中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破技術應用研究

魯軍紀 褚懷保 葉紅宇

(1.湖南漣邵建設工程(集團)有限責任公司，湖南 婁底417000;2.中南大學軟件學院，湖南 長沙410083;3.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作454000)

在礦井建設過程中，爆破法依然是目前掘進破巖的主要手段。試驗和實踐表明，炸藥爆炸釋放的能量在實現(xiàn)掘進巖石破碎和破裂的同時有很大一部分不可避免地消耗在爆破有害效應的轉化中，即不可避免的對圍巖造成一定的損傷［1-3］。這種損傷影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一是對巖石力學性能的劣化，使圍巖的強度降低;二是在圍巖內形成新的裂隙或者促使圍巖中原裂紋進一步擴展，降低圍巖的完整性。最終兩者必將影響圍巖的穩(wěn)定性，增加巷道支護難度和后期運營過程中的維修維護成本。

在目前采掘矛盾日益凸顯的狀況下，增加炮孔深度全斷面一次起爆的中深孔全斷面爆破技術在巷道掘進中得到了越來越廣泛的應用，但在現(xiàn)有的爆破技術條件下，往往存在炮孔利用率低、循環(huán)進尺小、矸石堆積在工作面、根底殘留嚴重、巷道成型質量差、圍巖擾動損傷大等問題，嚴重影響巷道掘進速度，在下山巷道爆破掘進過程中這些問題更為突出［4-5］。因此，提高巷道掘進速度，對保證礦井正常接續(xù)和生產具有非常重要的現(xiàn)實意義。

為了提高下山巷道的掘進速度，控制爆破對圍巖的擾動損傷，在定向斷裂爆破理論分析的基礎上提出切縫管藥包定向斷裂復合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術，并進行現(xiàn)場中深孔全斷面爆破應用，為切縫管定向斷裂爆破技術在巖巷快速掘進中的推廣應用提供理論和應用基礎。

1 切縫管定向斷裂爆破裂紋的形成與擴展

切縫管定向斷裂爆破是定向斷裂控制爆破技術的一種，是將炸藥裝入具有一定強度和密度的管內，在管殼上開不同角度、數(shù)量和形狀的切縫，調控炸藥爆炸能量的釋放方向，控制介質中爆破裂紋的形成位置和擴展過程。

1.1 切縫管定向斷裂爆破初始裂紋的形成

切縫管的存在使炮孔內壁介質波阻抗發(fā)生改變，改變應力波的傳播規(guī)律。藥包在切縫管內不耦合裝藥時，藥包爆炸瞬間轉化為高溫高壓的爆轟產物，爆轟產物膨脹擠壓周圍空氣產生空氣沖擊波，空氣沖擊波向外傳播，在切縫管處作用于切縫管產生沖擊波，傳播至管殼與巖石分界面發(fā)生反射和透射，透射波作用于巖石介質;在切縫處空氣沖擊波直接作用于巖石介質。藥包在切縫管內耦合裝藥時，爆轟產物膨脹擠壓管殼在管殼內產生沖擊波，傳播至管殼與巖石分界面發(fā)生反射和透射，透射波作用于巖石介質;在切縫處爆轟產物直接擠壓炮孔壁，在巖石中產生沖擊波。

式中，σI，σR，σT分別為入射、反射和透射應力，Pa;ρ1c1，ρ2c2分別為2 種介質的波阻抗，MPa·s/m。

巖石介質的波阻抗大于切縫管的波阻抗，由式(1)可知，炸藥爆炸后作用于切縫處炮孔內壁上的透射應力大于切縫管內壁的透射應力，同時，切縫管是一種可塑性材料，其塑性變形會吸收一部分沖擊波能量，使非定向方向的沖擊能量得到衰減。由于切縫寬度很小，所以，切縫方向炮孔壁可認為是受線性分布力σ1，非定向方向由于切縫管的存在承受均布面力σ2，則有σ1＞σ2。從切縫處取單元體，其受力情況如圖1 所示。

圖1 切縫孔壁處力學模型Fig.1 Mechanics mode of cut holes wall

單元體在σ1和σ2形成的壓力差下發(fā)生剪切破壞，在炮孔壁上形成初始裂紋，而且，在切縫處有較強的應力集中，應力強度因子為非定向方向的3.75 ～5.4 倍，也促使切向方向的初始裂紋形成。

