基于孔內起爆位置調整的臺階爆破根底控制方法探討

王林桂，孫鵬昌，沙 廣，張中雷，熊 勇，何勇芳，許垅清

(1.大昌建設集團有限公司，浙江 舟山 316021；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

露天臺階爆破普遍存在根底率偏高的問題，不僅影響鏟裝效率，而且增加二次施工成本[1]。產生根底的影響因素較多，究其原因主要概括為以下五個方面：①巖石的物理和力學性質；②裝藥結構；③孔網參數和起爆方式；④鉆爆施工質量；⑤起爆位置。針對上述影響因素，國內外許多學者結合具體的工程項目展開研究，并提出了一些控制爆破根底的方法。陳壽如等[2]結合喀斯特鋁土礦生產進行多次深孔臺階爆破試驗，試驗結果表明空氣間隔裝藥及增加裝藥密度能減少爆破根底；于治斌等[3]對露天多段深孔微差爆破孔網參數進行優化，優化設計后爆破根底得到降低；陳晶晶等[4]對經山寺鐵礦近千次爆破進行總結分析，發現通過局部加大超深、改變炮孔密集系數、采用V型起爆技術等能減少爆破根底；Singh M M等[5]指出采用大孔距、小抵抗線能減少爆破根底的產生；Singh P K等[6]通過現場試驗說明優化爆破參數、改變裝藥結構能減少爆破根底。上述研究主要側重于巖石性質、裝藥結構、孔網參數及起爆方式、鉆爆施工質量等方面，而起爆位置對爆破根底的影響以及相應的根底控制方法的研究較少。

現有的研究結果表明，起爆位置對條形藥包爆破的爆炸能量分配和巖石破碎效果有很大的影響。張寶平等[7]基于一維流動的假定，從理論上分析了起爆位置對爆轟產物質量和能量分配的影響；龔敏等[8]開展條形藥包不同起爆位置的全息動光彈試驗，試驗結果表明應力場與起爆位置相關；向文飛等[9]采用數值模擬方法研究起爆點數量與起爆點位置對條形藥包爆炸應力場的影響；周楠等[10]采用數值分析方法比較孔底起爆、中間起爆、兩端起爆和同時起爆等不同起爆方式的爆炸應力場；劉亮等[11]對臺階爆破不同起爆位置的爆破損傷效應進行了數值模擬；Long[12]等從爆轟氣體在孔內作用時間的角度分析了不同起爆位置下爆炸能量的利用率以及巖體的破碎效果。上述研究均表明不同起爆位置下爆炸能量分布和巖石破碎效果不同，而爆炸能量分布和巖石破碎效果與根底形成緊密相關，因此可從爆炸能量分布和巖石破碎效果角度分析起爆位置對爆破根底的影響。

為針對性地探討起爆位置對爆破根底的影響，本文從爆炸能量分配的角度，分析了起爆點位置對爆炸能量傳輸的影響作用規律，并在實際工程項目中開展了基于不同起爆位置的爆破對比試驗，提出了調整孔內起爆位置的臺階爆破根底控制方法，總結了一些具有施工參考意義的結論。

1 起爆位置對爆炸能量的調整機制

巖石中裝藥爆炸產生的爆炸能量通常經爆轟產物傳入周圍的巖體。因充填于孔內的炸藥多為柱狀藥包，而工業炸藥的爆轟速度一般是有限的(2 500～7 000 m/s)，沿著藥包的軸線方向不可避免地存在時間和方向效應，所以起爆位置會影響爆炸能量的分配。

張寶平等[7]基于一維流動假定，分析了柱狀藥包爆轟過程中，起爆點位置對分配于起爆點兩側能量的影響。如圖1所示，設起爆點兩端藥包的長度分別b、a(b≤a)，炸藥的初始密度為ρ0，爆轟速度為D0，藥包截面積為A，起爆后，達到平穩自持狀態的爆轟速度為DJ。炸藥起爆后，會逐漸形成8種不同的流場，最終分配于藥包左右兩側的能量如式(1)所示：

(1)

式中，E1、E2分別為起爆點左右兩側的能量。若假使b=0，即起爆點位于左端，則可得到：

(2)

圖1 柱狀藥包爆轟產物一維流動模型

由式(1)可知，最終分配于藥包左右兩側的能量與起爆點的位置密切相關。式(2)顯示，若藥包一端起爆，分配于非起爆側的能量約為起爆側的1.5倍，表明爆炸能量偏向于爆轟波傳播的正向分配。

