精確短延時爆破成井分層爆破參數研究

徐鵬祖，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 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；3.國防科技大學，湖南 長沙 410073)

0 前 言

天井是一種重要的人行、通風、充填、礦石下溜通道，在國防、民用及礦山等實際工程中廣泛應用。由于天井掘進工程量大，如在地下礦山中其工程量約占年掘進總量的 1/4，且施工作業困難、工期長、耗費成本高，天井掘進作為礦山和地下建筑工程中的一項關鍵技術而備受關注[1]。目前，天井掘進方法主要有普通法、吊罐法、爬罐法、鉆井法、深孔爆破成井法等，其中前三種方法均需要天井內部完成掘進工作，不僅作業人員勞動強度大、安全性差，且作業效率低下，而鉆井法需要購置昂貴的大型鉆鑿設備，還需要長時間的施工準備，因國內鉆鑿技術水平較差，故其推廣和應用受限[2-4]。而深孔爆破成井法通過天井全深度一次性鉆鑿炮孔，分層或一次性裝藥爆破形成天井，因其成井效率高、成本低廉、勞動強度低等優勢而得到極大的推廣應用[5-7]。史秀志等[8]研發的精確短延時爆破成井技術，采用電子雷管起爆實施同層藥包短延時爆破，使深孔爆破成井技術應用范圍推廣到超大斷面超深天井。在精確短延時爆破成井中，如何提高分層爆破高度進而提升爆破成井效率是其面臨的一個關鍵問題。本文對精確短延時爆破成井的分層爆破高度、層間延期時間等參數展開研究。

1 分層爆破高度研究

精確短延時爆破成井是以多孔球狀藥包爆破為理論基礎，同層藥包間的延期時間較短，并不影響其共同爆破漏斗的形成，且能有效降低爆破振動危害[8-9]。在多孔球狀藥包爆破漏斗形成過程中，分層高度是短延時爆破成井的關鍵因素。分層高度太小，爆破漏斗體積太小，爆破漏斗深度低，進而造成爆破成井高度不高，爆破效率低下；此外，爆炸能量大多用于巖渣的拋擲，造成爆破塊度太碎，粉礦過多。若分層高度太大，則無法形成有效的爆破漏斗，可能出現松動爆破，導致分層爆破不成功，進而影響下一層爆破的實施。

根據爆破漏斗理論[9]，爆破漏斗體積與藥包埋深關系很大，要想提高爆炸能量利用率，必須確定合適的藥包埋深。通常爆破漏斗體積最大的藥包埋深被稱為最佳埋深，此時爆破效果最佳，根據最佳埋深得到的爆破成井分層高度為最佳分層高度。根據利文斯頓提出的應變能經驗方程，藥包爆破的最佳埋深計算公式為：

式中：D為藥包最佳埋深；Δ為最佳埋深比；E為爆炸應變能系數；Q為藥包重量。

根據計算的藥包爆破最佳埋深，亦可計算爆破成井的最佳分層高度：

式中：B為爆破成井最佳分層高度，L為分層裝藥高度。

2 分層爆破延期時間研究

深孔爆破成井的分層爆破中，下一分層藥包爆破后需要為上一分層藥包爆破提供自由面和補償空間。若分層延期時間太短，則上一分層藥包爆破時下一分層藥包并未完全破碎完成，故其爆破沒有充分的自由面和破碎空間，容易擠死而影響爆破成井效果。通常認為最短的分層延期時間必須確保下層藥包爆破巖渣在形成臨空面后繼續向下拋擲一短時間。

因此，最佳分層爆破延期時間可定義為[10]：

式中：T為最佳分層爆破延期時間，t1為新自由面形成時間，t2為下一分層藥包爆破巖渣向下運動的時間，t3為下分層藥包間的短間隔延期時間。

其中形成新自由面的時間t1包括爆炸應力波傳播至自由面再并從自由面反射到藥包位置所需時間、擴展形成長度為最小抵抗線的裂紋的時間和形成一定寬度（8～10 mm）的主裂縫的時間：

式中：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；S為形成貫穿裂隙的寬度，一般為8～10 mm；v0為巖渣移動初速度，通常取25 m/s。

巖體破碎后，爆破的巖渣以一定的初速度做近似勻加速運動，下一分層藥包爆破巖渣向下運動的時間t2的計算公式為：

式中：η為巖石碎脹系數，取 1.5；h為分層高度，m。

下分層藥包間的短間隔延期時間t3為下分層空間短延期時間的總和，其表達式為：

式中：n為分層短延時分段數；t0為同層孔間短延期時間，s。

3 精確短延時爆破成井技術應用

吉林省飲馬河引松供水工程總干線施工四標段調壓豎井斷面直徑為20 m，深度為50 m，為簡單圓筒式, 在調壓井掘進前，其下部已提前開挖隧道硐室，如圖1所示。該調壓井地段主要巖性為凝灰質砂巖，巖石力學參數如表1所示。

圖1 調壓井結構

表1 巖石力學參數

該調壓井屬于超大斷面超深豎井掘進，若采用常規的深孔爆破成井方案，根本無法實施高效率掘進。因此，采用“先導井爆破、次主體側崩爆破、后破頂爆破”的豎井深孔爆破技術，解決了深孔爆破成井自由面缺乏的技術難題，即在調壓豎井中間先行用深孔爆破掘進直徑為6 m的導井，之后以導井為自由面實施側崩爆破和破頂爆破。本文重點關注導井深孔爆破成井的分層爆破參數。導井爆破炮孔布置如圖2所示，共布置4圈50個孔，孔間距1.0 m左右，孔徑為165 mm。

圖2 導井爆破炮孔布置

分層裝藥高度的確定對于提高爆破成井效率至關重要。每次導井爆破分5層裝藥，根據公式（3）計算每層裝藥高度，由于越往上分層爆破夾制性越大，因此下部分層高度大，越往上分層高度越小。導井爆破的裝藥結構如圖3所示，單次爆破成井高度為18 m，第1分層高度為4.5 m，裝藥高度2.0 m，抵抗線長度2.5 m，第2～4層高度為3.6 m，裝藥高度1.6 m，抵抗線長度2.0 m，第5分層高度2.7 m，裝藥高度1.2 m，抵抗線長度1.5 m。

圖3 導井爆破裝藥結構示意

根據公式（4）計算層間延期時間，確定層間延期時間為200 ms，同層孔間延期時間9 ms，采用高精度起爆雷管組成導井爆破起爆網絡。經過兩次導井爆破、兩次側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，爆破成井效果如圖4所示。

圖4 深孔爆破成井效果

4 結 論

在精確短延時深孔爆破成井中，確定合適的分層爆破參數對于提高爆破成井效率至關重要。首先基于多孔球狀藥包爆破理論，提出了爆破成井分層高度的計算方法，然后結合爆破巖渣拋擲規律推導了層間延期時間的理論計算公式，并將研究成果應用于東北引松供水工程調壓豎井的大斷面導井爆破成井。根據理論研究結果，該導井爆破共分5次裝藥，分層高度高度2.7～4.5 m，層間延期時間為200 ms。最終，成功實現了大斷面天井的高效率掘進，研究結果對其他類似工程具有重要的參考價值。