軟弱結構面對爆破效果影響及其控制*

和鐵柱 池恩安， 趙明生

(1.貴州大學礦業學院;2.貴州非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室;3.貴州新聯爆破工程有限公司)

“軟弱結構面”一詞在我國工程地質領域已被廣泛地使用，但尚無一個比較確切的、嚴密的定義。根據相關資料，軟弱結構面一般指的是巖體中在巖性上比上下或左右巖層顯著軟弱，而且單層厚度也比上下巖層明顯較小的巖層，有些資料也把軟弱結構面稱作軟弱夾層或軟弱帶［1-3］。軟弱結構面在土石方工程爆破中大量存在。巖體中軟弱結構面對巖石的爆破效果產生重大影響，直接關系到施工進度和經濟效益，是土石方爆破中不得不考慮的一個重要問題。在爆破過程中，爆炸應力波使巖石產生裂隙，并使原始損傷裂隙進一步擴展，隨后爆生氣體滲入裂隙并在準靜態壓力作用下使這些裂隙貫通、擴大形成巖塊，脫離母巖［4］。軟弱結構面塑性程度高，強度低，容易產生變形和破壞，不利于應力波的傳播，使爆炸作用發生變化，從而影響爆破效果。在以往的有關軟弱結構面的研究中，大多提及其對爆破產生的影響，但涉及實際的解決措施不夠。現以貴州某土石方爆破工程的實際例子說明軟弱結構面對爆破產生的影響以及采取的相關控制技術措施。

1 工程概況

貴州某土石方場坪工程地質條件復雜，巖體主要以凝灰巖、角礫凝灰巖、泥質灰巖、糜棱巖以及黏土等構成。巖體內軟弱結構面很發育，巖石風化嚴重，巖體強度較低，普氏系數為4～6。且結構面孔隙較大，含水率較高。在最初施工階段，由于對復雜的地質條件認識、分析不夠充分，按照一般土石方爆破進行作業，結果爆破效果很不理想，主要表現在:①產生大范圍沖炮;②大塊率極高;③爆破臺階不平整，爆堆表面沒能形成松散鼓包，里面殘余大量根底。因此，必須進行二次破碎，甚至重復放炮，從而嚴重影響施工進度和經濟效益。現場軟弱結構面及其爆破效果見圖1。

2 軟弱結構面對爆破效果影響分析

2.1 軟弱結構面對爆破塊度的影響

爆破碎塊大小首先取決于原生裂隙面，其次為爆破作用形成的新鮮破裂面，原生裂隙越多，塊度愈大。由于軟弱結構面的廣泛存在，爆炸應力波的傳遞受到很大影響，入射波能量需要克服軟弱結構面兩側巖體相對滑移所消耗的能量。爆炸應力波以及爆生氣體的準靜態壓力不能充分作用到巖石上，炸藥能量利用率較低，作用在單位巖體體積上的能量就小。爆生氣體更是從結構面和軟弱帶沖出來，非常不利于裂隙的擴展、貫通，因此大塊率高，爆破效果差。通常，有軟弱結構面的土石方臺階爆破中，經常產生大塊的區域主要集中在臺階的表層、不規則的臨空面、臺階中部及根底部位，見圖2。

圖1 軟弱結構面及其對爆破效果的影響

圖2 大塊產生的主要區域

2.2 軟弱結構面對沖炮的影響分析

當軟弱面與地表或溶洞貫通，爆源與軟弱面的距離小于最小抵抗線的時候，爆炸的能量率先從軟弱結構面的裂隙、斷層等最薄弱的地方沖開，炸藥爆炸的部分能量將以“沖炮”或其他形式向臨空面或溶洞泄出，爆炸威力下降，爆破效果明顯降低［5］。沖炮的產生不但造成大量的大塊和根底，導致1次爆破不徹底，而且還會導致大量飛石，非常不利于安全，因此必須加以控制。沖炮產生的大量飛石見圖3。

圖3 沖炮產生大量飛石

2.3 軟弱結構面對爆破漏斗的影響分析

應力波通過軟弱結構面時，引起應力波反射以及軟弱結構面內的介質產生壓縮變形，對爆破能量起到了一定程度的隔離或吸收作用。爆炸能量不能充分被巖石吸收和利用，再加上向裂隙釋放了大量能量，那么有效作用在巖體上的能量就不足以使巖石充分破碎，不足以使巖體向上拱抬而脫離母巖，也無法抵消底部阻抗力。因此，不能形成良好的爆破漏斗，主要表現為表面沒能形成松散的鼓包，里面殘留大量根底。這就導致不能形成平整的作業平臺，不利于挖運施工，也不利于下一臺階的爆破作業。

