高臺階松軟巖體預裂爆破半隔孔導向作用效果的試驗研究

師強強 潘祖瑛 李二寶3

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司）

在松軟巖體區域進行預裂爆破時，由于巖體原生裂隙的存在對裂縫的形成和擴展存在很大的影響。炮孔連心線上主裂紋貫通形成的同時也引起炮孔壁周圍巖體中的原有細小裂紋起裂擴展，最終導致保護區巖體的進一步破碎、超挖，達不到良好的預裂效果。在工程實踐中為達到控制爆破的目的，適當設置導向孔［1］，可使之按預定方向擴展，并抑制其它方向的裂紋生成，從而達到理想的控制效果。

1 高臺階爆破介紹

近年來，為減少剝離量，降低成本，不少露天礦山最終邊坡采用并段方式，使最終段高變為24 m 甚至更高。在高臺階預裂爆破時，為克服炮孔底部夾制作用，炮孔底部加強裝藥量和孔深的大致關系如表1所示［2］。

注：L1為加強裝藥段長度，m；qy1為加強裝藥段線裝藥密度，g/m；qy為正常裝藥段線裝藥密度，g/m。

從表1可發現預裂爆破孔深20 m時，加強裝藥段線裝藥密度將是正常段的5～6倍，如果孔深達到26 m時，這個比例將會更大。這種情況下，如采用常規的設置導向孔的爆破方法，在不耦合系數的約束下，難以滿足底部加強裝藥量的要求。因此，針對高臺階預裂爆破提出在2 個正常裝藥預裂孔之間設置半隔孔的布孔方式。所謂半隔孔即布置在2 個正常裝藥孔中間，炮孔底部加強裝藥，上部空置的結構形式，見圖1。這種布孔形式上部能起到空孔導向作用，下部加強裝藥也能克服超深孔底部的夾制作用。

2 半隔孔作用機理

（1）半隔孔上部導向作用機理。當正常裝藥孔爆破后，會激起應力波向外傳播，當應力波到達孔壁后，導致附近巖體中產生微裂隙并且擴展。應力波傳到空孔時，并在空孔處產生反射，由于應力波的反射，空孔孔壁附近的應力將比無空孔時應力大，即表現為空孔的應力集中效應。根據彈性力學理論確定的空孔峰值應力狀態［3］為

式中，σθθ為空孔應力集中后巖石中的切向應力，MPa；σθ為巖石中某一點的徑向應力，MPa；σr為巖石中某一點的切向應力，MPa；k=，r2為空孔半徑，cm，rb為巖石中某一點距空孔中心的距離，cm；θ為任意方向與孔間連線的夾角，（°）。

當k=1，θ=±π時，σθθ=3σθ+σr為極大值。

可知在相鄰炮孔連線方向出現最大拉應力。該集中應力導致裂紋優先向槽孔與空孔的連線方向發展。所以空孔的存在同時起到了導向裂隙的作用。初始裂縫猶如導向的“溝道”，隨著裂隙擴展。隨后，孔內爆生氣體形成的氣楔擠入孔壁的初始徑向裂紋，產生“氣刃效應”作用，使裂紋進一步擴展。最終，在應力波和爆生氣體的共同作用下形成貫通的裂縫。

（2）半隔孔底部夾制作用。綜合分析影響巖體爆破破裂的各種因素，所謂炮孔底部夾制作用，即巖體初始應力對破裂成縫的影響。研究表明，巖體初始應力在孔壁周圍產生的環向應力集中將抵消爆炸應力波而產生環向拉應力集中。這種情況下，不利于孔壁形成初始裂縫。在裂縫擴展過程中，巖體初始應力的存在也將會抑制裂縫的擴展，使表征裂縫擴展能力的應力強度因子值降低［4］。

平均水平應力與垂直應力的比值稱之為側壓比，其值隨深度的增加而減小。其變化范圍基本上介于以下范圍。

式中，σh.av為水平應力，MPa；σv為垂直應力，MPa。

由式（2）可以看出，在淺層地殼中平均水平應力普遍大于垂直應力［5］。當側壓力系數相同時，埋深越大，水平應力越大，受初始地應力場影響裂紋擴展長度越小，裂紋數量越少，爆破效果也就越差［6］，這就是底部夾制作用的主要原因。半隔孔底部加強裝藥將彌補正常孔裝藥不足的情況，克服炮孔深部初始地應力，可以改善底部爆破效果。

3 主要參數確定

（1）不耦合系數。在沖擊壓縮條件下裂隙發展的格里菲斯判據確定的不耦合系數［7］Kd為：

式中，db、dc分別為炮孔直徑和藥卷直徑，m；ρ0為炸藥的密度，g/m3；V為炸藥的爆速，m/s；n為壓力增大系數；K為在沖擊載荷下巖石抗壓強度增大系數；T為巖石單軸抗拉強度，MPa。

對于板巖，其單軸抗壓強度σ=68 MPa，單軸抗拉強度T=5.4 MPa。取ρ0=1.15 g/cm3，V=5 000 m/s，取n=10，K=10，代入式（3）得出Kd≥2.1。

根據試驗及經驗數據，不耦合系數一般取2～4，本工程試驗地區為中等強度巖石，且局部較為破碎，現場提供的藥卷最小直徑為45 mm，本工程取穿孔直徑120 mm，不耦合系數2.67。