1.2 切縫管定向斷裂爆破裂紋擴展

初始裂紋形成后，切縫方向裂紋的擴展可分為3個階段:切向拉伸應力作用下的擴展、爆生氣體驅動壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴展、爆生氣體驅動下的宏觀裂紋擴展。

(1)爆炸應力波作用下切向拉伸應力作用下的裂紋擴展。初始裂紋形成后，爆炸沖擊波迅速衰減為壓縮應力波，爆炸應力波作用下，巖石表現(xiàn)為強脆性，可用純脆性損傷斷裂準則作為應力波作用下巖石的損傷斷裂判據(jù)，根據(jù)Lematire 等效應力概念［7］，當?shù)刃Ζ襡達到巖石的動態(tài)斷裂應力σu時巖石斷裂，裂紋擴展。巖石發(fā)生切向拉伸破壞，徑向裂隙進一步擴展。

(2)爆生氣體驅動壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴展。爆炸應力波進一步衰減后，切向拉伸應力不能使巖石介質發(fā)生拉伸破壞，爆炸應力波作用下裂紋擴展終止。高溫高壓的爆生氣體隨機充滿炮孔及形成的裂紋內，對于巖石內部的爆破問題，可簡化為二維軸對稱平面應變問題來分析，假設在所有裂紋內爆生氣體的流動規(guī)律相同，在不具體考慮裂紋間的相互影響下以平均效應代替，且將此裂紋擴展看做是I 型裂紋擴展問題，則巖石中裂紋的穩(wěn)態(tài)失穩(wěn)條件為切向應力等于巖石動態(tài)抗拉強度［6，8］。

(3)爆生氣體壓力場作用下的宏觀裂紋擴展。σθ≥σd后初始裂紋穩(wěn)態(tài)擴展，隨后爆生氣體充滿到初始形成的徑向裂隙中，在近區(qū)以氣體驅動的模式使裂紋擴展，由應力強度因子準則來確定裂紋擴展區(qū)域。當應力場強度因子KI大于等于巖石斷裂韌度KIC時裂紋會進一步擴展［9］。

1.3 切縫管定向斷裂爆破參數(shù)

(1)炮孔間距。利用切縫管定向斷裂爆破時，為實現(xiàn)只在炮孔之間連線方向形成貫通裂紋，而在炮孔壁的其余方向不出現(xiàn)拉伸裂紋，可將切縫縫口朝向炮孔之間連線方向上，根據(jù)文獻，當裂尖應力強度因子KI≥KIC時，裂紋開始起裂［10］。令

最終沒能改變阿花的決定，景花廠宣布倒閉。阿花說她最難過的是對不起員工們，他們跟隨自己這么多年，金融危機來了，沒能在她的樹蔭下躲過這場雨，而樹倒猢猻散了。所以景花廠倒了，一定要給員工們一個交代。她想好了具體的方案：一是向林強信妥協(xié)，讓大發(fā)廠來的員工再回大發(fā)廠；二是請業(yè)務單位幫忙，安置熟手；三是把設備低價處理給員工，讓他們自己接活加工；四是剩下的員工最大限度地予以賠償。阿花安排我去大發(fā)廠和林強信交談，她跑其他業(yè)務單位。

式中，r 為切縫外爆破裂紋長度;r0為炮孔半徑;P 為炮孔壓力，MPa;b 為側壓力系數(shù)，b = μ/(1 － μ);μ為巖石泊松比;σt為巖石動態(tài)抗拉強度，MPa。取P= γσt/b，γ = 0.8 ～0.9 。由此求得與巖石性質和炮孔半徑r0有關的裂紋長度r 的表達式為

所以炮孔間距

(2)光爆層厚度。為保證光爆層效果，應根據(jù)巖石性質選擇炮眼密集系數(shù)m，一般取m= 0.8 ～1.0，其中硬巖取大值，軟巖取小值。這樣光爆層厚度W為

注意切縫管定向斷裂爆破炮孔密集系數(shù)m 的取值在這里有所不同。

(3)線裝藥系數(shù)和線裝藥密度。在計算炮孔線裝藥系數(shù)和線裝藥密度時假定炮孔采用不耦合裝藥，炮孔內爆轟產物膨脹過程遵循以下規(guī)律［11］:

