某石灰石礦邊坡預裂爆破技術研究*

何 毅 李本奎,2 鄭俊偉 劉曉強 張曦呈 苑旭光

(1.山西江陽工程爆破有限公司;2.太原理工大學礦業工程學院)

某石灰石礦邊坡預裂爆破技術研究*

何 毅1李本奎1,2鄭俊偉1劉曉強1張曦呈1苑旭光1

(1.山西江陽工程爆破有限公司;2.太原理工大學礦業工程學院)

針對某石灰石礦當前邊坡維護施工過程中預裂孔爆破貫通不良、成縫效果較差、邊坡預裂面不平整等問題，采用理論研究、數值模擬計算分析的方法，選用切縫藥包和炮孔徑向掏槽的定向爆破方案，并與原預裂爆破方案進行對比分析，結果表明：定向預裂爆破的聚能效應能夠大大增強藥包的破巖能力，可適當加大炮孔間距，減少穿孔量，降低施工成本；切縫藥包預裂爆破可大大促進邊坡預裂縫的貫通，預裂邊坡成型效果顯著，且施工工藝簡單，提高了經濟效益。切縫藥包定向預裂爆破技術具有很好的現場指導作用。

切縫藥包 預裂爆破 數值模擬 邊坡治理

太鋼盂縣石灰石礦區礦體賦存于奧陶系中上馬家溝組一段和下馬家溝組地層中，為層狀石灰巖，硬度系數為6～10。采掘終了工作面采用預裂爆破方式維護山體邊坡，不耦合裝藥，該方法在項目施工過程中存在著炸藥單耗較高、預裂成縫的貫通效果不佳等問題?；诖?，本文擬改變預裂爆破的施工方法，力求得到較好的預裂爆破效果，并降低施工成本。

1 預裂成縫機理

在工程爆破中，人們肉眼所能看到的僅僅是爆炸的結果，然而，爆炸過程是一個極其復雜的物理、化學變化過程[1-2]。對于露天礦山巖石爆破，炸藥在爆炸過程中，不僅會瞬間產生極為強烈的沖擊波和應力波，而且還伴隨著高溫高壓氣體產生，巖石受到急劇高速的沖擊波和應力波，導致炮孔內壁巖石產生了拉剪破壞，隨著爆轟波能量的減弱，爆炸產生的氣體又彌補了爆轟波的破巖能量，造成巖石的破壞程度沿著原有的裂縫繼續向外發展，對已破壞巖石二次破壞。

2 模型的建立

為了選擇合適的預裂爆破方法，在裝藥量和不耦合系數一致的前提下，利用ANSYS/LS-DYNA軟件中的solid164單元建立3種預裂爆破方案并綜合對比分析，如圖1所示。對原不耦合裝藥模型A處、掏槽尖端B處和切縫藥包切縫處D處的爆炸應力進行對比分析，同樣把C、E點分別與A、B、D 3點對比，模型四周全部設置無反射邊界條件。切縫藥包的切縫制作是由硬質PVC管沿著直徑方向一切為二，然后用2個半片PVC管包裹乳化炸藥，最后用鎖扣將2片PVC管牢牢鎖緊，便得到了如圖1所示的相當于將藥包沿縱向切開2條縫的裝藥方法。爆破參數見表1。

圖1 3種預裂爆破方案數值模型

方案炮孔直徑/mm炸藥直徑/mm不耦合系數不耦合140801.75孔壁掏槽140801.75切縫藥包140801.75

3 模擬結果分析

3.1 不同裝藥結構爆破的炮孔壁初始應力對比

通過對3種預裂爆破方案模型進行初始應力賦值，采用等效炸藥爆炸原理分別進行爆破過程運算，軟件采集數據生成應力-時間關系圖(圖2)。比較A點和C點可以看出，兩者的應力大小基本相同，說明在邊坡預裂爆破不耦合系數為1.75時，掏槽孔C處的應力幾乎沒有變化；比較A點和E點可以看出，E點處的應力明顯小于A點處的應力，說明在同樣的不耦合系數1.75時，切縫藥包定向預裂爆破對非裂縫方向炮孔壁的破壞作用最??；比較A、B、D點可以看出，掏槽炮孔的刻槽尖端B和切縫藥包切縫處D都有明顯的爆轟應力集中現象，應力值遠遠大于原不耦合裝藥預裂爆破A點，較高的集中應力能有效促進裂縫向更遠處發展。

圖2 3種方案中不同測點壓力變化

在相同的裝藥量、不耦合裝藥系數、炮孔參數條件下，采用切縫藥包和炮孔徑向刻槽2種方案均能在炮孔的某一設定的徑向切面上產生爆轟應力集中效應，該爆轟應力集中值約為3.25 GPa，約為原方案炸藥作用于孔壁的爆轟應力值(2.3 GPa)141.3%，說明切縫藥包和炮孔徑向刻槽方案均產生了較大的破巖能量，爆破巖石的松動破碎范圍進一步增大，使得爆破巖石中的破碎裂縫向更遠處發展；同時，相鄰炮孔之間爆破巖石裂紋均向更遠處發展，能夠保證相鄰炮孔產生的裂縫更好地貫通交匯和裂紋疊加，適當地加大炮孔間距，相鄰炮孔之間的爆破裂縫仍然可貫通，在相同爆破巖石方量的情況下，加大預裂炮孔間距，勢必減少炮孔數量，減少穿孔工程量。因此，通過數值模擬可知，在相同裝藥量和不耦合系數情況下，采用定向預裂爆破方法可大大促進邊坡預裂縫的貫通，預裂邊坡成型好，并可有效地擴大預裂炮孔的間距，降低穿孔量，減少施工成本。