（2）合理孔間距。預裂孔孔間距常按照下面公式估算。

由于d=120 mm，孔距a的取值范圍為0.96～1.44 m，為方便現場布孔，孔距a=1.4 m。

（3）線裝藥密度。根據經驗，露天深孔預裂爆破線裝藥密度按下列公式［2］確定。

式中，q1為炮孔線裝藥密度，kg/m；σy為巖石抗壓強度，MPa。

對于板巖，其單軸抗壓強度σy=68 MPa，當孔距a=1.4 m 時，q=0.58 kg/m，考慮到現場巖性局部較破碎，取q=0.55 kg/m。

4 現場試驗

試驗地段巖石類型為板巖，局部較為破碎，巖石硬度系數約為6～7。根據巖石力學性質試驗結果，巖石抗壓強度為68.2 MPa，容重為25.9 kN/m3。

4.1 試驗方案

為驗證上述技術及參數的合理性，在巴潤采場進行了現場試驗研究。本次試驗采用雙段預裂爆破施工，預裂孔采取雙段穿孔，一次爆破。緩沖孔和主爆孔采取單臺階穿孔爆破。采用液壓潛孔鉆機穿孔，預裂孔和緩沖孔傾斜角度與設計坡面角一致，傾角為65°，預裂孔、緩沖孔直徑120 mm，主爆孔直徑為150 mm，傾角為90°［8］。

（1）試驗參數。本次采用對比試驗分析半隔孔底部加強裝藥效果，總共進行了4次現場試驗。試驗1和試驗2是比較正常孔距和裝藥情況下設置空孔對裂縫貫通的作用；試驗1 為常規預裂爆破方案，每孔均正常裝藥；試驗2 每2 個正常裝藥孔中間設置1 個導向孔，導向孔不裝藥；試驗3 和試驗4 是比較設置半隔孔的優勢，同時為了提高穿孔效率，節約成本，相比較試驗2 將孔距增大為0.9 m，試驗3 每2 個正常裝藥孔中間設置1個半隔孔，半隔孔底部加強裝藥高度為5 m，試驗4每2個正常裝藥孔中間設置1個導向孔，導向孔不裝藥。試驗參數和裝藥結構詳見表2、圖2。

（2）爆破網絡。預裂孔采用導爆索齊發爆破。保護區域采用高精度毫秒延期導爆管雷管，孔內孔外微差相結合，逐孔順序起爆網路。孔內放375 ms延期雷管，孔外同一排炮孔之間采用25 ms 延期雷管傳爆，排與排之間采用42 ms 延期雷管傳爆。預裂孔與主爆孔之間采用高精度導爆管雷管連接，預裂孔超前主爆區150 ms 起爆，主爆孔、緩沖孔依次起爆。試驗1爆破網絡見圖3。

（3）試驗過程。按照爆破設計參數，將預裂藥柱用膠帶間隔綁在導爆索上，然后送入孔內，見圖4。

4.2 試驗結果

試驗1 是常規的預裂爆破施工方案，孔距為1.4 m，平均線裝藥密度為0.55 kg/m，每孔均正常裝藥，沒有預留導向孔。結果半壁孔痕率較低，不足50%，不平整度30～50 cm，特別是坡面上半部分存在超挖現象，超挖0.5～1 m，爆破效果見圖5（a）。

試驗2 孔距為0.7 m，線裝藥密度與試驗1 相同，每2 個正常裝藥孔中間設1 個導向孔，導向孔不裝藥，結果半壁孔孔痕率較高，達到90%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分沒有超挖，底部完全貫通，爆破效果見圖5（b）。

試驗3 孔距為0.9 m，線裝藥密度增大為0.7 kg/m，導向孔底部加強裝藥高度5 m，結果半壁孔孔痕率較高，達到80%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分超挖在20 cm 以內，底部完全貫通，爆破效果見圖6（a）。

試驗4 孔距和線裝藥密度與試驗3 相同，每2 孔中間設1個導向孔，導向孔不裝藥。結果上部半壁孔貫通情況較好，半壁孔孔痕率較高，達到80%以上，不平整度小于20 cm，邊坡上半部分超挖在20 cm 以內，但是底部裂縫未貫通，出現較多根底，爆破效果見圖6（b）。

通過對比試驗發現試驗2 的爆破效果最好，這也證明了空孔在預裂爆破中的導向作用。但是，試驗2 中孔間距太小，施工困難，穿孔效率低，成本大。本研究提出的試驗3 方案，即在半隔孔底部加強裝藥，上部為空孔的裝藥結構。這種裝藥結構既利用了空孔的導向作用，又增加了超深孔底部炸藥密度，上部空孔的存在抑制了其他方向上的巖石破裂程度，控制了炮孔上部的過度粉碎，減少了超挖量，有利于形成較穩定的邊坡。炮孔底部炸藥密度的增加有利于克服超深孔底部夾制作用，能夠形成貫通的裂縫，減少了破碎錘費用，相比較試驗2 也擴大了孔距，可節省約5%的成本，同樣也取得了良好的試驗效果。

5 結論

（1）根據高臺階松軟巖體的深孔底部夾制作用明顯增大，加強裝藥量明顯增大的實際情況，為控制裂縫沿著炮孔連心線的發展，并且有效地克服高臺階深孔底部的夾制作用，提出了采用設置半隔孔的預裂爆破施工方案。

（2）通過理論分析，闡述了半隔孔的導向作用和克服深部夾制作用的機理。根據實際情況，對預裂爆破不耦合系數、孔間距和線裝藥密度等參數進行了優化研究。

（3）以理論分析為依據，進行了現場施工。通過4 次對比試驗，得出設置半隔孔的預裂爆破底部加強裝藥高度5 m，上部空置時能使預裂縫沿炮孔連心線方向開裂，抑制了其他方向上的巖石破碎，并且有效地克服了底部夾制作用，能夠形成貫通的裂縫，取得了較好的爆破效果，節省了施工費用。