值；F為應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)，F(xiàn)=[(rb+al)/rb]；rb為炮孔半徑；al為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。將起裂條件代入式(1)得裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的臨界力P，見式(2)。

(2)

當(dāng)裂紋開始擴(kuò)展后，其擴(kuò)展長(zhǎng)度y主要由爆轟氣體壓力與巖石的斷裂應(yīng)力因子強(qiáng)度決定，y值可通過(guò)式(3)計(jì)算得出。

(3)

式中，μ為泊松比，其余符號(hào)意義同上。

根據(jù)切縫藥包預(yù)裂爆破作用機(jī)理及式(1)～式(3)可知，炮孔裝藥量、徑向裝藥不耦合系數(shù)、切縫管材質(zhì)、切縫寬度是影響爆破效果的關(guān)鍵因素[14-15]。在進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)運(yùn)用理論分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，科學(xué)、合理地選定爆破參數(shù)。

2 工程概況與爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工程簡(jiǎn)介

貴州省貴安新區(qū)某基地開挖工程項(xiàng)目，其爆區(qū)東面300.0 m處有磚木結(jié)構(gòu)瓦房、磚混結(jié)構(gòu)民房，西面距一級(jí)重要設(shè)施貴安高鐵站最近距離為125.0 m。根據(jù)爆區(qū)與最近保護(hù)區(qū)的距離及施工生產(chǎn)要求，此次爆區(qū)主體選擇使用中深孔控制爆破，爆區(qū)西面邊坡開挖，要盡量保持邊坡的完整性與穩(wěn)定性，同時(shí)減小爆破振動(dòng)對(duì)周圍構(gòu)建物的影響，所以決定采用預(yù)裂爆破進(jìn)行邊坡開挖。該工程爆區(qū)內(nèi)，巖石種類以灰?guī)r與白云巖為主，巖體為中硬巖或巖體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的巖層，開挖場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，采集巖樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)，其結(jié)果見表1。

表1 爆區(qū)巖石的力學(xué)特性Table 1 Mechanical properties of rock in the blast zone

2.2 工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 主爆區(qū)參數(shù)是根據(jù)工程質(zhì)量需求與其現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際條件，此次主爆區(qū)炮孔直徑為115 mm，臺(tái)階高度H0=5.5 m，超深h=0.5 m，孔深L=6.0 m，孔距a=3.0 m，排距b=1.5 m，填塞長(zhǎng)度l0=3.0 m，單孔藥量Q=15 kg。 藥卷選用直徑為70 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥，采用反向裝藥。裝藥結(jié)構(gòu)為孔內(nèi)連續(xù)裝藥，徑向不耦合系數(shù)為1.65。布孔方式以梅花形布孔為主，局部矩形布孔。起爆網(wǎng)路采用排間毫秒延時(shí)順序起爆。 使用串-并聯(lián)網(wǎng)路，排間采用3段非電導(dǎo)爆管連接，孔內(nèi)采用11段非電導(dǎo)爆管或13段非電導(dǎo)爆管，孔間采用3段非電導(dǎo)爆管連接。

2) 預(yù)裂爆破參數(shù)：結(jié)合以往施工案例和工程爆破方案，取預(yù)裂孔直徑db=90 mm，鉆孔深度H=6.0 m。填塞長(zhǎng)度l=1.2 m，預(yù)裂孔的徑向不耦合系數(shù)k根據(jù)式(4)計(jì)算，再結(jié)合現(xiàn)有小直徑藥卷炸藥實(shí)際情況，選取藥卷直徑為32 mm，可得k=2.81。

(4)

式中：lb為炮孔長(zhǎng)度,m；le為裝藥長(zhǎng)度,m；在中硬巖中σc=1 200 kg/cm2，u取0.25；其余符號(hào)意義同上。

預(yù)裂孔孔間距S根據(jù)理論公式(式(5))和經(jīng)驗(yàn)公式(式(6))計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際情況取S=0.8 m。預(yù)裂孔與主爆區(qū)最后一排炮孔間距取0.5a=1.5 m。

S=db(21k-1.4+47k-2.4)

(5)