其中，Pc為爆轟產物平均壓力;ρ0為炸藥密度;D 為炸藥爆速;PK為爆轟產物膨脹時的臨界壓力，一般取100 MPa;Vb為炮孔體積;Vc為裝藥體積;M 為低壓階段(PK≥P)的爆轟產物膨脹指數(shù)，取M =1.4;N為高壓階段(PK≤P)的爆轟產物膨脹指數(shù)，取N=3.0。

結合P = γσt/b，可得炮孔線裝藥密度和線裝藥系數(shù)

式中，q 為線裝藥密度;ζ 為線裝藥系數(shù);db為炮孔直徑;dc為裝藥直徑。

2 中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破技術應用

某下山巷道掘進斷面寬4 400 mm，邊墻高2 200 mm，拱部開挖高度1 467 mm，開挖斷面14.77 m2，坡度15%。巷道巖石普氏系數(shù)f =8 ～10;YTP －28 型風鉆人工抱鉆打眼，全斷面中深孔爆破掘進，錨噴網(wǎng)支護，選用柳工ZL50C(ZL40B)輪式裝載機和8 t 自卸汽車裝運工作面廢石，利用分段聯(lián)道岔口作裝碴點。但爆破效果不夠理想，炮孔利用率僅為60% ～70%;周邊孔成形質量較差，炮孔半孔率僅為60%左右，且半孔痕分布嚴重不均;鉆孔工作量大;同時循環(huán)總藥量過大，爆破掘進施工對巷道圍巖的損傷過大，嚴重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，致使后期巷道運營過程中的維修和維護費用提高，礦井采掘矛盾日益突出。因此，如何提高巖巷掘進速度，實現(xiàn)礦井高效快速掘進生產目標成了亟待解決的問題。

為改善爆破效果，提高掘進速度，提出了中深孔全斷面切縫管定向斷裂爆破方案，掏槽孔采用二級楔形耦合藥包切縫管定向斷裂爆破，周邊孔采用不耦合藥包切縫管定向斷裂爆破。切縫管定向斷裂楔形掏槽爆破是在掘進工作面布置兩階楔形掏槽孔，一階掏槽孔裝入相應材質的切縫管，切縫寬度0.5 mm，切縫沿上下排炮孔連心線方向對稱開設，兩端炮孔內切縫管切縫垂直開設，如圖2 和圖3 所示。

圖2 中深孔楔形切縫藥包定向斷裂掏槽爆破炮孔布置Fig.2 Layout of directional fracture cut blasting holes of middle-deep hole wedge joint-cutting cartridge

圖3 一級楔形掏槽孔定向斷裂裝藥結構Fig.3 Directional fracture charging constitution of level-1 wedge cut hole

周邊孔中提出采用定向斷裂周邊光面爆破技術，周邊孔裝藥結構如圖4 所示，切縫管長0.5 m，水泡泥填塞，剩余炮孔用黃土炮泥填塞。

圖4 周邊孔切縫管定向斷裂裝藥結構Fig.4 Directional fracture charging constitution of cut tube in peripheral holes

3 現(xiàn)場應用爆破效果

在定向斷裂爆破裂紋擴展機理基礎上，對爆破參數(shù)進行優(yōu)化設計，周邊孔間距500 mm，光爆層厚度500 mm(確保周邊孔爆破后光爆層巖石可充分破碎，以降低周邊孔裝藥爆炸后產生的應力波發(fā)射對圍巖的擾動損傷);一級掏槽孔孔口距800 mm，二級掏槽孔孔口距1 400 mm，同時中間的直孔布置為2 個，爆破器材選32 mm ×200 mm 乳化炸藥，1 ～5 段3 m腳線非電毫秒雷管，反向連續(xù)裝藥，磁電雷管、專用啟爆器實行長距離引爆，聯(lián)線方式為分組并聯(lián)方式，放炮母線選用鋁芯塑膠線，放炮安全距離不小于200 m。斜坡道炮孔布置如圖5 所示。

圖5 斜坡道炮眼布置Fig.5 Layout of blastholes at ramp

現(xiàn)場效果:通過利用提出的切縫管藥包定向斷裂復合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術使炮眼利用率達到90%以上，每循環(huán)進尺達2.5 m，大大提高了巷道掘進速度;眼痕率85%以上，爆破成形規(guī)整，有效控制了損傷，確保了圍巖穩(wěn)定性，為后期支護創(chuàng)造了良好條件;爆后巖塊均勻，大塊率低，提升了爆后裝巖速度。

