預裂爆破中節理走向角度對預裂縫貫通性的影響

劉際飛 璩世杰

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

預裂爆破中節理走向角度對預裂縫貫通性的影響

劉際飛 璩世杰

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

自然巖體往往是含有節理、裂隙、斷層等地質結構面的不連續介質，巖體的這種不連續性對預裂爆破時應力波的傳播和預裂縫的形成都具有重要影響。為了研究節理走向角度對預裂縫貫通程度的影響，對一次預裂爆破所生成的預裂縫進行分段爆破振動測試試驗，通過不同段的節理走向角度與降振率的結果發現：炮孔間節理走向角度對預裂成縫的影響顯著，預裂爆破所在位置的節理走向角度越大，該位置上所產生預裂縫的降振率越高，表明預裂縫的貫通程度隨節理走向角度的增大而提高。觀察現場預裂爆破效果也發現：當節理面走向角度接近90°時，預裂縫的貫通性與平整度最好，與理論分析基本一致。

預裂爆破 預裂縫 節理巖體 節理面走向角度 分段降振試驗

在露天礦山鄰近邊幫處，為避免應力波直接傳播至邊坡巖體內，危害邊坡的穩定，甚至誘發滑坡等現象的出現，需要采取緩沖預裂爆破措施。預裂爆破所產生的預裂縫可以有效“屏蔽”主爆區炮孔產生的爆破振動效應，改善了爆破開挖過程中地震波對邊幫的破壞影響[1]，從而保證巖體邊坡的穩固平整。所以預裂爆破的成縫效果，預裂縫的平整度以及貫通性對工程質量影響重大。

國內外學者也就這一問題進行了深入的研究，楊文敬等[2]對預裂爆破裝藥徑向不耦合系數進行研究，得出在不同材質下的不耦合系數最佳取值。戴兵等[3]通過數值模擬，對預裂爆破的孔間距、線裝藥密度、炮孔直徑參數進行分析，推導出線裝藥密度公式。但這些研究把巖體作為均值連續的介質來考慮，與實際情況有一定差異。近年來，巖體中節理在爆破中的作用越來越引起學者的關注，Zhu[4-5]對不同節理產狀、入射角、間距以及剛度等參數條件下，應力波的傳播規律進行了理論研究。謝冰[6]運用UDEC軟件從節理傾角、間距兩方面入手，對預裂成縫的影響進行了數值模擬研究。

雖然對預裂成縫的研究已有先例，但由于現場試驗條件的限制，基于預裂爆破中節理對預裂縫成縫影響的現場實驗研究較少。本研究首先通過對預裂爆破所在位置進行節理統計，根據節理與炮孔連線夾角即走向面角度的區別對預裂縫進行分段，其次對爆破后所產生的各段預裂縫進行爆破振動測試試驗，采用試驗結果與節理統計結果對比分析的研究方法就節理面走向角對預裂縫貫通性的影響進行研究。

1 節理面走向角度對預裂縫開裂影響的理論研究

預裂縫的形成是應力波和爆生氣體共同作用的結果，由于采用了不耦合裝藥，炸藥爆炸時產生的氣體作用在孔壁上的壓力小于巖體的動態抗壓強度，不會在孔壁周圍產生壓碎區。

預裂孔內的炸藥爆炸時產生的徑向壓縮應力波在抵達相鄰炮孔孔壁處時產生的切向拉伸應力集中，如圖1所示。切向拉伸應力大于巖體的動態抗拉強度，促使炮孔連心線上孔壁巖體首先產生開裂，后繼炮轟氣體楔入裂紋后在裂紋尖端形成拉應力集中，促使裂紋擴展貫通，形成一定寬度的預裂縫。

圖1 預裂爆破孔間切向拉伸應力分布及孔壁拉伸應力集中示意圖

預裂爆破旨在2炮孔連線方向上產生1條貫穿的預裂縫，由于節理的存在必將影響爆炸應力波的傳播，使2炮孔連線方向難以形成有效的拉應力，進而導致預裂縫的成縫效果不佳。影響成縫效果的因素很多，如節理的走向、傾向、節理厚度、節理填充強度、節理間距、節理抗拉強度、內摩擦角等都會對預裂縫的形成起著至關重要的作用。其中節理的幾何結構特征對應力波傳播的影響最大，即節理的幾何產狀對預裂成縫的影響起關鍵作用。若綜合考慮這些因素，理論分析難度較大，所以本研究僅對不同走向角的節理面對預裂縫成型的影響進行研究。如圖2所示，2預裂炮孔連線與節理法向夾角為α，節理面上一點B與炮孔中心連線與節理面法向夾角為β，在B點取單元體進行應力分析，如圖3所示，根據張奇[7]和謝冰[6]的研究可知，單元體的受力平衡條件由式(1)給出。

圖2 預裂孔與孔間節理裂隙關系示意圖

圖3 B點單元體應力狀態

(1)

當節理走向角與節理面上的應力滿足式(2)時，巖體將沿炮孔連線方向產生光滑裂縫[8]。

(2)

