爆破減振緩沖墊的發(fā)展和展望

成旭+孟祥棟+張為+李海港+魏格平

摘要在對巖體爆破開挖減振方法分析的基礎(chǔ)上，針對毫秒延時降振技術(shù)的不足，文章介紹了一種使用簡便、成本低的有效降低巖體爆破開挖振動的緩沖墊及其研發(fā)歷程，首次用在煤礦井下巷道、隧道地下工程、露天礦山及水電站邊坡工程爆破開挖的生產(chǎn)實踐，證實了緩沖墊在爆破工程中顯著的減振效果。攀枝花露天鐵礦邊坡爆破開挖工程中，半孔率可達到9 5%以上，并和預(yù)裂爆破效果首次作了生產(chǎn)實踐對比，比預(yù)裂爆破振動速度降低50%以上，云南苗尾水電站邊坡爆破開挖工程中，半孔率可達到95%以上。

關(guān)鍵詞緩沖墊減振；安全閾值；現(xiàn)場實踐證明；半孔率；發(fā)展展望

黑色火藥是中國在公元3世紀時的偉大發(fā)明，把硝石、硫磺和木炭末混合起來做成黑色火藥，但是，這種火藥煙多、爆炸力不強，所以一般只用在步槍子彈和焰火上，直到19世紀，黑色火藥一直在炸藥領(lǐng)域里獨占鱉頭。1863年10月，諾貝爾研制的硝化甘油炸藥的第一項專利權(quán)得到了批準。新炸藥用在礦山、鐵路工程、山洞開鑿、修路架橋，之后，發(fā)源于中國的傳統(tǒng)黑色炸藥為黃色炸藥所取代，成為以后所有化學(xué)炸藥工業(yè)的基礎(chǔ)，直接或間接地帶來了一場無法估量的具有深遠意義的革命。

在安全炸藥尤其是乳化炸藥進入工程領(lǐng)域以后.礦業(yè)、工業(yè)和交通運輸?shù)确矫娴哪承O其重要的工程都開始應(yīng)用，在開辟許多較大的隧道、水下爆破和運河建造中也大顯身手，在采礦方面開辟了新的路徑，而采礦在發(fā)展經(jīng)濟中起著重大作用，在鐵路、公路、大型硐庫建設(shè)甚至土地開墾中也是不可缺少的，促使許多產(chǎn)業(yè)發(fā)生重大變革，炸藥特別是乳化炸藥的發(fā)明是社會進步的重要推動力之一。

但是，工程爆破有三大公害：飛石、爆炸引起的空氣沖擊波擾動和爆破引起的地振動，爆破地振動較為復(fù)雜，一直都在努力解決。由于爆破是在瞬間完成的，也沒法觀察炮孔內(nèi)爆破過程，爆破環(huán)境條件也是多變，爆破振動危害仍然是一個困擾著國內(nèi)外工程爆破界的研究難題。

爆破減振措施大致有3種：一是針對爆源所采取的控制措施，比如毫秒延時爆破干擾降振法，控制最大段藥量、優(yōu)化爆破參數(shù)，改變爆破方式等；二是針對減振對象采取措施，如增加吸振器或改變受振結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特性；三是對爆破地振波在傳播過程中采取減振措施，如開挖減振溝槽，增加凌空面，減小夾制等。目前在工程爆破中應(yīng)用最多的（或者說各國學(xué)者重點研究的）是毫秒延時起爆減振技術(shù)。

地下工程（井巷、隧道等）爆破開挖時，周邊炮孔爆破對輪廓線外的圍巖體，會造成一定的超挖和很多松動裂縫，這些導(dǎo)致影響巖體的不穩(wěn)定，而目前使用的光面爆破、預(yù)裂爆破及毫秒延時爆破減振技術(shù)，都不能較好地解決上述問題，預(yù)留巖體直接受到炸藥爆炸的沖擊。