4 結 論

(1)初始裂紋的形成是切縫處應力集中和壓力差所致，而后的裂紋擴展過程包括切向拉伸應力作用下的擴展、爆生氣體驅動壓力作用下裂紋穩(wěn)態(tài)擴展和爆生氣體驅動下的宏觀裂紋擴展3 個階段。

(2)切縫管藥包定向斷裂復合楔形掏槽爆破和周邊孔切縫管藥包定向斷裂爆破技術可提高炮孔利用率和眼痕率，改善掏槽爆破效果，有益于提高巷道掘進速度;對周邊圍巖擾動損傷較少，使周邊圍巖裂隙少、整體性高，巷道周邊和迎頭面成型較好;且后期修邊支護工作量大大減少，維護維修費用降低。

［1］ 楊小林，侯愛軍，梁為民，等. 隧道掘進爆破的損傷機理與振動危害［J］.煤炭學報，2008(4):400-404.

Yang Xiaolin，Hou Aijun，Liang Weimin，et al. Damage mechanism and vibration effects in tunnel blasting［J］.Journal of China Coal Society，2008(4):400-404.

［2］ 楊小林，王夢恕，王樹仁.爆破對巖體基本質量的影響及試驗研究［J］.巖土工程學報，2000(4):461-464.

Yang Xiaolin，Wang Mengshu，Wang Shuren.Blasting effects on basic quality of rock mass and its experimental investigations［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000(4):461-464.

［3］ 張志呈，肖正學，蒲傳金，等. 爆破對巖石的損傷影響及損傷控制研究［J］.中國鎢業(yè)，2006(6):18-22.

Zhang Zhicheng，Xiao Zhengxue，Pu Chuanjin，et al. Blasting effects on rock damnification and its control［J］.China Tungsten Industry，2006(6):18-22.

［4］ 李廷春，劉洪強，張 亮.硬巖下山巷道快速掘進技術措施研究［J］.礦冶工程，2012(3):9-13.

Li Tingchun，Liu Hongqiang，Zhang Liang.Study on technical measures for rapid advancement of hard rock dip roadway［J］.Mining and Metallurgical Engineering，2012(3):9-13.

［5］ 李廷春，劉洪強.煤礦下山巷道爆破掘進技術試驗研究［J］. 巖土力學，2012(1):35-40.

Li Tingchun，Liu Hongqiang.Experimental study of blasting technology of dip roadway excavation in coal mine［J］. Rock and Soil Mechanics，2012(1):35-40.

［6］ 戴 俊，王小林，梁為民，等.爆破工程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:118-134.

Dai Jun，Wang Xiaolin，Liang Weimin et al. Blasting Engineering［M］.Beijing:China Machine Press，2007:118-134.

［7］ Lmaitre J.損傷力學教程［M］.北京:科學出版社，1996.

Lmaitre J.Damage Mechanics Tutorial［M］. Beijing:Science Press，1996.

［8］ 楊小林，王樹仁. 巖石爆破損傷的細觀機理［J］，爆炸與沖擊，2000，20(3):247-252.

Yang Xiaolin，Wang Shuren. Meso mechanism of damage and fracture on rock blasting［J］. Explosion and Shock Waves，2000，20(3):247-252.

［9］ 朱瑞賡，李新平，陸文興.控制爆破的斷裂與參數(shù)確定［J］.爆炸與沖擊，1994，14(4):314-317.

Zhu Ruigeng，Li Xinping，Lu Wenxing.The fracture control and determination of the parameters in control blasting［J］. Explosion and Shock Waves，1994，14(4):314-317.

［10］ 戴 俊.基于有效保護圍巖的定向斷裂爆破參數(shù)研究［J］. 遼寧工程技術大學學報，2005(3):369-371.

Dai Jun.Study on parameters of directional-split blasting based on protecting effectively remaining rock［J］.Journal of Liaoning Technical University，2005(3):369-371.

［11］ 馬芹永.光面爆破炮眼間距及光面層厚度的確定［J］. 巖石力學與工程學報，1997(6):590-594.

Ma Qinyong.Definition of hole-space and burden in smooth blasting［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1997(6):590-594.