師強(qiáng)強(qiáng) 潘祖瑛 李二寶3

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司）

在松軟巖體區(qū)域進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，由于巖體原生裂隙的存在對(duì)裂縫的形成和擴(kuò)展存在很大的影響。炮孔連心線上主裂紋貫通形成的同時(shí)也引起炮孔壁周圍巖體中的原有細(xì)小裂紋起裂擴(kuò)展，最終導(dǎo)致保護(hù)區(qū)巖體的進(jìn)一步破碎、超挖，達(dá)不到良好的預(yù)裂效果。在工程實(shí)踐中為達(dá)到控制爆破的目的，適當(dāng)設(shè)置導(dǎo)向孔［1］，可使之按預(yù)定方向擴(kuò)展，并抑制其它方向的裂紋生成，從而達(dá)到理想的控制效果。

1 高臺(tái)階爆破介紹

近年來(lái)，為減少剝離量，降低成本，不少露天礦山最終邊坡采用并段方式，使最終段高變?yōu)?4 m 甚至更高。在高臺(tái)階預(yù)裂爆破時(shí)，為克服炮孔底部夾制作用，炮孔底部加強(qiáng)裝藥量和孔深的大致關(guān)系如表1所示［2］。

注：L1為加強(qiáng)裝藥段長(zhǎng)度，m；qy1為加強(qiáng)裝藥段線裝藥密度，g/m；qy為正常裝藥段線裝藥密度，g/m。

從表1可發(fā)現(xiàn)預(yù)裂爆破孔深20 m時(shí)，加強(qiáng)裝藥段線裝藥密度將是正常段的5～6倍，如果孔深達(dá)到26 m時(shí)，這個(gè)比例將會(huì)更大。這種情況下，如采用常規(guī)的設(shè)置導(dǎo)向孔的爆破方法，在不耦合系數(shù)的約束下，難以滿足底部加強(qiáng)裝藥量的要求。因此，針對(duì)高臺(tái)階預(yù)裂爆破提出在2 個(gè)正常裝藥預(yù)裂孔之間設(shè)置半隔孔的布孔方式。所謂半隔孔即布置在2 個(gè)正常裝藥孔中間，炮孔底部加強(qiáng)裝藥，上部空置的結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖1。這種布孔形式上部能起到空孔導(dǎo)向作用，下部加強(qiáng)裝藥也能克服超深孔底部的夾制作用。

2 半隔孔作用機(jī)理

（1）半隔孔上部導(dǎo)向作用機(jī)理。當(dāng)正常裝藥孔爆破后，會(huì)激起應(yīng)力波向外傳播，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)孔壁后，導(dǎo)致附近巖體中產(chǎn)生微裂隙并且擴(kuò)展。應(yīng)力波傳到空孔時(shí)，并在空孔處產(chǎn)生反射，由于應(yīng)力波的反射，空孔孔壁附近的應(yīng)力將比無(wú)空孔時(shí)應(yīng)力大，即表現(xiàn)為空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)。根據(jù)彈性力學(xué)理論確定的空孔峰值應(yīng)力狀態(tài)［3］為

式中，σθθ為空孔應(yīng)力集中后巖石中的切向應(yīng)力，MPa；σθ為巖石中某一點(diǎn)的徑向應(yīng)力，MPa；σr為巖石中某一點(diǎn)的切向應(yīng)力，MPa；k=，r2為空孔半徑，cm，rb為巖石中某一點(diǎn)距空孔中心的距離，cm；θ為任意方向與孔間連線的夾角，（°）。

當(dāng)k=1，θ=±π時(shí)，σθθ=3σθ+σr為極大值。

可知在相鄰炮孔連線方向出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。該集中應(yīng)力導(dǎo)致裂紋優(yōu)先向槽孔與空孔的連線方向發(fā)展。所以空孔的存在同時(shí)起到了導(dǎo)向裂隙的作用。初始裂縫猶如導(dǎo)向的“溝道”，隨著裂隙擴(kuò)展。隨后，孔內(nèi)爆生氣體形成的氣楔擠入孔壁的初始徑向裂紋，產(chǎn)生“氣刃效應(yīng)”作用，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。最終，在應(yīng)力波和爆生氣體的共同作用下形成貫通的裂縫。

（2）半隔孔底部夾制作用。綜合分析影響巖體爆破破裂的各種因素，所謂炮孔底部夾制作用，即巖體初始應(yīng)力對(duì)破裂成縫的影響。研究表明，巖體初始應(yīng)力在孔壁周圍產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力集中將抵消爆炸應(yīng)力波而產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力集中。這種情況下，不利于孔壁形成初始裂縫。在裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，巖體初始應(yīng)力的存在也將會(huì)抑制裂縫的擴(kuò)展，使表征裂縫擴(kuò)展能力的應(yīng)力強(qiáng)度因子值降低［4］。