為解決超挖問題，開始了定向斷裂爆破掘進技術(shù)的研究，包括切縫藥包、切槽炮孔和聚能藥包3種定向斷裂爆破方法。在相同條件下，切槽斷裂控制爆破比光面爆破和預(yù)裂爆破的眼痕率值大10%～50%以上。切縫藥包定向斷裂爆破掘進技術(shù)的原理是利用套管隔振、聚能多種作用，能獲得較好的爆破效果，形成較為理想的輪廓面，不僅比另外兩種方法定向斷裂效果好，而且技術(shù)上對鉆孔爆破沒有其它的要求，容易操作。

切縫藥包理論及爆破掘進技術(shù)，在煤礦、巖石巷道等工程中得到了大量的應(yīng)用，在切縫藥包成功用于眾多工程爆破開挖的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)減振技術(shù)提出了爆破減振緩沖墊。

1巖巷定向斷裂控制爆破技術(shù)的概況

在國內(nèi)外巖巷施工、巖體開挖工程中，為了減少超挖和對圍巖體的破壞，普遍采用光面爆破技術(shù)，但是由于一些原因，至今仍然存在超、欠挖和周邊不平整現(xiàn)象，周邊眼光面爆破對輪廓線以外的圍巖會產(chǎn)生較多的裂紋，對圍巖的破壞還是很嚴重的，特別在軟弱巖層中，問題尤為突出，不僅超欠挖嚴重，造成支護材料的浪費，而且造成頂板不穩(wěn)定性、影響支護效果。超挖現(xiàn)象不僅在煤礦如此，其它行業(yè)也存在。

有色金屬礦山巷道圍巖巖石硬度通常較大，爆破后實際掘進斷面比設(shè)計掘進斷面大不少，超挖系數(shù)一般都在20%或更大，這就加大了出渣量，也加大了支護壁后空隙的充填工作量，采用錨噴支護則加大了混凝土用量，成本增大。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）建筑學(xué)院在國內(nèi)首次采用切縫藥包、切槽炮孔和聚能藥包三種定向斷裂爆破方法，在煤礦現(xiàn)場進行了生產(chǎn)對比試驗。經(jīng)過數(shù)十個生產(chǎn)循環(huán)試驗表明，從理論上均有應(yīng)用的可能，但從生產(chǎn)應(yīng)用簡單、方便、效果顯著出發(fā)，優(yōu)選出以切縫藥包為主的定向斷裂爆破方法作為主要工藝技術(shù)，并在煤礦井下運輸大巷進行了正規(guī)生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。“巖巷定向斷裂爆破工藝研究”項目于1995年獲得中國煤炭部科技進步一等獎，1996年獲國家科技進步三等獎。

2爆破減振緩沖墊的提出

定向斷裂控制爆破方法包括切縫藥包、聚能藥包和刻槽爆破，定向切割巖石斷裂效果很好，但在降低爆破振動方面，效果不明顯，而爆破振動是工程爆破最主要的危害。隨著城市化的迅速發(fā)展，大量地鐵、隧道的修筑，而這些工程離地表很近，巖體爆破開挖引起的地表振動對地面設(shè)施、建筑的危害越來越顯著，重則引起地面建筑的開裂，甚至倒塌破壞，引起民事訴訟、財產(chǎn)的損失。在今后很長的時間，由于鉆爆法比機械掘進成本低很多，而且施工速度也要快得多，鉆爆法仍將是在巖體、尤其是硬巖中開挖地下空間的最主要掘進方式。

巖石爆破地振效應(yīng)是爆破安全的重要研究課題之一。

1950年，瑞典的蘭格福斯提出了光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)，在工程實踐中，為減小爆破引起的振動，通常采用分段爆破、預(yù)裂爆破、光面爆破等方法，目前在鄰近巖體的輪廓處，特別是在露天礦山等巖體邊坡工程，為了保護最終邊幫的穩(wěn)定性，在鄰近巖體的邊幫處大都采用預(yù)裂爆破技術(shù)并獲得較好的效果。

