精確短延時(shí)爆破成井延期時(shí)間研究

王國安,邱賢陽,史秀志,李必紅

(1.中國中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.國防科技大學(xué)， 湖南 長沙 410073)

0 前 言

天井掘進(jìn)是礦山和地下建筑工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。與其他傳統(tǒng)的天井掘進(jìn)方法相比，深孔爆破成井技術(shù)具有掘進(jìn)效率高、勞動強(qiáng)度低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的推廣應(yīng)用[1-3]。然而，深孔爆破成井目前僅適用于斷面不大的短天井，極少應(yīng)用于大斷面的高天井。究其緣由，主要在于深孔爆破成井自由面缺乏且夾制性大導(dǎo)致效率不高[4]。深孔爆破成井有直眼空孔掏槽爆破成井和多孔球狀藥包爆破成井兩種模式，在選擇深孔爆破成井模式時(shí)，應(yīng)綜合考慮巖石性質(zhì)、炮孔施工精度、斷面大小、天井高度等因素[5-6]。直眼空孔掏槽爆破成井模式中空孔需為掏槽孔爆破提供自由面和補(bǔ)償空間，故空孔與掏槽孔之間的距離必須準(zhǔn)確控制，因此該成井模式不適用于高天井掘進(jìn)。因此高天井掘進(jìn)只能采用多孔球狀藥包爆破成井模式，即數(shù)個炮孔以下向空間為自由面同時(shí)起爆，共同形成爆破漏斗[7]。為提高爆破成井效率和爆破成井分層高度，應(yīng)盡量增加同時(shí)起爆的掏槽孔數(shù)量。然而，數(shù)量較大的掏槽孔同時(shí)起爆將導(dǎo)致單段爆破藥量增大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的爆破振動危害效應(yīng)，對周邊巖體造成的破壞將無法估量[8]。

為解決常規(guī)多孔球狀藥包爆破成井模式的單段爆破藥量大的問題，考慮到高精度電子雷管可以實(shí)現(xiàn)短至數(shù)毫秒的精確短延時(shí)爆破，本文提出精確短延時(shí)類球狀藥包爆破成井新模式，采用高精度電子雷管實(shí)現(xiàn)同層藥包的短間隔延時(shí)爆破，以取代常規(guī)深孔爆破成井的同層藥包同段爆破。基于多孔球狀藥包爆破理論，本文分析了短延時(shí)爆破漏斗形成機(jī)理，推導(dǎo)了同層藥包間短間隔延期時(shí)間的理論計(jì)算公式，并將研究成果應(yīng)用于東北引松供水工程超大斷面調(diào)壓豎井掘進(jìn)。

1 多孔球狀藥包爆破理論

對于爆破破巖機(jī)理，目前普遍接受的觀點(diǎn)是應(yīng)力波與爆轟氣體壓力共同作用學(xué)說，即爆破過程中巖石破壞是應(yīng)力波與爆轟氣體壓力共同作用的結(jié)果[9]。多孔球狀藥包爆破漏斗的形成得益于相鄰藥包爆破之間的應(yīng)力波及爆生氣體壓力的相互作用。以兩孔藥包爆破為例，其爆破漏斗形成過程可分為4個階段（見圖1）：第一階段為兩孔單獨(dú)作用階段，即兩個炮孔爆破后爆炸應(yīng)力波向外傳播，各自形成粉碎區(qū)和初始徑向裂紋；第二階段為應(yīng)力波疊加階段，相鄰兩孔藥包的應(yīng)力波在兩孔中部產(chǎn)生疊加，增強(qiáng)了應(yīng)力波對巖體的作用，并促進(jìn)了初始裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展；第三階段為爆生氣體壓力作用下兩孔裂紋貫穿階段，即在兩孔爆炸產(chǎn)生的爆生氣體壓力作用下，初始裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，并在兩孔中部貫穿，兩孔爆破產(chǎn)生的爆生氣體通過貫穿裂紋匯合；第四階段為爆生氣體壓力驅(qū)動形成爆破漏斗階段，即在貫通的爆生氣體壓力作用下，破碎巖塊往自由面方向拋擲，最終形成共同爆破漏斗。

2 多孔短延時(shí)爆破漏斗形成機(jī)理

由爆破破巖機(jī)理可知，藥包起爆后在爆炸應(yīng)力波和爆生氣體壓力的共同作用下形成新自由面，之后破碎巖石拋擲形成爆破漏斗[10]。如果相鄰藥包延時(shí)間隔超過自由面形成時(shí)間，則后爆藥包起爆時(shí)其自由面因先爆藥包形成的新自由面而發(fā)生了改變，此時(shí)已不可能形成共同的爆破漏斗（見圖2）。因此，短延時(shí)爆破的延時(shí)間隔應(yīng)小于自由面形成時(shí)間。此外，相關(guān)的觀測實(shí)驗(yàn)表明，爆生氣體壓力的作用時(shí)間遠(yuǎn)大于爆炸應(yīng)力波的作用時(shí)間。如對于抵抗線為2 m的常規(guī)深孔爆破，爆生氣體作用時(shí)間和新自由面形成時(shí)間通常超過15 ms。由此可見，實(shí)現(xiàn)短延時(shí)爆破成井破碎效果的同層藥包延時(shí)間隔具有較大的選擇空間，這使得通過錯開短延時(shí)爆破先后起爆藥包的振動波波峰而大幅降低振動幅值成為可能。