平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值稱之為側(cè)壓比，其值隨深度的增加而減小。其變化范圍基本上介于以下范圍。

式中，σh.av為水平應(yīng)力，MPa；σv為垂直應(yīng)力，MPa。

由式（2）可以看出，在淺層地殼中平均水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力［5］。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)相同時(shí)，埋深越大，水平應(yīng)力越大，受初始地應(yīng)力場(chǎng)影響裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度越小，裂紋數(shù)量越少，爆破效果也就越差［6］，這就是底部夾制作用的主要原因。半隔孔底部加強(qiáng)裝藥將彌補(bǔ)正?？籽b藥不足的情況，克服炮孔深部初始地應(yīng)力，可以改善底部爆破效果。

3 主要參數(shù)確定

（1）不耦合系數(shù)。在沖擊壓縮條件下裂隙發(fā)展的格里菲斯判據(jù)確定的不耦合系數(shù)［7］Kd為：

式中，db、dc分別為炮孔直徑和藥卷直徑，m；ρ0為炸藥的密度，g/m3；V為炸藥的爆速，m/s；n為壓力增大系數(shù)；K為在沖擊載荷下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)；T為巖石單軸抗拉強(qiáng)度，MPa。

對(duì)于板巖，其單軸抗壓強(qiáng)度σ=68 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度T=5.4 MPa。取ρ0=1.15 g/cm3，V=5 000 m/s，取n=10，K=10，代入式（3）得出Kd≥2.1。

根據(jù)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不耦合系數(shù)一般取2～4，本工程試驗(yàn)地區(qū)為中等強(qiáng)度巖石，且局部較為破碎，現(xiàn)場(chǎng)提供的藥卷最小直徑為45 mm，本工程取穿孔直徑120 mm，不耦合系數(shù)2.67。

（2）合理孔間距。預(yù)裂孔孔間距常按照下面公式估算。

由于d=120 mm，孔距a的取值范圍為0.96～1.44 m，為方便現(xiàn)場(chǎng)布孔，孔距a=1.4 m。

（3）線裝藥密度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，露天深孔預(yù)裂爆破線裝藥密度按下列公式［2］確定。

式中，q1為炮孔線裝藥密度，kg/m；σy為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。

對(duì)于板巖，其單軸抗壓強(qiáng)度σy=68 MPa，當(dāng)孔距a=1.4 m 時(shí)，q=0.58 kg/m，考慮到現(xiàn)場(chǎng)巖性局部較破碎，取q=0.55 kg/m。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)地段巖石類型為板巖，局部較為破碎，巖石硬度系數(shù)約為6～7。根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，巖石抗壓強(qiáng)度為68.2 MPa，容重為25.9 kN/m3。

4.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證上述技術(shù)及參數(shù)的合理性，在巴潤(rùn)采場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。本次試驗(yàn)采用雙段預(yù)裂爆破施工，預(yù)裂孔采取雙段穿孔，一次爆破。緩沖孔和主爆孔采取單臺(tái)階穿孔爆破。采用液壓潛孔鉆機(jī)穿孔，預(yù)裂孔和緩沖孔傾斜角度與設(shè)計(jì)坡面角一致，傾角為65°，預(yù)裂孔、緩沖孔直徑120 mm，主爆孔直徑為150 mm，傾角為90°［8］。

（1）試驗(yàn)參數(shù)。本次采用對(duì)比試驗(yàn)分析半隔孔底部加強(qiáng)裝藥效果，總共進(jìn)行了4次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2是比較正?？拙嗪脱b藥情況下設(shè)置空孔對(duì)裂縫貫通的作用；試驗(yàn)1 為常規(guī)預(yù)裂爆破方案，每孔均正常裝藥；試驗(yàn)2 每2 個(gè)正常裝藥孔中間設(shè)置1 個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥；試驗(yàn)3 和試驗(yàn)4 是比較設(shè)置半隔孔的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為了提高穿孔效率，節(jié)約成本，相比較試驗(yàn)2 將孔距增大為0.9 m，試驗(yàn)3 每2 個(gè)正常裝藥孔中間設(shè)置1個(gè)半隔孔，半隔孔底部加強(qiáng)裝藥高度為5 m，試驗(yàn)4每2個(gè)正常裝藥孔中間設(shè)置1個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥。試驗(yàn)參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)表2、圖2。