預(yù)裂爆破中為了保證預(yù)裂縫具有良好的隔振效果，必須防止預(yù)裂縫在隨后的爆破作用下下產(chǎn)生閉合，這就要求預(yù)裂爆破時所形成的預(yù)裂縫必須具有足夠的寬度，因為沒有臨空面，巖石夾制作用大，預(yù)裂爆破炮孔要裝足夠多的炸藥，才可以炸開足夠?qū)挼念A(yù)裂縫，對邊坡圍巖將造成破壞，勢必會影響最終邊坡圍巖的穩(wěn)定性。采用預(yù)裂爆破，從爆破后巖體破碎圈的測試知道，一般破碎帶深度為0.35m～0.7m，孔口拉裂在1.0m～3.0m左右，說明爆破對邊坡表面巖體會造成一定程度的破壞。

減小爆破引起的振動是爆破設(shè)計的重要目標之一，因此，尋求經(jīng)濟合理、有效的減振爆破技術(shù)，具有重大的意義和實用價值。爆破減振緩沖墊的提出，正是在這樣的工程背景、作者多年工程經(jīng)驗和理論知識的積累，受定向斷裂爆破（切縫藥包、聚能藥包、切槽爆破）開挖技術(shù)的成功應(yīng)用及建筑結(jié)構(gòu)減振的啟發(fā)而成。

3緩沖墊爆破減振技術(shù)的實際應(yīng)用

3.1緩沖墊爆破減振技術(shù)煤礦及隧道地下工程中的應(yīng)用

首次在川煤集團綠水洞煤礦巖石運輸大巷（圖3）、邢汾高速公路沼水隧道爆破掘進開挖工程中，進行了生產(chǎn)實踐，取得成功。

綠水洞煤礦運輸大巷沿煤層底板的茅口灰?guī)r內(nèi)掘進，茅口灰?guī)r堅固性系數(shù)f-8～10。屬于中硬巖。采用爆破后周邊孔在巖壁上殘留的半邊炮孔（常稱眼痕率）作為評價標準，能否留下眼痕標志著周邊輪廓的控制效果與巖壁質(zhì)量的好壞，這種評價方法由眼痕率來定量表達，定義為爆破后巖壁上可見眼痕總長度與周邊孔總長度之比。加裝緩沖墊爆破后，眼痕率超過90%（圖3），而沒有緩沖墊爆破后，巖壁上幾乎沒有一個半孔。運輸大巷不用支護。

圖4是隧道爆破掘進后在巖壁上留下的半壁炮孔相片，隧道所在的巖層為變質(zhì)石英砂巖、絹云石英砂巖及少量綠泥絹云板巖組成，巖石堅固性系數(shù)f-6.0，隧道掘進鉆眼是采用手抱風(fēng)鉆打眼，一次只能打3m長，爆破后，清完渣，再打眼爆破，從圖4可以看到，在5個左右爆破循環(huán)后，半孔仍然留在隧道頂部和邊邦上，沒有形成粉碎區(qū)，而且裂縫也大量減少甚至沒有，裂隙圈及松動圈范圍大幅度減少，前一段爆破后，后面頂部的半孔依然留在隧道頂部，沒有被爆破振動振掉，說明緩沖墊的爆破減振效果非常好。圖1切縫藥包定向斷裂控制爆破在巖壁上留下的半邊炮孔相片，眼痕長度比圖4明顯短而且淺，圖4的巖石堅固性系數(shù)f=6.0，圖1的巖石堅固性系數(shù)f=6～10，這是爆破緩沖墊減振的有力證據(jù)。

近20多年來，我國地下工程（如隧道）數(shù)量不斷增加以及規(guī)模不斷加大，巖爆也經(jīng)常發(fā)生。在研究國內(nèi)外許多地下工程巖爆發(fā)生的條件后發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)條件相同時，采用盾構(gòu)施工的隧道可能不發(fā)生巖爆，而采用鉆爆法施工的隧道就可能發(fā)生巖爆，說明巖爆與爆破振動有相關(guān)性。

