不同類型分段裝藥爆破技術應用

王園園，康 強

(1.貴州建設職業技術學院， 貴州 貴陽 551400；2.保利貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002)

0 引 言

分段裝藥是巖石爆破不耦合裝藥的一種形式，是軸向不耦合裝藥的另一種稱呼。分段裝藥本身又分為使用氣囊等空心或柔性介質分隔的空氣間隔裝藥、使用水間隔的水耦合裝藥以及泥沙等惰性介質充填分隔的普通分段裝藥。分段裝藥在爆破工程中的應用目的主要包括改善爆破效果、控制爆破飛石、降低爆破振動效應等。從原理上，分段爆破的作用機理因類別而有所區別，主要包括空氣層的蓄能效應、上下分段裝藥作用的疊加效應、流體介質的蓄能與能量傳遞效應、不同位置分段延期爆破形成新自由面，等等。顯然，以上作用機理的影響規律是迥異的，受到地質條件、工程需求等因素的影響制約，各種類別的分段裝藥都有其各自適用的條件。從施工角度來看，由于需要選用合適的間隔材料、增加作業環節，幾種類別的分段裝藥都會不同程度的增加施工準備與裝藥施工階段的工作量。分段裝藥相比普通的連續耦合裝藥，在減少裝藥量的同時增加了設計需要考慮的參數，這意味著在應用分段裝藥時，必須充分利用分段裝藥的正面作用，以克服裝藥量減少導致的破巖能量的減少，因此，爆破設計與優化的難度會有顯著的提高。

分段裝藥具有的優點與缺點，決定了分段裝藥的應用對技術與施工人員的要求相比普通裝藥更高，并且只有在確保其減少裝藥及增效降害的綜合效益超出增加的材料與人工成本時，該技術的使用才具有合理性。

分段裝藥在工程實際中的應用廣泛，是預裂/光面爆破、溝槽爆破、巷道掘進爆破等爆破的常用手段，相關的研究也較多。宗琦[1]提出深孔爆破可以采用分段裝藥克服深部巖體的夾制作用，利用上下段毫秒延期上段先爆形成的自由面改善下段裝藥的爆破效果。高毓山[2]制作了可用于水孔間隔的間隔裝藥專用氣囊，并在本鋼南芬露天礦進行了干孔與水孔的空氣間隔裝藥試驗，表明中部空氣間隔具有改善爆破質量的作用。劉紅巖[3]研究了巖粉、水、空氣3種不同介質對分段裝藥振動效應的影響，研究表明水介質的振動最強烈而空氣介質的振動最小。王林[4]試驗研究對比了幾種不同介質分段裝藥與連續耦合裝藥的破碎效果，認為相同裝藥量分段間隔裝藥優于連續耦合裝藥，且以水間隔破碎效果最佳。李瑤[5]采用混凝土模型爆破試驗分析了空氣間隔裝藥參數對爆破破碎效果的影響作用。吳亮[6-7]使用仿真技術分析了不同起爆方向等因素對空氣間隔分段裝藥的應力場分布、損失范圍等的影響作用。羅開軍[8]在蘭尖鐵礦試驗研究了使用空氣分段裝藥時的孔間孔內合理延期間隔時間，結果表明，孔內分段相比普通孔間延期可進一步減少爆破振動強度26%～43%。趙明生[9]采用數碼雷管在復雜環境中實踐孔內分段裝藥爆破，實現了對爆破振害的有效控制。陳春暉[10]在緊鄰跨長江大橋的水下爆破作業中運用了分段裝藥技術控制爆破振害。

由以往的研究可以看到，分段裝藥的應用具有多樣性。不過，目前對于各類分段裝藥的適用性與選擇缺乏研究。本文基于多項工程施工實踐經驗，分析了在多種地質條件下適用的分段裝藥技術以及技術應用的要點，研究成果可以為分段裝藥爆破的現場施工提供指導。

1 分段裝藥技術適用范圍

1.1 分段裝藥應用目的

分段裝藥技術的應用主要是為了達成某些工程目標，或者作為一些爆破類別的常規技術手段，可以歸納為以下幾種適用類別：

（1）改善爆破效果與降低成本。利用分段裝藥延長爆生氣體作用時間、提高裝藥高度等效應改善爆破塊度分布、減少大塊、減小裝藥量，通過減少炸材費用、鏟裝運輸增效等降低施工綜合成本。

（2）減小爆破振動。分段裝藥可以顯著減小爆破單段藥量，減小震源強度，從而實現對爆破振害的主動控制。

（3）降低破壞效果。光面爆破、預裂爆破需要控制爆破壓力，實現的方法包括采用低威力炸藥與不耦合裝藥，實際當中主要采用的是不耦合裝藥，利用不耦合減少藥量與不直接接觸孔壁控制爆破效果。

1.2 各類型分段裝藥特點

不同類型的分段裝藥由于作用機理的區別而具有不同的特點：

（1）惰性介質分段裝藥。使用泥沙、巖屑等惰性介質分隔的分段裝藥，每段裝藥爆破作用效果都與普通的連續耦合裝藥相同。由于減少了裝藥量，且并不具有空氣、水間隔延長爆破作用時間的特點，因此該種類型分段裝藥需要合理設計孔網參數與孔間、孔內的延時間隔，使先爆區域可以為后爆區域提供有效的新自由面，依靠自由面條件的改善提高效果。普通分段裝藥與一般的連續耦合裝藥，增加了一個隔層堵塞與額外的起爆藥包制作工序，施工工作量略有增加。分段間延期爆破，有良好的降振效果。

