切縫藥包在露天控制爆破中的應用研究

田應祥，張義平，金桑桑，羅 毅，萬嗣鵬

(貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025)

傳統預裂爆破與光面爆破運用在邊坡開挖與巷道掘進中，爆破后保護區巖體的損傷依舊較為嚴重、巷道輪廓成形效果并沒有得到明顯改善[1-2]。為了解決這個問題，研究人員引入了切縫藥包定向斷裂爆破技術以提高預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切縫管，通過切縫控制爆破應力在切縫方向形成應力集中并增強該方向爆生氣體的氣楔作用，從而達到增強爆破能量對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的預裂爆破、光面爆破中被逐漸推廣應用，為使該技術更好地應用與發展，大量專家學者對其作用機理、影響因素及工程應用等進行了各方面的研究。

張志呈等[3]、羅勇等[4]對切縫藥包定向斷裂爆破原理及參數進行了綜合分析與討論，并以現場應用結果，證明了該技術的優越性。楊仁樹等[5]、李清等[6]通過模型實驗研究切縫藥包爆破作用機理，并闡釋其爆炸應力波、爆生氣體如何促使爆炸裂紋的擴展。戴俊等[7]運用彈性及彈塑性理論分析切縫藥包控制爆破裂縫形成機理，提出了適合于彈塑性條件下初始裂縫形成的應力強度因子。楊仁樹等[8]將切縫藥包運用到巷道掘進中，使得炮孔利用率達到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，周邊孔間距擴大了100 mm。單仁亮等[9]通過混泥土模型實驗，得到切縫藥包理想的不耦合系數和切縫寬度，在大雁礦區軟巖巷道中進行試驗獲得了半眼痕率大于83%，超欠挖小于100 mm的好成績。 岳中文等[10]、楊國梁等[11]和黃其沖[12]分別運用模型實驗、數值模擬研究不同切縫藥包裝藥結構的爆破效應，得出軸向不耦合系數在1.5～2.0之間爆破效果較好，當不耦合系數為1.5，切縫寬度為10 mm時切縫藥包聚能效果較好。金桑桑[13]設計使用圓環居中裝置將以往偏心裝藥改為同心裝藥方式，發現其可提高預裂爆破效果，且比傳統竹片裝藥方式更加經濟、高效。從已有研究資料可知，專家學者多使用理論分析、模型實驗及數值模擬對切縫藥包的作用機理和影響因素進行相關研究，相對缺乏工程實踐研究，其研究成果在實際應用中還存在許多不足之處，為此，應加強切縫藥包工程應用方面的研究。

本文在切縫藥包與預裂爆破作用原理的基礎上，根據現場實際施工情況進行爆破方案設計與優化試驗，把切縫藥包運用在露天邊坡開挖的預裂爆破中。該技術提高了爆破能量的利用率、減少了爆破產生的危害、降低了施工成本、取得了良好的工程爆破效果、可為相關爆破工程參數設計提供參考。

1 切縫藥包預裂爆破破巖理論分析

1.1 作用原理分析

切縫藥包預裂爆破是一種通過改進傳統普通藥包預裂爆破(簡稱傳統預裂爆破)的裝藥結構，從而使得藥包爆炸時的能量更集中地作用于預定方向的技術。其作用機理是通過調整藥包切縫方向與預裂孔中心連線方向一致，當切縫藥包爆炸時，在切縫方向，切縫口對爆轟產物傳遞的導流作用，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間得以延長，從而增加了切縫方向裂縫的擴展長度；而在非切縫方向，因爆破能量經過切縫管和空氣介質的雙重削弱后才作用于孔壁，所以減弱了爆破能量對該方向孔壁的破壞作用。由此可知，把切縫藥包運用在預裂爆破中，可有效改善定向斷裂效果并減小被保護巖體的破壞程度。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 裂紋擴展條件與長度理論分析

根據巖石斷裂力學理論可知，當裂紋端部的應力強度因子KI大于巖石的斷裂韌性KIC時，裂紋繼續擴展，反之擴展停止，即裂紋起裂條件為：KI≥KIC。其中,KI計算見式(1)。