巖爆和爆破開挖有著非常密切的聯(lián)系，用爆破減振緩沖墊方法還可以減少巖爆的發(fā)生，原理旨在降低爆破對巖體的振動，盡可能維持原巖體力學(xué)性能、及其完整性，使巖體不具備巖爆發(fā)生的條件或減弱巖爆發(fā)生的強度。使用爆破減振緩沖墊可以大幅度降低爆炸對圍巖體的巨大沖擊力，減小爆破后圍巖體的松動破壞區(qū)范圍，從而減少支護成本和巖爆（沖擊地壓）。

在鐵路及公路開挖工程中，采用光面爆破、預(yù)裂爆破可使路塹邊坡工程超挖量減少10%～20%，由于爆破后邊坡面光滑平整進而減少支護材料，并能降低線路營運過程中的邊坡事故及維護工作量。如果采用爆破減振緩沖墊，效果會更好、產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

緩沖墊減振爆破的優(yōu)點：

1）提高了巷道優(yōu)良品率；2）降低了材料費用；3）提高了工效，出渣量減少；4）提高了支護質(zhì)量，間接降低了巷道的支護、維修成本，保障了安全生產(chǎn)，有著巨大的潛在經(jīng)濟效益。比光面爆破、預(yù)裂爆破效果更好。

不僅能避免對爆破后輪廓外圍巖體產(chǎn)生大量裂縫、減小松動裂隙圈范圍，而且可以避免由于多次爆破振動對圍巖巖體造成的累積損傷，使邊坡及地下工程圍巖受到的爆炸沖擊荷載低于巖體破壞的門檻值。

3.2緩沖墊爆破減振技術(shù)在露天礦生產(chǎn)中的應(yīng)用

露天礦開采通常是深孔爆破，由于炮孔孔徑大、裝藥量多，邊坡炮孔爆破對邊坡巖體會產(chǎn)生很大的超挖和隨機裂縫，嚴重影響邊坡的穩(wěn)定性，而目前采用的光面、預(yù)裂爆破和定向斷裂控制爆破，都不能避免保留巖體受爆炸沖擊波的直接作用。提高巖體邊坡穩(wěn)定性方法一直是巖+32程中重要的研究內(nèi)容。

在攀枝花露天鐵礦邊坡爆破開挖工程中，緩沖墊爆破和預(yù)裂爆破作了生產(chǎn)實踐對比，爆區(qū)的一半炮孔加裝緩沖墊，另一半炮孔是預(yù)裂爆破（沒有加裝緩沖墊），爆破后，加裝緩沖墊的炮孔，在巖壁上都留有半孔，預(yù)裂爆破在巖壁上幾乎沒有留下半孔，實際測振表明，加裝緩沖墊的一側(cè)，比預(yù)裂爆破一側(cè)的振動速度降低50%。

如果我國現(xiàn)有的露天鐵礦邊坡穩(wěn)定角度能提高1。的話，就可減少總剝巖量數(shù)億噸，節(jié)約資金數(shù)億元。使用爆破減振緩沖墊能提高巖體邊坡穩(wěn)定角3°以上，對巖體工程爆破開挖及建設(shè)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

3.3緩沖墊爆破減振技術(shù)在云南省大理州苗尾水電站邊坡工程中的應(yīng)用

水電站巖石邊坡施工采取自上而下的方向進行，為了保證工程質(zhì)量，采用平行下降分梯段開挖方式進行。分層作業(yè)中，上層支護應(yīng)保障下層施工工作的安全。

巖體高邊坡開挖工程中，由于邊坡坡面線以外的邊坡高陡、存在危石，受爆破振動等影響，邊坡有可能坍塌或滑坡，邊坡爆破開挖和支護是循環(huán)交叉作業(yè)，對下方工作人員和設(shè)備的安全不利。