式中，σt為巖體動態抗拉強度；φ為節理內摩擦角；C為節理黏聚力。

當節理面與炮孔連線夾角不滿足式(2)時，巖體將沿節理面方向開始破裂，開裂的節理面不再承受應力波加載的拉應力，從而使節理面上的應力重新分布。如圖4所示，層狀節理與斷裂控制面相交，夾角為α+90°。

圖4 含層狀節理巖體開裂位置

在結構面受拉破裂之前，節理面方向上的應力狀態如式(1)所示，當節理面產生破裂之后，受力狀態改變[9-10]。結合摩爾庫倫準則可知，節理法向方向上發生剪切破裂的條件是[11]

(3)

式中，C′，φ′分別為巖石黏聚力的內摩擦角。

由于tanα≥0，結合σt=C′/tanφ′可知，σθ≥σt，可知當結構面破裂后，節理法向方向剪切應力超過巖石抗拉應力，故會在節理法相方向附近形成裂縫。如圖4所示，在臺階預裂爆破中，隨α角度的增大，2炮孔于結構面所產生的平行裂縫距離越近，當α為90°時，2條裂縫與炮孔方向重合，更易形成完整預裂縫。故節理面與炮孔連線方向夾角越大預裂縫越容易貫通。

2 節理面走向角度對預裂縫開裂影響的試驗研究

對一次預裂爆破所產生預裂縫的降振率進行分段測試，通過降振率的差異驗證各段預裂縫的貫通程度，并對比各段預裂縫所在位置的節理走向角度，以此驗證節理走向角對預裂縫貫通程度的影響。

2.1 節理走向角度統計

應用臺階坡面照相法對預裂爆破所在邊坡進行節理產狀統計，臺階坡面照相法即使用相機拍攝邊坡斷面獲取節理裂隙產狀原始材料，把每張照片中的邊坡圖像進行網格劃分，如圖5所示，測量每條網格線實際長度，記錄與網格線相交的節理裂隙數量，并就各條節理裂隙的傾角、走向角以及間距等幾何因素進行統計。

圖5 節理統計網格圖

由于坡面法統計的數據為各條節理的離散數據，為得到邊坡中優勢節理的產狀，把所統計的節理數據輸入DIPS軟件，利用軟件統計邊坡中的優勢節理組，如圖6所示。

圖6 赤平投影分析結果

由DIPS軟件分析生成各個優勢節理組的走向角、傾角和節理條數，由式(4)可求得節理間距d[12]：

(4)

式中，λ1為剖面測線上的節理線密度；α為優勢節理的傾角。

由軟件得出各圖像的優勢節理組數據，根據節理組走向角角度的差異可把預裂縫分為4段，各段的節理幾何產狀具體數據見表1所示。

表1 預裂爆破各段邊坡中優勢節理組參數Table 1 The main set of joints parameters of each section side slope of the pre-splitting blasting

2.2 預裂爆破技術參數

礦區地層巖性主要為黑云變粒巖、砂巖、石英砂巖、白云巖、赤鐵礦，預裂爆破試驗位置礦巖條件主要為中風化的砂巖，其物理力學參數見表2。

表2 試驗位置巖體物理力學參數Table 2 Rock mass physical and mechanical parameters at the testing location

預裂爆破中預裂孔與緩沖孔布置如圖7所示，預裂孔為直線排列，具體參數與每孔裝藥量見表3、表4。

圖7 起爆網路示意

項 目施工工藝及參數孔徑/mm115孔網參數孔距1m,與前方緩沖孔距離2.5m炸藥單耗/(kg/m3)0.6炸藥種類32mm/200g膠乳管藥裝藥結構竹板條綁膠乳藥管,孔底加強6卷/m,上部2卷/m起爆方法孔內、孔外均采用雙股導爆索起爆炮孔傾斜/(°)75填塞長度/m2孔深/m15

緩沖孔共13個，孔內采用5段傳爆導爆管雷管，孔外均采用1段傳爆導爆管雷管；預裂孔共計43個，預裂孔內外均采用雙股導爆索起爆。

緩沖孔參數見表5，裝藥結構為混合裝藥，裝藥長度7 m。依孔內水深確定裝藥結構，當孔內水深時，7 m內全部為乳化炸藥；當孔內水淺時，下部裝乳化炸藥，上部裝銨油炸藥；干孔時，7 m內全部為銨油炸藥，如圖8所示。

銨油和乳化混合裝藥的緩沖孔，沿藥柱底端至頂端方向上，分3段分別設置起爆藥包；僅裝有銨油炸藥的緩沖孔，只在藥柱頂端設置起爆藥包。如圖8，起爆藥包由導爆管雷管與乳化藥卷組成，孔內延時為5段傳爆導爆管，孔外延時為1段傳爆導爆管。