（2）空氣間隔裝藥。主要依靠空氣隔層的蓄能作用與分段裝藥在隔層處的疊加作用，改善爆破效果。蓄能作用與爆生氣體、隔層空氣作用時間有關，因此會受到巖體孔隙的影響。為了形成空氣隔層，空氣間隔裝藥施工需要采用間隔材料形成空心結構，并隔絕上下裝藥。在使用混裝炸藥的條件下，為了隔絕具有流動性的混裝炸藥，對間隔材料要求更高。相同單段藥量下，爆破振動比惰性介質隔離的分段裝藥更小。

（3）水間隔裝藥。使用水作為間隔介質，除水孔條件下的應用外，需要用專門的材料儲水，是分段裝藥中研究與應用最少的類型。由于水的蓄能傳能效果優于空氣，因此，在幾種分段裝藥方法中，爆破破碎效果最好，但是另一方面，爆破降振效果也最小，施工工作量最大。

1.3 分段裝藥適用判斷

工程是否適用分段裝藥以及適用何種類型分段裝藥方法，主要可以考慮以下方面：

（1）地質條件。地質條件對分段裝藥的爆破效果有顯著影響。巖石爆破的主要破巖機制是應力波作用與爆生氣體作用，這兩種作用都與裝藥量有關，裝藥量越大，應力波強度越高，爆生氣體量越大。巖體越破碎，應力波由于結構面阻隔的有效作用范圍越小，爆生氣體由于裂隙泄能而作用時間減小。空氣間隔分段裝藥中介質的蓄能作用同樣會由于介質由裂隙泄能而無法發揮作用。水介質受到的影響較小，尤其是水孔條件下利用炮孔內部原有的地下水的裝藥爆破。因此在裂隙巖體條件下不適合采用空氣間隔裝藥。

（2）設計與施工人員水平。分段裝藥設計需要基于實際效果優化裝藥長度約位置，并合理設置孔間孔內延期時間，對項目技術人員要求較高。分段裝藥施工比普通裝藥繁瑣，施工精細度要求更高，要求現場施工人員愿意接受新技術并能認真施工。在人員技術水平不足時不適宜采用分段裝藥。

（3）降振需求。復雜條件下爆破振動安全要求嚴格難以達標時，可采用上下段齊爆的空氣間隔裝藥，或上下段順序起爆的惰性介質分段裝藥。

2 不同類型分段裝藥應用

2.1 分段裝藥設計

大多數情況下的分段裝藥均是分為2段，主要需要考慮參數是間隔層的位置與間隔層大小。

由于孔口部分接近自由面，孔底部分則遠離自由面具有較大的夾制作用，分段裝藥間隔位置主要包括上下等長與上短下長的形式且后者使用為多。上短下長分段下，孔底具有更大的裝藥量。同時，由于上段裝藥量小于連續耦合裝藥，炮孔堵塞長度可以基于試爆試驗數據合理減小，以改善孔口的爆破效果。根據文獻[11]上段裝藥與下段裝藥比值可取0.6～0.7，具有較好的爆破效果。

空氣、水間隔裝藥的間隔層長度越大，裝藥量越小，爆破壓力越低，而爆破有效作用與有效爆破壓力作用時間相關，因此間隔層長度不能過大。空氣間隔裝藥相關研究較多，空氣間隔裝藥不同觀點的間隔比例（間隔段與總裝藥長度比）主張參數如表1所示[12]。

表1 空氣間隔裝藥不同主張參數

表1給出的推薦比例普遍較大，這與其使用的孔徑有關，大孔徑下爆破壓力值更大，因此有效間隔層長度也更大。根據在貴州、新疆等地的工程實踐經驗，對于90～110 mm孔徑裝藥，本文建議空氣間隔裝藥間隔比例不宜超過20%，水間隔裝藥間隔比例可取30%。

惰性介質分段裝藥的間隔層沒有延長爆破壓力作用時間的效果，間隔層主要作用是封閉下層爆生氣體延長作用時間，因此間隔層長度需適中，過短下段裝藥易提前泄能，過長會減小孔底破碎效果。在實際中，90～110 mm孔徑應用效果較理想的取值為1.0～1.7 m。

2.2 孔網設計

從相關研究[6-7]及工程實踐效果看，相比連續耦合裝藥參數，由于峰值壓力減小，分段裝藥的有效破碎區域略有降低，因此在采用分段裝藥時宜適當加密孔排距，有利于克服裝藥量減少的負面影響，總體可以取得更好的爆破效果。

2.3 延期時間

分段裝藥的孔內延期有上下段齊爆與上下段順序起爆兩種類別。兩段齊爆有利于上下段爆轟波與應力波在中部間隔層處的疊加破壞作用，主要用于空氣、水介質間隔分段爆破。上段先爆有利于改善下段自由面條件，是惰性介質分段爆破的起爆方式。

空氣、水介質分段裝藥由于采用單孔齊爆，因此可以適用一般爆破的孔間起爆順序。惰性介質分段裝藥，在全部炮孔采用相同裝藥結構時，需同時考慮孔內孔間延期，使先爆與后爆炮孔的上下段起爆時間有利于改善后爆區域的自由面條件。以相鄰2炮孔爆破為例：先爆孔上段先爆，然后先爆孔下段與后爆孔上段齊爆（或后爆孔上段先起爆后爆孔下段后起爆），最后起爆后爆孔下段裝藥。

本文根據工程實際經驗，惰性介質分段裝藥的孔內起爆延期時間可取25 ms。導爆管延期誤差影響較大，宜采用具有高精度的電子雷管施工。

3 結 論

在合理使用的條件下，分段裝藥爆破是工程爆破項目降害增效可以采用的一種有效、低成本，而且推廣使用相對簡單的技術工具，進一步的研究與推廣有利于爆破技術的精細化發展。