在整個邊坡施工過程中，不可能等到所有支護部分的新澆灌混凝土到達齡期（28天）之后再進行爆破施工，也不可能等到整個工程的爆破作業(yè)完工后再進行支護。支護和爆破連續(xù)、循環(huán)、交叉作業(yè)，貫穿于整個施工過程中。因此，在邊坡爆破施工中，首要的保護對象是新澆灌混凝土支護區(qū)，這是因為新澆灌混凝土支護未達到齡期（28天）的強度。這就要求爆破作業(yè)質(zhì)量要達到規(guī)定的要求，光面、預(yù)裂爆破的質(zhì)量評價標準，巖體邊坡坡面的半孔（眼痕）率，中硬巖≥60%。

在云南省大理州苗尾水電站邊坡爆破開挖工程中，首次使用了爆破減振緩沖墊。經(jīng)過數(shù)十個循環(huán)的生產(chǎn)實踐，爆破后，邊坡坡面成形很好，裂隙圈及松動圈范圍大幅度減少，減振效果顯著，顯著提高水電站邊坡巖體的穩(wěn)定性，半孔率可達到95%以上（圖5）。巖壁上基本上都留有半孔，半壁炮孔基本沒有破碎，說明沒有形成粉碎區(qū)，而且裂隙區(qū)也大量減少甚至沒有，理論上認為粉碎區(qū)的半徑為2～7倍的炮孔半徑，范圍很小卻消耗了沖擊波的大部分能量。裂隙區(qū)的半徑為120～150倍的炮孔半徑，炸藥爆破產(chǎn)生的能量在裂隙區(qū)已經(jīng)基本消耗殆盡，爆破地震波的能量只占炸藥爆炸產(chǎn)生的能量的2%～6%。沖擊波能量約占爆炸總能量的40%左右。

工程爆破有如下結(jié)論，在最小抵抗線方向的爆破振動最小，反向最大，兩側(cè)居中。成排的群藥包爆破時，在藥包中心連線方向比在垂直于連線方向的振動速度可降低25%～45%。

說明緩沖墊至少緩沖、阻擋了爆炸能量的65%～85%。如果選用緩沖減振性能更好的材料，可以更好地緩沖、阻擋爆炸能量，降低爆破振動。4展望

工程爆破破壞了原巖的應(yīng)力構(gòu)造狀態(tài)、穩(wěn)定性，由爆破振動造成的隧道、礦山巷道、露天邊坡滑塌等事故不計其數(shù)。攀鋼巴夫河石灰石礦在露天采礦爆破中曾多次誘發(fā)滑坡事故，最嚴重的一次滑坡量達416萬m3，造成了巨大的損失。

爆破緩沖墊不僅可以在巖體工程中減振防災(zāi)，如上所述，而且在貴重石材開采也發(fā)揮巨大作用。

我國花崗石和大理石資源豐富，在國際市場是重要的供貨商，也有相當(dāng)數(shù)量的寶石、玉石等礦產(chǎn)，盡管機械開采很普遍，但機械的投資和成本大，很多中、小型企業(yè)依然使用爆破法開采天然石材，有許多小型采石礦場甚至使用鋼釬、鐵錘，開采出來的石料質(zhì)量、塊度、大小得不到保證，而爆破對石材會造成很多裂紋，大大削弱了石材的價值，為了提高勞動生產(chǎn)率，保證開采出的石材塊度、大小和質(zhì)量，爆破減振緩沖墊發(fā)揮著巨大作用。

5結(jié)論

選用緩沖減振性能更好的材料做緩沖墊，可以更大幅度地降低爆破振動，可以預(yù)言，在不遠的將來，緩沖墊爆破減振技術(shù)將成為工程爆破界常用的一種減振技術(shù)，不僅用于水利水電等工程巖體邊坡爆破開挖，還可以用于露天、地下礦山、公路和鐵路隧道等地下巖體工程，極大地降低爆破振動對邊坡及圍巖巖體的沖擊，提高圍巖、邊坡巖體的穩(wěn)定性、減小地下工程及邊坡圍巖松動裂隙圈的范圍，從而大幅度增加巖體邊坡穩(wěn)定性并可以提高邊坡穩(wěn)定角度，大量減少支護成本，爆破減振緩沖墊作為一種全新的爆破減振技術(shù)，必將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益并有廣闊的應(yīng)用前景。