王林桂，孫鵬昌，沙 廣，張中雷，熊 勇，何勇芳，許垅清

(1.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(xué)性質(zhì)；②裝藥結(jié)構(gòu)；③孔網(wǎng)參數(shù)和起爆方式；④鉆爆施工質(zhì)量；⑤起爆位置。針對上述影響因素，國內(nèi)外許多學(xué)者結(jié)合具體的工程項(xiàng)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(jié)合喀斯特鋁土礦生產(chǎn)進(jìn)行多次深孔臺階爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計后爆破根底得到降低；陳晶晶等[4]對經(jīng)山寺鐵礦近千次爆破進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)通過局部加大超深、改變炮孔密集系數(shù)、采用V型起爆技術(shù)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(chǎn)生；Singh P K等[6]通過現(xiàn)場試驗(yàn)說明優(yōu)化爆破參數(shù)、改變裝藥結(jié)構(gòu)能減少爆破根底。上述研究主要側(cè)重于巖石性質(zhì)、裝藥結(jié)構(gòu)、孔網(wǎng)參數(shù)及起爆方式、鉆爆施工質(zhì)量等方面，而起爆位置對爆破根底的影響以及相應(yīng)的根底控制方法的研究較少。

現(xiàn)有的研究結(jié)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(chǎn)物質(zhì)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)力場與起爆位置相關(guān)；向文飛等[9]采用數(shù)值模擬方法研究起爆點(diǎn)數(shù)量與起爆點(diǎn)位置對條形藥包爆炸應(yīng)力場的影響；周楠等[10]采用數(shù)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(yīng)力場；劉亮等[11]對臺階爆破不同起爆位置的爆破損傷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；Long[12]等從爆轟氣體在孔內(nèi)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(guān)，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(diǎn)位置對爆炸能量傳輸?shù)挠绊懽饔靡?guī)律，并在實(shí)際工程項(xiàng)目中開展了基于不同起爆位置的爆破對比試驗(yàn)，提出了調(diào)整孔內(nèi)起爆位置的臺階爆破根底控制方法，總結(jié)了一些具有施工參考意義的結(jié)論。

1 起爆位置對爆炸能量的調(diào)整機(jī)制

巖石中裝藥爆炸產(chǎn)生的爆炸能量通常經(jīng)爆轟產(chǎn)物傳入周圍的巖體。因充填于孔內(nèi)的炸藥多為柱狀藥包，而工業(yè)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(yīng)，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(diǎn)位置對分配于起爆點(diǎn)兩側(cè)能量的影響。如圖1所示，設(shè)起爆點(diǎn)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(dá)到平穩(wěn)自持狀態(tài)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(cè)的能量如式(1)所示：

(1)

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

(2)

圖1 柱狀藥包爆轟產(chǎn)物一維流動模型

由式(1)可知，最終分配于藥包左右兩側(cè)的能量與起爆點(diǎn)的位置密切相關(guān)。式(2)顯示，若藥包一端起爆，分配于非起爆側(cè)的能量約為起爆側(cè)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(shí)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(diào)起爆位置，有助于增加爆炸能量向孔底分布，加強(qiáng)孔底巖體破碎，減少根底生成，為驗(yàn)證這一結(jié)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(yàn)。

圖2 不同起爆情況下炮孔的破碎輪廓

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本次爆破對比試驗(yàn)區(qū)位于某石化基地圍墾工程開山爆破施工場地，試驗(yàn)爆區(qū)長55 m，寬20 m，炮孔總數(shù)72個，根據(jù)起爆位置不同將爆區(qū)劃分為上部起爆區(qū)和底部起爆區(qū)，炮孔各布置36個，均為垂直孔，如圖3所示。上部起爆區(qū)炮孔內(nèi)起爆體位于裝藥長度3/4處；底部起爆區(qū)炮孔內(nèi)起爆體位于裝藥長度1/4處，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)爆區(qū)

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)過程中做好詳細(xì)技術(shù)交底，保證上部起爆區(qū)和底部起爆區(qū)的炮孔深度、裝藥結(jié)構(gòu)、單孔藥量和填塞長度等試驗(yàn)條件一致，把起爆位置不同作為唯一變量，力求對比試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。爆破主要參數(shù)如表1所示。兩個試驗(yàn)區(qū)域在同一個爆破網(wǎng)路中起爆，采用逐孔起爆網(wǎng)路，如圖5所示。

表1 爆破主要參數(shù)

圖5 爆破試驗(yàn)起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)，測量底板高程，局部起伏較大處進(jìn)行測點(diǎn)加密處理。將底板點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行超欠挖統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 底板超欠挖統(tǒng)計數(shù)據(jù) cm

根據(jù)測量得到的底板點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Civil 3D軟件繪制底板的三維曲面圖，更加直觀顯現(xiàn)爆后上部起爆區(qū)和底部起爆區(qū)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(qū)域底板無欠挖，底部起爆區(qū)域底板存在欠挖，最大欠挖26.0 cm；上部起爆區(qū)域底板平均超挖69.0 cm，底部起爆區(qū)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(qū)域底板總體低于底部起爆區(qū)域底板，且上部起爆區(qū)域相對于底部起爆區(qū)域總體更為平整，底部起爆區(qū)域一側(cè)根底較為凸顯。

以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明上部起爆區(qū)域根底控制優(yōu)于底部起爆區(qū)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(diào)起爆雷管的位置，可調(diào)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(jié) 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?shù)挠绊懽饔靡?guī)律，并開展了不同起爆位置的爆破對比試驗(yàn)研究，基于理論和試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

1)爆破對比試驗(yàn)結(jié)果表明，上部起爆區(qū)域底板總體低于底部起爆區(qū)域底板，且上部起爆區(qū)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(diào)整起爆雷管的位置調(diào)控爆炸能量傳輸進(jìn)而控制爆破根底。

3)由于爆破試驗(yàn)次數(shù)有限，起爆位置調(diào)整與爆破根底控制之間的深層關(guān)系還值得進(jìn)一步研究和探討。對于爆破根底的控制，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目的具體情況，綜合運(yùn)用適當(dāng)上調(diào)起爆位置、根據(jù)巖石性質(zhì)選擇合理孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)施工質(zhì)量管理和控制等方法。