僅對比掏槽炮孔預裂爆破和切縫藥包預裂爆破可得，兩者最終對邊坡預裂的貫通效果和降低的勞動、施工成本幾乎持平。在實際施工過程中，預裂炮孔的掏槽工作量要遠大于切縫藥包的制作，切槽施工工藝較為復雜，且目前大多數礦山使用的潛孔鉆機設備都不具備專門的切槽鉆具；切縫藥包定向預裂爆破裝藥及施工工藝簡單，操作難度不高，邊坡預裂爆破效果也較好，所以切縫藥包邊坡預裂爆破方案最佳。

3.2 切縫藥包定向預裂爆破數值模擬

無論炸藥在何種外界條件的限制下，其爆炸的瞬時性和期間的物理、化學變化都是一致的[3-4]，唯一的區別在于普通無限制藥包爆炸產生的爆轟應力波和高速、高壓、高溫氣體會沿著藥包中心向四面八方發散[5-6]，最終近似地均勻作用在炮孔內壁截面上，而切縫藥包爆炸產生的爆轟應力波和高速、高溫、高壓氣體會沿著炮孔截面的某一直徑方向瞬間聚能，即切縫會對藥包的爆炸產物產生瞬間的約束導向作用，使得各個預裂炮孔之間更容易貫通。

按前文所述的切縫藥包預裂爆破方案模型，模擬等效實際工程中的單孔裝藥量(12.5 kg乳化炸藥)和不耦合系數(1.75)，設定實際石灰巖硬度參數，賦值初始應力，進行切縫藥包預裂爆破方案的模擬計算。結果見圖3。

圖3 不同時刻預裂炮孔應力分布云圖

從圖3(a)中可以看出，當t=6.996 1×10-6s時，預裂孔的爆轟應力波已經沖出藥包的切縫口，此時伴隨著能量極高的沖擊波及氣體射流，最大的爆轟應力為4.118 GPa，該時刻炮孔內存在的一股蓄勢待發的高能量，炸藥產生的爆轟應力還未作用在炮孔內壁上，隨著時間的推移，這股較高的爆轟應力波將會反復作用于預裂縫方向的孔壁，使得炮孔沿著切縫藥包的切縫方向快速發展裂紋并產生松動破碎。從圖3(b)中可以看到，當t=8.496 2×10-6s時，作用于孔壁巖石上的最大爆轟應力值為0.012 8 GPa，說明在(6.996 1～8.496 2)×10-6s時間內，爆轟波已作用于炮孔內壁，高能的沖擊波和氣體射流已沖擊預裂縫方向的孔壁。從圖3(c)中可以看到，在(8.496 2～11.499)×10-6s極短的時間內，藥包切縫對應的炮孔壁上形成了蓄勢待發的較高應力集中現象，此時切縫方向上的預裂孔壁和非切縫方向上的預裂孔壁之間形成了極強的剪切應力差，藥包切縫方向上的孔壁形成預裂縫，并持續向更遠處發育，相鄰炮孔間的爆破裂紋相互貫通，直到爆轟應力波衰減到一定臨界值時，預裂縫停止發展。

通過對切縫藥包預裂爆破方案的數值模擬計算分析可知，在切縫藥包產生的集中應力作用下，各個炮孔均能沿著切縫方向產生裂紋并較好地貫通，每個切縫藥包切縫方向一致且平行于礦山邊坡面，形成較為規整光滑的自由面；同時可適當增大預裂炮孔的間距，減少穿孔量，提高經濟效益。

4 結 論

(1)在相同裝藥量、不耦合系數、炮孔參數情況下，采用定向預裂爆破方法可大大促進邊坡預裂縫的貫通，預裂邊坡成型顯著，同時可有效地擴大預裂炮孔的間距，降低穿孔量，減少施工成本。

(2)相對于炮孔掏槽預裂爆破的復雜施工工藝和鉆孔機械的切槽設備不完善，切縫藥包定向預裂爆破裝藥及施工工藝簡單，操作難度較低，邊坡預裂爆破效果較好，因此，在邊坡預裂爆破設計和施工中，切縫藥包邊坡預裂爆破為最佳方案。

[1] 于亞倫.工程爆破理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2004.

[2] 楊仁樹.巖石炮孔定向斷裂控制爆破機理試驗研究[D].北京：中國礦業大學，2010.

[3] 李 清,楊仁樹.爆炸載荷裂紋擴展的應力強度因子及其斷裂行為[J].煤炭學報，2002,27(3):290-293.

[4] 趙英順,關建國,王 偉.深孔預裂爆破強制放頂技術在大黃鄉的應用[J].中州煤炭,2008(6)：42-43.

[5] Song J，Kim K．Micromechanical modeling of the dynamic fracture process during rock blasting[J]．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1996,33(4):387-394.

[6] 李 清,楊仁樹.節理介質中爆炸裂紋擴展的細觀行為研究[J].中國礦業大學學報,2002,31(3):271-274.

*國家自然科學基金項目(編號：51274145)；國家重點實驗室開放基金項目(編號：SKLGDUEK1311)。

2016-07-26)

何 毅(1968—)，男，總經理，高級工程師，030041 山西省太原市尖草坪區西留路18號。