圖1 兩孔同時(shí)起爆爆破漏斗

圖2 兩孔長延時(shí)爆破漏斗

根據(jù)多孔球狀藥包爆破漏斗機(jī)理，短延時(shí)類球狀藥包爆破漏斗的形成過程為可描述為：先爆藥包起爆后在巖石中形成了復(fù)雜應(yīng)力場，并在周圍巖石介質(zhì)中形成裂隙圈；此后后爆藥包起爆，一方面激發(fā)的新應(yīng)力場與先爆藥包爆破激發(fā)的已有應(yīng)力場產(chǎn)生相互疊加作用，另一方面后爆藥包的應(yīng)力波在先爆藥包形成的裂隙圈存在極其復(fù)雜的反射作用；之后后爆藥包的裂紋擴(kuò)展并與原有的裂紋貫通，使兩孔的爆生氣體貫穿在一起，并一起作用推動巖渣往自由面方向拋擲，最終形成了共同的爆破漏斗。

3 同層藥包間短延期時(shí)間研究

根據(jù)哈努卡耶夫的爆破破巖理論，巖石爆破中單孔爆破新自由面的形成時(shí)間一般包括 3個階段[9]：

第一階段為爆炸應(yīng)力波激發(fā)后往自由面方向傳播，從自由面反射到藥包位置；第二階段為爆破裂紋形成并逐步擴(kuò)展成長度為最小抵抗線的裂紋；第三階段為該裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，并形成一定寬度（8～10 mm）的主裂縫，即形成臨空面。根據(jù)本文第二部分的分析，精確短延時(shí)爆破成井中同層藥包短間隔延期時(shí)間必須短于臨空面的形成時(shí)間，若后爆藥包起爆時(shí)處于先爆藥包爆破的第三階段，則不能保證兩孔形成面向共同的抵抗線方向的共同的爆破漏斗。因此，同層藥包短間隔延期時(shí)間的最大值可以定義為：

式中：t1為爆炸應(yīng)力波傳播至自由面并從自由面反射到藥包位置所需時(shí)間（s）；t2為擴(kuò)成長度為最小抵抗線的裂紋的時(shí)間（s）；W 為最小抵抗線長度（m）；Cp為巖石中P波的傳播速度（m/s）；Vt為裂紋傳播速度（m/s）。

4 精確短延時(shí)爆破成井技術(shù)應(yīng)用

吉林省飲馬河引松供水工程總干線施工四標(biāo)段調(diào)壓豎井?dāng)嗝嬷睆綖?0 m，深度為50 m，井筒形式為簡單圓筒式, 在調(diào)壓井掘進(jìn)前其下部已提前開挖隧道硐室，如圖3所示。該調(diào)壓井地段主要巖性為凝灰質(zhì)砂巖，巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)

表1 砂巖巖石力學(xué)參數(shù)

該調(diào)壓井工程屬于超大斷面超深豎井掘進(jìn)，常規(guī)的深孔爆破成井方案根本無法實(shí)施完成其高效率掘進(jìn)。因此，采用“先導(dǎo)井爆破、次主體側(cè)崩爆破、后破頂爆破”的豎井深孔爆破技術(shù)解決了深孔爆破成井自由面缺乏的技術(shù)難題，即在調(diào)壓豎井中間先行用深孔爆破掘進(jìn)直徑為 6 m的導(dǎo)井，之后以導(dǎo)井為自由面實(shí)施側(cè)崩爆破和破頂爆破。本文重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)井爆破的深孔爆破成井方案，為提高導(dǎo)井爆破成井效率，同時(shí)降低其爆破振動效應(yīng)對周邊巖體的破壞，導(dǎo)井爆破采用精確短延時(shí)爆破成井方案。如圖4所示，該調(diào)壓豎井共布置4圈炮孔，炮孔直徑為 165 mm，炮孔間距 1.0～1.2 m，一共布置炮孔50個。將這50個炮孔以5個為一組，由內(nèi)至外逐組起爆，每組間延時(shí)間隔為 9 ms，采用高精度延期雷管起爆。每次導(dǎo)井爆破共分5層裝藥，分層高度為3.6～4.5 m，單次爆破成井高度為18 m。

圖4 導(dǎo)井短延時(shí)爆破方案

經(jīng)過兩次導(dǎo)井爆破、兩次側(cè)崩爆破和一次破頂爆破，順利完成了直徑20 m、高50 m 的超大斷面超深豎井掘進(jìn)。在導(dǎo)井爆破中實(shí)施了爆破振動監(jiān)測，在100 m處監(jiān)測的爆破振動波形如圖5所示。可見爆破振動速度峰值被降低至1.6 cm/s，對周邊邊坡和巖體的損傷被降至最低。

圖5 導(dǎo)井爆破振動波形監(jiān)測

5 結(jié) 論

本文提出了適用于超大斷面超深天井掘進(jìn)的精確短延時(shí)爆破成井技術(shù)，通過采用高精度電子雷管實(shí)現(xiàn)同層藥包的短間隔延時(shí)爆破，以取代常規(guī)深孔爆破成井的同層藥包同段爆破。基于多孔球狀藥包爆破理論，揭示了短延時(shí)爆破漏斗的形成機(jī)制，在此基礎(chǔ)上獲得了同層藥包間短間隔延期時(shí)間的理論計(jì)算公式，并將研究成果應(yīng)用于東北引松供水工程超大斷面調(diào)壓豎井的導(dǎo)井爆破成井掘進(jìn)中，不僅實(shí)現(xiàn)了大斷面天井的高效率掘進(jìn)，也大幅降低了其爆破振動危害。本文研究結(jié)果對大斷面高天井掘進(jìn)工程具有一定的參考價(jià)值。