S=(8-13)db

(6)

線裝藥密度(一般指正常段)q根據(jù)式(7)計(jì)算并結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)取500 g/m。

(7)

全孔線裝藥密度(包含底部加強(qiáng)裝藥段)為q0為600 g/m，裝藥段長(zhǎng)度為4.0 m。裝藥方式采用間隔裝藥。預(yù)裂孔超前主爆孔100毫秒起爆。炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of gun hole layout

3 工程應(yīng)用及效果分析

本文為了提高邊坡預(yù)裂爆破開挖效果，決定改進(jìn)以往使用的傳統(tǒng)預(yù)裂爆破技術(shù)，研究使用切縫藥包預(yù)裂爆破，并對(duì)比研究?jī)烧弑菩Ч牟町悺?/p>

3.1 切縫藥包預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)選取PVC做為切縫管材質(zhì)，且已根據(jù)實(shí)際施工情況選取預(yù)裂孔的線裝藥密度為500 g/m、裝藥長(zhǎng)度為4.0 m，徑向不耦合系數(shù)為2.81，而影響爆破效果的關(guān)鍵因素切縫寬度還未得到合理確定。為此，在運(yùn)用該技術(shù)時(shí)，有必要對(duì)切縫寬度值進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，選取合理的切縫寬度，以提高爆破效果。

3.1.1 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取切縫寬度作為變量，其余參數(shù)均為不變量。 根據(jù)預(yù)裂孔深度、PVC管材質(zhì)及裝藥參數(shù)等情況，選定每根PVC管的長(zhǎng)度為2.0 m，外徑為40 mm，內(nèi)徑為36 mm，管體有上下各兩條軸對(duì)稱的切割縫，每條切縫的長(zhǎng)度為0.8 m，每個(gè)炮孔裝兩根切縫管。據(jù)文獻(xiàn)[16]可知當(dāng)切縫管直徑為40 mm時(shí)，切縫寬度在6～18 mm范圍內(nèi)，爆破效果較好，由此，分別選取切縫寬度為10 mm和15 mm進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以預(yù)裂縫寬度、預(yù)裂面不平整度及半孔率作為評(píng)判切縫藥包預(yù)裂爆破效果的指標(biāo)，從中選取較為合理的切縫寬度。為使預(yù)裂面更加平整，本次試驗(yàn)選擇同心裝藥的方式，并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)圓環(huán)居中裝置固定切縫藥包位于炮孔中心，其裝置外徑為90 mm，內(nèi)徑為40 mm，厚度為1 cm，每根切縫管上下各裝配一個(gè)，其圓環(huán)居中裝置如圖3所示?？紤]到此次試驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)，見表2，每組做三次重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)鉆6個(gè)預(yù)裂孔。

表2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)分組Table 2 Parameters optimization test group

圖3 圓環(huán)居中裝置Fig.3 Ring centering device

3.1.2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)兩組不同切縫寬度參數(shù)的切縫藥包預(yù)裂爆破試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，10 mm切縫寬度比15 mm的預(yù)裂爆破效果顯然更好。根據(jù)切縫藥包作用機(jī)理及巖石斷裂力學(xué)對(duì)兩者爆破效果差異進(jìn)行分析，當(dāng)切縫寬度過(guò)大時(shí)，爆炸沖擊波與爆生氣體在切縫處產(chǎn)生較強(qiáng)的繞流作用，致使切縫方向爆破能量分散嚴(yán)重，從而不利于切縫方向孔壁初始裂紋的定向發(fā)展并減弱了爆生氣體對(duì)裂縫的擴(kuò)展作用，同時(shí)會(huì)伴隨許多徑向伴生裂縫出現(xiàn)。所以采用過(guò)大的切縫寬度進(jìn)行切縫藥包預(yù)裂爆破后，反而會(huì)出現(xiàn)預(yù)裂縫寬度減小、預(yù)裂面平整度下降及半孔率降低的現(xiàn)象。

表3 切縫藥包預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimizing results of pre-splitting blastingparameters of slitting cartridge