基于張寶平等[7]的研究成果，考慮實際爆破上部起爆(起爆雷管位于裝藥段頂部)和底部起爆(起爆雷管位于裝藥段底部)兩種特殊情況。如圖2所示，對于底部起爆，爆轟波向上傳播，爆炸能量偏向于孔口分布，孔口巖體破碎充分，而孔底巖體破碎范圍較小，孔底易形成較大根底；對于上部起爆，爆轟波向下傳播，能量偏向于孔底分配，孔底巖體的破碎效果最好，可以有效控制爆破根底。由圖2可知，上調起爆位置，有助于增加爆炸能量向孔底分布，加強孔底巖體破碎，減少根底生成，為驗證這一結論，開展了起爆體處于炮孔裝藥段上部和底部兩個不同位置的爆破對比試驗。

圖2 不同起爆情況下炮孔的破碎輪廓

2 現場試驗

2.1 試驗方案

本次爆破對比試驗區位于某石化基地圍墾工程開山爆破施工場地，試驗爆區長55 m，寬20 m，炮孔總數72個，根據起爆位置不同將爆區劃分為上部起爆區和底部起爆區，炮孔各布置36個，均為垂直孔，如圖3所示。上部起爆區炮孔內起爆體位于裝藥長度3/4處；底部起爆區炮孔內起爆體位于裝藥長度1/4處，裝藥結構如圖4所示。

圖3 試驗爆區

圖4 裝藥結構圖

試驗過程中做好詳細技術交底，保證上部起爆區和底部起爆區的炮孔深度、裝藥結構、單孔藥量和填塞長度等試驗條件一致，把起爆位置不同作為唯一變量，力求對比試驗的準確性。爆破主要參數如表1所示。兩個試驗區域在同一個爆破網路中起爆，采用逐孔起爆網路，如圖5所示。

表1 爆破主要參數

圖5 爆破試驗起爆網絡示意圖

2.2 試驗結果

爆破清渣后，在底板以0.5 m×0.5 m的間隔布置控制測點，測量底板高程，局部起伏較大處進行測點加密處理。將底板點云數據進行超欠挖統計，統計結果見表2。

表2 底板超欠挖統計數據 cm

根據測量得到的底板點云數據，利用Civil 3D軟件繪制底板的三維曲面圖，更加直觀顯現爆后上部起爆區和底部起爆區的根底控制效果，如圖6所示，爆破后底板的縱剖面圖如圖7所示。

圖6 底板三維曲面圖

圖7 底板縱剖面圖

由表2可知，上部起爆區域底板無欠挖，底部起爆區域底板存在欠挖，最大欠挖26.0 cm；上部起爆區域底板平均超挖69.0 cm，底部起爆區域底板平均超挖57.4 cm。此外，從圖6、圖7可以看出，上部起爆區域底板總體低于底部起爆區域底板，且上部起爆區域相對于底部起爆區域總體更為平整，底部起爆區域一側根底較為凸顯。

以上統計數據表明上部起爆區域根底控制優于底部起爆區域，說明起爆體位于炮孔裝藥段上部時，爆炸能量更多地向底部傳輸，使底部巖體得到了更充分的破碎，也即說明上調起爆雷管的位置，可調整爆炸能量更多地向底部傳輸，從而更有效破碎底部巖體，以改善爆破根底。

3 結 語

從爆炸能量分配的角度，分析了起爆位置對爆炸能量傳輸的影響作用規律，并開展了不同起爆位置的爆破對比試驗研究，基于理論和試驗研究，得出以下主要結論：

1)爆破對比試驗結果表明，上部起爆區域底板總體低于底部起爆區域底板，且上部起爆區域底板平整度更佳。

2)起爆位置對爆炸能量的分配有較大的影響，爆炸能量偏向于爆轟波傳播的正向分配，可通過調整起爆雷管的位置調控爆炸能量傳輸進而控制爆破根底。

3)由于爆破試驗次數有限，起爆位置調整與爆破根底控制之間的深層關系還值得進一步研究和探討。對于爆破根底的控制，應根據實際工程項目的具體情況，綜合運用適當上調起爆位置、根據巖石性質選擇合理孔網參數和裝藥結構以及加強施工質量管理和控制等方法。