預(yù)裂爆破技術(shù)在超大斷面豎井深孔爆破成井中的應(yīng)用

徐鵬祖

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450003)

0 前 言

預(yù)裂爆破是降低主體爆破對(duì)周邊巖體破壞、控制爆破邊界的有效技術(shù)手段。其爆破方法通常在爆破邊界控制線上布置密集炮孔，在炮孔內(nèi)采用不耦合方式裝低威力炸藥，在主體爆破前起爆形成預(yù)裂縫，以降低爆破對(duì)邊幫的破壞，并為后續(xù)的主體爆破提供自由面[1-4]。預(yù)裂爆破技術(shù)于19世紀(jì)70年代起在我國(guó)試驗(yàn)推廣，并隨后在礦山開采、水利工程、道路工程等建設(shè)工程中應(yīng)用。對(duì)于預(yù)裂爆破機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，如王勝[5]通過物理模型試驗(yàn)研究，證實(shí)預(yù)裂爆破裂縫的產(chǎn)生主要源于應(yīng)力波在相鄰炮孔連心線上的拉伸作用；廟延鋼[6]觀察了預(yù)裂爆破中炮孔連心線上預(yù)裂縫的動(dòng)態(tài)演化過程，并認(rèn)為預(yù)裂縫首先向炮孔連心線方向發(fā)展。在預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用方面，蒲飛等[7]采用預(yù)裂爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)了巖質(zhì)路塹高邊坡的控制爆破，戴會(huì)超[8]則采用預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)三峽大壩開挖爆破邊坡和周邊圍巖實(shí)施了有效控制與保護(hù)。

在超大斷面豎井掘進(jìn)中，深孔爆破成井技術(shù)的成井效率高、作業(yè)安全性高，因此得到了極為廣泛的推廣應(yīng)用。然而超大斷面豎井破頂爆破時(shí)爆破規(guī)模大，對(duì)周邊巖體破壞很大。為減少對(duì)周邊巖體損傷破壞以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，本文以吉林省飲馬河引松供水工程總干線施工四標(biāo)段調(diào)壓豎井掘進(jìn)為例，將預(yù)裂爆破控制技術(shù)引入深孔爆破成井的破頂邊界控制中，采用數(shù)值模擬分析預(yù)裂爆破動(dòng)態(tài)過程，并通過精確短延時(shí)爆破成井，順利完成了直徑 20 m超大斷面豎井深孔爆破成井。

1 預(yù)裂爆破作用機(jī)理

預(yù)裂爆破的作用機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)：

（1）保護(hù)孔壁。爆破中邊孔采用不耦合裝藥，當(dāng)炸藥爆炸時(shí)，爆炸應(yīng)力波不會(huì)直接作用于孔壁，同時(shí)由于空氣間隔，當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到孔壁時(shí)，其強(qiáng)度值已經(jīng)大大降低，減少了應(yīng)力波對(duì)孔壁的破壞；同時(shí)由于空氣間隔，大大降低了初始爆生氣體強(qiáng)度，減小了其對(duì)孔壁的作用[9]。

（2）相鄰孔間裂縫貫通。預(yù)裂爆破一般情況下是所有炮孔同時(shí)起爆，單個(gè)炮孔爆破以相鄰炮孔的孔壁作為自由面。在自身炮孔附近產(chǎn)生破碎帶，相鄰炮孔的應(yīng)力波在兩孔中間區(qū)域相遇，進(jìn)而疊加作用使這部分區(qū)域裂隙擴(kuò)張，當(dāng)裂隙擴(kuò)展到破碎帶時(shí)，預(yù)裂炮孔貫穿，此時(shí)預(yù)裂爆破完成[10]。

2 基于/LS-DYNA的預(yù)裂爆破數(shù)值模擬

本文建立相鄰3孔預(yù)裂爆破模型，根據(jù)工程實(shí)踐采用孔間距150 mm，裝藥直徑50 mm，本模擬采用流固耦合算法，即巖石采用拉格朗日算法，而炸藥采用歐拉網(wǎng)格[11]。模型的網(wǎng)格劃分采用4節(jié)點(diǎn)正方形單元，單元總數(shù)為 2680個(gè)。為消除邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，本模型的四周均設(shè)置為無反射邊界條件。模型中的巖石采用 LS-DYNA中的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，炸藥為二號(hào)巖石炸藥，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。