3.2 不同藥包預(yù)裂爆破的工程應(yīng)用研究

3.2.1 工程應(yīng)用對(duì)比方案

在同一邊坡開挖地段，控制其他預(yù)裂爆破相關(guān)參數(shù)不變，在切縫藥包預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將切縫藥包預(yù)裂爆破與傳統(tǒng)普通藥包預(yù)裂爆破進(jìn)行兩組工程應(yīng)用對(duì)比，每次爆破鉆24個(gè)預(yù)裂孔。爆破效果由預(yù)裂縫寬度、預(yù)裂面不平整度、半孔率及保護(hù)區(qū)爆破振動(dòng)強(qiáng)度這四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判。

3.2.2 結(jié)果及分析

通過(guò)兩組不同藥包預(yù)裂爆破的工程應(yīng)用，得到結(jié)果見表4。由表4可得，切縫藥包預(yù)裂爆破效果比傳統(tǒng)普通藥包預(yù)裂爆破更好，其爆破后預(yù)裂面平整度分別如圖4和圖5所示。通過(guò)分析可知，切縫藥包預(yù)裂爆破后預(yù)裂縫寬度平均值為4.45 cm，是傳統(tǒng)普通藥包預(yù)裂爆破預(yù)裂縫寬度平均值2.10 cm的2.12倍；前者預(yù)裂面不平整度平均值為5.90 cm，相比后者預(yù)裂面不平整度平均值12.50 cm減少了52.8%；前者半孔率平均值為87%，相比后者半孔率平均值66%提高了21%；前者的振動(dòng)速度峰值平均值為0.886 5 cm/s，相比后者的振動(dòng)速度峰值平均值1.249 0 cm/s降低了29.02%。

表4 不同藥包預(yù)裂爆破的應(yīng)用效果Table 4 Application effect of pre-split blastingwith different drug packs

圖4 預(yù)裂面1(切縫藥包)Fig.4 Pre-crack surface 1(slit cartridge)

圖5 預(yù)裂面2(傳統(tǒng)藥包)Fig.5 Pre-crack surface 2(traditional cartridge)

工程應(yīng)用結(jié)果表明，采用切縫藥包預(yù)裂爆破時(shí)，因切縫管對(duì)爆破能量的引導(dǎo)效應(yīng)和對(duì)爆生氣體作用時(shí)間的延長(zhǎng)，既加強(qiáng)了爆破能量對(duì)切縫方向的破巖能力又削弱了爆破能量對(duì)非切縫方向的破壞作用，使得預(yù)裂爆破后可在預(yù)裂孔中心連線上(切縫方向)形成一條較寬的預(yù)裂縫和平整的預(yù)裂面，以阻隔主爆區(qū)爆破能量向保護(hù)區(qū)傳遞，從而極大地降低了爆破振動(dòng)傳播的振速，減少了爆破能量對(duì)保留邊坡與周邊構(gòu)建筑物的損害，為后期的邊坡維護(hù)提供了有利條件。

4 結(jié) 論

1) 本文切縫藥包預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：當(dāng)爆區(qū)巖性屬于中硬巖，采用90 mm直徑預(yù)裂孔、32 mm直徑藥卷并搭配外徑40 mm、內(nèi)徑36 mm、切縫長(zhǎng)度0.8 m、切縫寬度為10 mm的PVC切縫管進(jìn)行切縫藥包預(yù)裂爆破，其預(yù)裂爆破效果較好。

2) 切縫藥包預(yù)裂爆破與傳統(tǒng)預(yù)裂爆破相比，其爆破后預(yù)裂縫寬度增加了1.12倍，預(yù)裂面不平整度降低了52.8%，半孔率提高了21%，振動(dòng)速度峰值降低了29.02%，體現(xiàn)了切縫藥包在預(yù)裂爆破中的優(yōu)越性。

3) 在露天邊坡開挖中，使用切縫藥包預(yù)裂爆破比傳統(tǒng)預(yù)裂爆破更加有效地減少爆破能量對(duì)保留邊坡與周圍構(gòu)建筑物的損害，其利于邊坡維護(hù)、保證施工進(jìn)度、可較好地滿足施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并降低開挖成本。