(1)

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

(2)

當裂紋開始擴展后，其擴展長度y主要由爆轟氣體壓力與巖石的斷裂應力因子強度決定，y值可通過式(3)計算得出。

(3)

式中，μ為泊松比，其余符號意義同上。

根據切縫藥包預裂爆破作用機理及式(1)～式(3)可知，炮孔裝藥量、徑向裝藥不耦合系數、切縫管材質、切縫寬度是影響爆破效果的關鍵因素[14-15]。在進行工程應用時，應運用理論分析結合現場情況，科學、合理地選定爆破參數。

2 工程概況與爆破參數設計

2.1 工程簡介

貴州省貴安新區某基地開挖工程項目，其爆區東面300.0 m處有磚木結構瓦房、磚混結構民房，西面距一級重要設施貴安高鐵站最近距離為125.0 m。根據爆區與最近保護區的距離及施工生產要求，此次爆區主體選擇使用中深孔控制爆破，爆區西面邊坡開挖，要盡量保持邊坡的完整性與穩定性，同時減小爆破振動對周圍構建物的影響，所以決定采用預裂爆破進行邊坡開挖。該工程爆區內，巖石種類以灰巖與白云巖為主，巖體為中硬巖或巖體結構較為穩定的巖層，開挖場地穩定性較好，采集巖樣進行物理力學性質檢測，其結果見表1。

表1 爆區巖石的力學特性Table 1 Mechanical properties of rock in the blast zone

2.2 工程爆破參數設計

1) 主爆區參數是根據工程質量需求與其現場施工實際條件，此次主爆區炮孔直徑為115 mm，臺階高度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，填塞長度l0=3.0 m，單孔藥量Q=15 kg。 藥卷選用直徑為70 mm的2號巖石乳化炸藥，采用反向裝藥。裝藥結構為孔內連續裝藥，徑向不耦合系數為1.65。布孔方式以梅花形布孔為主，局部矩形布孔。起爆網路采用排間毫秒延時順序起爆。 使用串-并聯網路，排間采用3段非電導爆管連接，孔內采用11段非電導爆管或13段非電導爆管，孔間采用3段非電導爆管連接。

2) 預裂爆破參數：結合以往施工案例和工程爆破方案，取預裂孔直徑db=90 mm，鉆孔深度H=6.0 m。填塞長度l=1.2 m，預裂孔的徑向不耦合系數k根據式(4)計算，再結合現有小直徑藥卷炸藥實際情況，選取藥卷直徑為32 mm，可得k=2.81。

(4)

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

預裂孔孔間距S根據理論公式(式(5))和經驗公式(式(6))計算，并結合實際情況取S=0.8 m。預裂孔與主爆區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根據式(7)計算并結合以往施工經驗取500 g/m。

(7)

全孔線裝藥密度(包含底部加強裝藥段)為q0為600 g/m，裝藥段長度為4.0 m。裝藥方式采用間隔裝藥。預裂孔超前主爆孔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 工程應用及效果分析

本文為了提高邊坡預裂爆破開挖效果，決定改進以往使用的傳統預裂爆破技術，研究使用切縫藥包預裂爆破，并對比研究兩者爆破效果的差異。

3.1 切縫藥包預裂爆破參數優化試驗研究

本次試驗選取PVC做為切縫管材質，且已根據實際施工情況選取預裂孔的線裝藥密度為500 g/m、裝藥長度為4.0 m，徑向不耦合系數為2.81，而影響爆破效果的關鍵因素切縫寬度還未得到合理確定。為此，在運用該技術時，有必要對切縫寬度值進行優化試驗，選取合理的切縫寬度，以提高爆破效果。