圖1所示為預(yù)裂爆破應(yīng)力波傳播過程。由圖1可以看出，有效應(yīng)力波是從藥卷中心傳出，呈柱狀向四周傳播（圖1中是圓形，因?yàn)槟Ｐ蜑槠矫婺Ｐ停?；從圖1可以看出，t =26.26 μs時(shí)應(yīng)力波對(duì)巖石沒有作用，且其峰值遠(yuǎn)小于爆破時(shí)的初始應(yīng)力，所以可以得出空氣對(duì)應(yīng)力波起到了有效的緩沖作用，延長(zhǎng)了有效應(yīng)力的作用時(shí)間；t =49.48 μs時(shí)應(yīng)力波開始作用于巖石，并向四周擴(kuò)展開；由圖1可以看出應(yīng)力波在巖石中的傳播，有巖石的阻尼作用，應(yīng)力波峰值逐漸減?。籺 =412.17 μs時(shí)，應(yīng)力波傳到自由面，此時(shí)巖石受到應(yīng)力波和自由面的反射應(yīng)力波共同作用；t =780.03 μs時(shí)，應(yīng)力波峰在相鄰炮孔中間位置相遇疊加，其疊加峰值為3.962 MPa，大于巖石的最大抗壓強(qiáng)度，巖石發(fā)生壓縮破壞，且在爆炸氣體和反射應(yīng)力波的共同作用下，相鄰炮孔裂縫貫穿；t =2001.6 μs時(shí)，應(yīng)力波對(duì)巖石的作用結(jié)束，預(yù)裂裂縫基本形成，所以模擬設(shè)置時(shí)間 2 ms是合理的。

圖1 預(yù)裂爆破應(yīng)力波的傳播

由以上分析可以得出，在設(shè)計(jì)的預(yù)裂爆破參數(shù)下，預(yù)裂爆破裂縫可以形成，并達(dá)到預(yù)想的預(yù)裂爆破效果，所以爆破參數(shù)設(shè)計(jì)可行。

3 精確短延時(shí)爆破成井技術(shù)應(yīng)用

吉林省飲馬河引松供水工程總干線施工四標(biāo)段調(diào)壓豎井?dāng)嗝嬷睆綖?0 m，深度為50 m，井筒形式為簡(jiǎn)單圓筒式, 在調(diào)壓井掘進(jìn)前其下部已提前開挖隧道硐室，如圖2所示。該調(diào)壓井地段主要巖性為凝灰質(zhì)砂巖，巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示[12-13]。

該調(diào)壓井工程屬于超大斷面超深豎井掘進(jìn)，常規(guī)的深孔爆破成井方案根本無法實(shí)施完成其高效率掘進(jìn)。因此，采用“先導(dǎo)井爆破、次主體側(cè)崩爆破、后破頂爆破”的豎井深孔爆破技術(shù)解決了深孔爆破成井自由面缺乏的技術(shù)難題，即在調(diào)壓豎井中間先行用深孔爆破掘進(jìn)直徑為6 m的導(dǎo)井，之后以導(dǎo)井為自由面實(shí)施側(cè)崩爆破和破頂爆破。最后一次的破頂爆破是將調(diào)壓井范圍內(nèi)的剩余巖體爆穿，達(dá)到調(diào)壓豎井設(shè)計(jì)斷面，最終完成調(diào)壓井的掘進(jìn)。由于該豎井?dāng)嗝嫣螅祈敱频拇笠?guī)模爆破對(duì)周邊巖體將造成極大的破壞。為使得爆破邊界控制平整，同時(shí)降低主體爆破對(duì)周邊巖體的損害，將預(yù)裂爆破應(yīng)用于破頂爆破的周邊孔爆破。

預(yù)裂爆破孔徑為150 mm，炮孔間距為1.0 m，預(yù)裂爆破炮孔及裝藥結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。預(yù)裂孔數(shù)為67個(gè)，主體崩礦孔采用5 kg/條的乳化炸藥，預(yù)裂爆破孔則采用1 kg/條的乳化炸藥，為降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，將豎井周邊預(yù)裂孔以5孔為一組，組間采用孔外9 ms高精度雷管延時(shí)起爆，孔內(nèi)則采用長(zhǎng)延期1950 ms的高精度雷管起爆，破頂爆破后順利完成了直徑20 m、高50 m 的超大斷面超深豎井掘進(jìn)，不僅使得豎井邊界控制較為平整光滑，也有效減小了最大段藥量并降低了爆破振動(dòng)危害。

圖2 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

圖3 預(yù)裂爆破孔布置

圖4 預(yù)裂爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

為降低大規(guī)模爆破對(duì)周邊巖體損傷破壞以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，本文將預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用于超大斷面豎井深孔爆破成井中。首先揭示了預(yù)裂爆破作用機(jī)理，之后采用LS-DYNA軟件模擬了預(yù)裂爆破的應(yīng)力波傳播過程。之后以吉林省飲馬河引松供水工程總干線施工四標(biāo)段調(diào)壓豎井掘進(jìn)為例，將預(yù)裂爆破應(yīng)用于超大斷面豎井深孔爆破成井的破頂爆破中，為降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，將豎井周邊預(yù)裂孔以數(shù)孔為一組，組間以9 ms延時(shí)起爆，不僅不影響孔間預(yù)裂縫的形成，也有效減小了最大段藥量并降低了爆破振動(dòng)危害。本文研究結(jié)果對(duì)大斷面高天井掘進(jìn)工程具有重要的參考價(jià)值。