（2）爆破網(wǎng)絡(luò)。預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索齊發(fā)爆破。保護(hù)區(qū)域采用高精度毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)孔外微差相結(jié)合，逐孔順序起爆網(wǎng)路?？變?nèi)放375 ms延期雷管，孔外同一排炮孔之間采用25 ms 延期雷管傳爆，排與排之間采用42 ms 延期雷管傳爆。預(yù)裂孔與主爆孔之間采用高精度導(dǎo)爆管雷管連接，預(yù)裂孔超前主爆區(qū)150 ms 起爆，主爆孔、緩沖孔依次起爆。試驗(yàn)1爆破網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。

（3）試驗(yàn)過(guò)程。按照爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，將預(yù)裂藥柱用膠帶間隔綁在導(dǎo)爆索上，然后送入孔內(nèi)，見(jiàn)圖4。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)1 是常規(guī)的預(yù)裂爆破施工方案，孔距為1.4 m，平均線裝藥密度為0.55 kg/m，每孔均正常裝藥，沒(méi)有預(yù)留導(dǎo)向孔。結(jié)果半壁孔痕率較低，不足50%，不平整度30～50 cm，特別是坡面上半部分存在超挖現(xiàn)象，超挖0.5～1 m，爆破效果見(jiàn)圖5（a）。

試驗(yàn)2 孔距為0.7 m，線裝藥密度與試驗(yàn)1 相同，每2 個(gè)正常裝藥孔中間設(shè)1 個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥，結(jié)果半壁孔孔痕率較高，達(dá)到90%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分沒(méi)有超挖，底部完全貫通，爆破效果見(jiàn)圖5（b）。

試驗(yàn)3 孔距為0.9 m，線裝藥密度增大為0.7 kg/m，導(dǎo)向孔底部加強(qiáng)裝藥高度5 m，結(jié)果半壁孔孔痕率較高，達(dá)到80%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分超挖在20 cm 以內(nèi)，底部完全貫通，爆破效果見(jiàn)圖6（a）。

試驗(yàn)4 孔距和線裝藥密度與試驗(yàn)3 相同，每2 孔中間設(shè)1個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔不裝藥。結(jié)果上部半壁孔貫通情況較好，半壁孔孔痕率較高，達(dá)到80%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分超挖在20 cm 以內(nèi)，但是底部裂縫未貫通，出現(xiàn)較多根底，爆破效果見(jiàn)圖6（b）。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)2 的爆破效果最好，這也證明了空孔在預(yù)裂爆破中的導(dǎo)向作用。但是，試驗(yàn)2 中孔間距太小，施工困難，穿孔效率低，成本大。本研究提出的試驗(yàn)3 方案，即在半隔孔底部加強(qiáng)裝藥，上部為空孔的裝藥結(jié)構(gòu)。這種裝藥結(jié)構(gòu)既利用了空孔的導(dǎo)向作用，又增加了超深孔底部炸藥密度，上部空孔的存在抑制了其他方向上的巖石破裂程度，控制了炮孔上部的過(guò)度粉碎，減少了超挖量，有利于形成較穩(wěn)定的邊坡。炮孔底部炸藥密度的增加有利于克服超深孔底部夾制作用，能夠形成貫通的裂縫，減少了破碎錘費(fèi)用，相比較試驗(yàn)2 也擴(kuò)大了孔距，可節(jié)省約5%的成本，同樣也取得了良好的試驗(yàn)效果。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)高臺(tái)階松軟巖體的深孔底部夾制作用明顯增大，加強(qiáng)裝藥量明顯增大的實(shí)際情況，為控制裂縫沿著炮孔連心線的發(fā)展，并且有效地克服高臺(tái)階深孔底部的夾制作用，提出了采用設(shè)置半隔孔的預(yù)裂爆破施工方案。

（2）通過(guò)理論分析，闡述了半隔孔的導(dǎo)向作用和克服深部夾制作用的機(jī)理。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)預(yù)裂爆破不耦合系數(shù)、孔間距和線裝藥密度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

（3）以理論分析為依據(jù)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工。通過(guò)4 次對(duì)比試驗(yàn)，得出設(shè)置半隔孔的預(yù)裂爆破底部加強(qiáng)裝藥高度5 m，上部空置時(shí)能使預(yù)裂縫沿炮孔連心線方向開(kāi)裂，抑制了其他方向上的巖石破碎，并且有效地克服了底部夾制作用，能夠形成貫通的裂縫，取得了較好的爆破效果，節(jié)省了施工費(fèi)用。