表4 預裂孔各孔裝藥量及孔深Table 4 The explosive load and depth of each pre-splitting holes

表5 緩沖孔各項參數Table 5 The parameters of cushion holes

2.3 預裂縫降振試驗分析

預裂爆破形成的預裂縫，可以起到降低主爆區爆破震動對邊坡巖體的震動破壞的作用。為了更準確的檢驗預裂縫的貫通性，以降振率的大小對預裂縫貫通性進行量化描述。測試降振率的方法是： 在預裂爆破作業之后，實測在礦山中爆破作業所產生的爆破震動數據，對比預裂縫兩側的測震數據，即可確定預裂爆破的降震效果和預裂縫的質量。

圖8 緩沖孔裝藥結構示意

如圖9所示，分別在4個不同分段預裂縫前后設置1#、2#振動測試儀，由于震動測試儀數量有限，故每次只能測試一個分段的預裂縫降振率，對每個分段進行2次測試，測試結果見表6。

圖9 預裂爆破形成預裂縫的爆破震動測試試驗布置

測試位置儀器序號炸 藥總消耗/t最大段藥 量/kg距離/m合成振速/(cm/s)ξ/%各分段降振率/%第一分段1#測試12#第一分段1#測試22#第二分段1#測試12#第二分段1#測試22#第三分段1#測試12#第三分段1#測試22#第四分段1#測試12#第四分段1#測試22#12.596501059.53.24909255.6490789.55.64901137.78.334901329.77.465301259.56.553089511.265011231.160.650.760.471.320.910.950.720.120.070.240.160.750.681.761.544438.231.124.241.733.49.912.541.127.6537.511.2

將測震儀的傳感器分別布置在預裂縫的兩側，爆破作業后，提取傳感器記錄的質點震動速度，然后根據結果計算降震率的大小[13]：

(5)

式中，ξ為降震率；V1為預裂縫前質點振動速度的最大值，cm/s；V2為預裂縫后質點振動速度的最大值，cm/s。

分別對預裂縫4個不同分段位置進行2次爆破震動測試，通過式(5)求出各段平均降振率值匯總于表6。在預裂邊坡節理統計中，各分段位置節理傾角與間距差異不大，只有走向角度變化較明顯，故試驗中只考慮表1中走向角度的變化，結合表6中所計算的降振率繪制出圖10。

圖10 節理面走向角度與預裂縫降振率關系

由圖10可知，降振率隨節理面走向角角度的增大而增大，這是由于巖石更容易在垂直節理方向產生裂縫[6]，節理走向角度越大巖石開裂方向越趨于炮孔連線方向，形成的預裂縫更加平整，且更易貫通，故應力波通過預裂縫的降振率變大。實驗結果表明節理面走向角度越大，預裂縫的貫通性越好，此結論與前述理論研究結果相同。

3 結 論

(1)預裂爆破生成的連續裂縫可具有良好的降振作用。對預裂爆破生成預裂縫的降振率進行分段測試的結果表明：各段預裂縫使巖體中的爆破振動均有一定程度的下降，其中節理面走向角度接近90°時的預裂縫降振率約為44%。

(2)巖體中節理的存在對預裂爆破效果有顯著影響。當2炮孔之間存在節理時，預裂縫由炮孔向外延伸接近節理時，裂縫沿垂直節理方向開裂，隨即與破壞的節理破碎帶連通，形成鋸齒形的預裂縫。

(3)對一條預裂縫的不同分段進行降振試驗，結果表明：預裂縫的貫通程度與節理面走向角度有關。隨著節理面走向角度的增大，巖石開裂方向越趨于炮孔連線，所形成的預裂縫更加平整，預裂縫的貫通性更好。當走向角度為90°時，預裂成縫效果最好，無鋸齒現象產生，預裂面為一平整貫穿裂縫。

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(責任編輯 石海林)

Effect of Angle of Joint Strike on the Pre-cracking Penetrating during Pre-splitting Blasting

Liu Jifei Qu Shijie

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Natural rock mass usually contains discontinuous medium in geological structural planes such as joints，fissuring，faults etc.The discontinuity of rock mass has both important influences on the spread of stress wave and the formation of pre-cracking during the pre-splitting blasting.In order to investigate the effect of angle of joints strike on the cut-through degree of the pre-crackings，the segmented blasting vibration tests for the pre-crackings generated are made during once pre-splitting blasting.It has been found through the angle of joints strike and the decreasing vibration rate of different sections that the angle of joints strike between blast holes has a significant influence on pre-cracking；the bigger the angle of joints strike in the location of the pre-splitting blasting，the higher the decreasing vibration rate of the generated pre-cracking at that location.The cut through degree is increased as the angle of joints strike increases.Through observing the effect of pre-splitting blasting on site，it is clear that when the angle of strike of joints plan gets close to 90°，the pre-cracking will have a best penetrating and flatness，which is almost consistent with the theoretical analysis.

Pre-splitting blasting，Pre-cracking，Jointed rock mass，Joint surface angle of strike，Segmented decreasing vibration test

2013-12-22

劉際飛(1985—)，男，博士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-04-006-06