3 采取的控制措施

3.1 調整爆破參數

由于軟弱面對巖體的切割，使得爆破能量大量被吸收和泄露，爆破作用有限，單孔的爆破有效作用范圍相對縮小，相應的爆破漏斗的有效半徑縮小。所以適當縮小孔排距、間距，使炸藥相對集中，這就避免了兩孔之間爆破不徹底的情況。但是，僅僅縮小孔排距、孔間距，則提高了炸藥單耗，不但增加了成本，還會導致更嚴重的沖炮，造成安全事故。因此，從安全以及經濟角度來講，并不合適大范圍提高單耗。為使炸藥充分被利用，發揮更好的爆破效果，還應采取分散單孔藥量，采用較小的孔徑進行爆破，使炸藥作用更均勻。通過調整，爆破參數前后對比見表1。

表1 爆破參數調整前后對比

通過對比可以發現，調整為直徑90 mm炮孔之后，單耗稍微增加了0.02 kg/m3，這是為了補充無效消耗的爆破能量。由于單孔裝藥量減少，并且炸藥較之前分布相對均勻，所以增加的單耗并不足以導致更嚴重的沖炮。

3.2 增加孔底裝藥密度

為避免爆破后臺階底部殘留大量根底，可采用增加孔底裝藥密度的方式增加底部單耗。對于90 mm直徑的炮孔，通常采用70 mm直徑的2號巖石乳化炸藥進行填裝，那么炸藥和孔壁有20 mm的空隙。因此，在炮孔底部經行填裝時，可以采取劃開炸藥包裝袋的方式，使藥包從孔口落到孔底的時候能夠散開并搗實，使底部填裝更充實。此外，還要確保鉆孔孔底在同一個水平面上，鉆孔要平行且孔間、排距保持一致。

3.3 選擇適合的爆破位置

爆破位置對爆破效果也有很大影響。孔位打在軟弱帶上或者軟弱結構面附近，就可能導致爆破應力波以最不利的入射角入射到這樣的結構面，結構面將會吸收近一半的入射波能量用于產生相對滑移［6］。爆破能量被吸收、消耗，容易導致大塊的產生。所以應選擇巖石較硬、較密的地方打孔，避開軟巖以及軟弱結構面，避免應力波以不利于波傳播的入射角在軟弱結構面傳播，避免能量被吸收、泄露，提高炸藥能量的利用率，從而取得良好的爆破效果。

3.4 采用淺孔爆破輔助

對于軟弱結構面很發育的地帶，山體表面大多為凸凹不平的孤石、泥夾石等不均勻性、非連續性非常明顯的巖石。中深孔爆破孔間距大、抵抗線大，單孔藥量相對集中，那么炸藥作用在巖石上的能量就不均勻，容易產生大塊。采用淺孔爆破可以使炸藥能量作用更均勻，爆破塊度也更小，從而降低大塊率，便于施工作業。中深孔爆破與淺孔爆破對比見表2。

表2 中深孔爆破與淺孔爆破對比

從表2中可以看出，對于地質條件較差的巖體，淺孔爆破較中深孔爆破適合。因此，軟弱結構面很發育、泥夾石、表面凸凹不平的地方可以采用淺孔爆破輔助中深孔爆破的方式。

通過以上方式的調控，取得了良好的效果，表明此類方法具有一定的可行性。但要根據情況，選擇合適的方案。

4 結論

土石方爆破施工中首先要查明工程地質情況，根據巖體構造情況合理選擇爆破方案、設計炮孔位置和爆破參數，再根據爆破效果，逐步調整到最佳爆破參數。對于軟弱結構面，要適當縮小孔排、間距，提高底部單耗，采用淺孔輔助爆破等技術措施，從而取得良好的爆破效果和經濟效益。

［1］ 孫廣忠.巖體力學基礎［M］.北京:科學出版社，1983.

［2］ 高文龍，姜耀東，湛 川.軟弱結構面表面形態與充填度的力學特性研究［J］.工程地質學報，2010，18(1):127-131.

［3］ 陳建平，高文學.爆破工程地質學［M］.北京:科學出版社，2005.

［4］ 于亞倫.工程爆破理論與技術［M］.北京:冶金工業出版社，2004.

［5］ 顧毅成.爆破工程施工與安全［M］.北京:冶金工業出版社，2004.

［6］ 李夕兵.論巖體軟弱結構面對應力波傳播的影響［J］.爆炸與沖擊，1993.13(4):334-342.