3.1.1 參數優化試驗方案

試驗選取切縫寬度作為變量，其余參數均為不變量。 根據預裂孔深度、PVC管材質及裝藥參數等情況，選定每根PVC管的長度為2.0 m，外徑為40 mm，內徑為36 mm，管體有上下各兩條軸對稱的切割縫，每條切縫的長度為0.8 m，每個炮孔裝兩根切縫管。據文獻[16]可知當切縫管直徑為40 mm時，切縫寬度在6～18 mm范圍內，爆破效果較好，由此，分別選取切縫寬度為10 mm和15 mm進行對比試驗，以預裂縫寬度、預裂面不平整度及半孔率作為評判切縫藥包預裂爆破效果的指標，從中選取較為合理的切縫寬度。為使預裂面更加平整，本次試驗選擇同心裝藥的方式，并創新性地設計圓環居中裝置固定切縫藥包位于炮孔中心，其裝置外徑為90 mm，內徑為40 mm，厚度為1 cm，每根切縫管上下各裝配一個，其圓環居中裝置如圖3所示。考慮到此次試驗的科學性和準確性，設計兩組試驗，見表2，每組做三次重復試驗，每次試驗鉆6個預裂孔。

表2 參數優化試驗分組Table 2 Parameters optimization test group

圖3 圓環居中裝置Fig.3 Ring centering device

3.1.2 參數優化試驗結果與分析

經過兩組不同切縫寬度參數的切縫藥包預裂爆破試驗，得到試驗結果見表3。由表3可知，10 mm切縫寬度比15 mm的預裂爆破效果顯然更好。根據切縫藥包作用機理及巖石斷裂力學對兩者爆破效果差異進行分析，當切縫寬度過大時，爆炸沖擊波與爆生氣體在切縫處產生較強的繞流作用，致使切縫方向爆破能量分散嚴重，從而不利于切縫方向孔壁初始裂紋的定向發展并減弱了爆生氣體對裂縫的擴展作用，同時會伴隨許多徑向伴生裂縫出現。所以采用過大的切縫寬度進行切縫藥包預裂爆破后，反而會出現預裂縫寬度減小、預裂面平整度下降及半孔率降低的現象。

表3 切縫藥包預裂爆破參數優化結果Table 3 Optimizing results of pre-splitting blastingparameters of slitting cartridge

3.2 不同藥包預裂爆破的工程應用研究

3.2.1 工程應用對比方案

在同一邊坡開挖地段，控制其他預裂爆破相關參數不變，在切縫藥包預裂爆破參數優化試驗的基礎上，將切縫藥包預裂爆破與傳統普通藥包預裂爆破進行兩組工程應用對比，每次爆破鉆24個預裂孔。爆破效果由預裂縫寬度、預裂面不平整度、半孔率及保護區爆破振動強度這四個指標進行綜合評判。

3.2.2 結果及分析

通過兩組不同藥包預裂爆破的工程應用，得到結果見表4。由表4可得，切縫藥包預裂爆破效果比傳統普通藥包預裂爆破更好，其爆破后預裂面平整度分別如圖4和圖5所示。通過分析可知，切縫藥包預裂爆破后預裂縫寬度平均值為4.45 cm，是傳統普通藥包預裂爆破預裂縫寬度平均值2.10 cm的2.12倍；前者預裂面不平整度平均值為5.90 cm，相比后者預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%；前者的振動速度峰值平均值為0.886 5 cm/s，相比后者的振動速度峰值平均值1.249 0 cm/s降低了29.02%。

表4 不同藥包預裂爆破的應用效果Table 4 Application effect of pre-split blastingwith different drug packs

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

圖5 預裂面2(傳統藥包)Fig.5 Pre-crack surface 2(traditional cartridge)

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

4 結 論

1) 本文切縫藥包預裂爆破參數優化現場試驗表明：當爆區巖性屬于中硬巖，采用90 mm直徑預裂孔、32 mm直徑藥卷并搭配外徑40 mm、內徑36 mm、切縫長度0.8 m、切縫寬度為10 mm的PVC切縫管進行切縫藥包預裂爆破，其預裂爆破效果較好。

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

3) 在露天邊坡開挖中，使用切縫藥包預裂爆破比傳統預裂爆破更加有效地減少爆破能量對保留邊坡與周圍構建筑物的損害，其利于邊坡維護、保證施工進度、可較好地滿足施工質量標準并降低開挖成本。