基于切縫藥包的定向爆破技術(shù)在巷道快速掘進(jìn)中的應(yīng)用

謝坤 XIE Kun；韓磊 HAN Lei；田道坡 TIAN Dao-po；楊雷 YANG Lei；李嘉寧 LI Jia-ning；袁清坤 YUAN Qing-kun；石君昊 SHI Jun-hao

（①河南華通永安爆破技術(shù)工程有限公司，信陽 465235；②河南華通爆破工程技術(shù)有限責(zé)任公司，信陽 465235；③河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454003；④潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，長(zhǎng)治 047100）

0 引言

目前，爆破掘進(jìn)在我國煤巖巷道施工中仍占有較高比例，這是由于爆破法具有動(dòng)力能源消耗低和對(duì)復(fù)雜多變的地層適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，同時(shí)，爆破器材的改良和爆破技術(shù)的科學(xué)化也是爆破法適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的另一利器[2]。

巖石定向斷裂爆破是一種控制爆破方法，由于實(shí)際施工中普通光面爆破技術(shù)易造成巷道成型差、超挖欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重、對(duì)周圍圍巖破壞大、影響掘進(jìn)的循環(huán)進(jìn)尺等現(xiàn)象[3]，在認(rèn)識(shí)到巖石爆破機(jī)理是物理學(xué)、化學(xué)及斷裂力學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉形成后，巖石中預(yù)制裂縫以控制爆破斷裂方向的設(shè)想首次被Foster在1905年提出[4]。為提高巷道光面爆破的效果，宇文惠鑫[5]設(shè)計(jì)了不耦合的裝藥方式，結(jié)合自行研制的特殊爆破管使釋放口分別朝著被破碎巖石的一側(cè)和巖層穩(wěn)定性的一側(cè)。田應(yīng)祥等[6]通過對(duì)PVC管預(yù)制裂縫繼而制作切縫藥包，在控制爆破中得到了較理想的效果。楊永琦[7]、楊仁樹[8]等認(rèn)為巖石的定向斷裂控制爆破通過在炮孔連心線方向上預(yù)設(shè)貫通裂紋，進(jìn)而阻延非炮眼連線上裂紋的形成與擴(kuò)張，以達(dá)到光面爆破的目的。同時(shí)楊仁樹等[9]通過高速攝像和超壓測(cè)試技術(shù)展開研究，發(fā)現(xiàn)切縫藥包爆破后爆生氣體優(yōu)先沿切縫方向傳播，切應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于非切縫方向。為優(yōu)化爆破效果，何滿潮院士提出了雙向聚能拉伸爆破技術(shù)[10]。單仁亮[11]用水泥砂漿模擬巖石，預(yù)制切縫藥管進(jìn)行爆破試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切縫方向的最大徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變分別是非切縫方向的2.66倍和3.77倍，切縫藥包的存在使炮孔周圍產(chǎn)生非均勻應(yīng)變場(chǎng)，有益于預(yù)定方向裂紋的發(fā)展，也可抑制非預(yù)定方向裂紋的產(chǎn)生發(fā)展。羅勇[12]自制線性聚能藥包，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)巖石定向斷裂控制爆破可以讓爆破裂紋具有方向性。吳春平[13]經(jīng)多組切槽爆破試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在軟巖巷道中采取定向斷裂控制爆破，可提高光爆效果，較好地控制超挖和欠挖現(xiàn)象。

綜上所述，當(dāng)今學(xué)者對(duì)定向爆破技術(shù)有了較深入、全面的研究，并取得了豐碩成果。但由于實(shí)際工程的唯一性，通過理論分析方案優(yōu)化結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行普通光面爆破與切縫藥包定向斷裂的對(duì)比較少。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，巷道設(shè)計(jì)斷面的精準(zhǔn)控制與爆破方案的設(shè)計(jì)密不可分，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工程情況，通過精細(xì)化設(shè)計(jì)與施工，預(yù)制切縫管在掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)定向斷裂爆破，對(duì)巷道的快速、安全掘進(jìn)有重要的工程價(jià)值。

1 切縫藥包定向爆破裂紋的形成擴(kuò)展機(jī)理

普通光面爆破的目的是減少施工中的超、欠挖現(xiàn)象，盡可能減少對(duì)圍巖的損傷，施工過程通常采用不耦合裝藥，同時(shí)為避免炮孔周圍粉碎區(qū)過大，多采用空氣和水作為不耦合介質(zhì)，減少應(yīng)力波的重疊現(xiàn)象，進(jìn)而降低最大拉伸應(yīng)力的峰值。由于普通光面爆破會(huì)在炮孔連線上出現(xiàn)有用裂紋，但在非炮孔連線上也會(huì)形成多余裂紋，引起圍巖的不穩(wěn)定性加劇。

爆破后要想得到更加平整光潔的斷面，關(guān)鍵在于炮孔間貫通裂紋的形成，抑制住這種裂紋的形成和發(fā)展便可達(dá)到預(yù)期目的。配合切縫藥包的定向爆破就是在光爆孔之間連線上造成比其他方向大得多的破壞系數(shù)N，在破壞系數(shù)最大的地方巖石首先發(fā)生破壞，同時(shí)可抑制其他方向裂紋的發(fā)育發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)巖石的定向斷裂。破壞系數(shù)N可由下式表示：N=。

式中：N為破壞系數(shù)；F為破壞力；R為抗破壞力。

切縫藥包實(shí)現(xiàn)定向斷裂控制爆破的實(shí)質(zhì)是在裝藥外殼上開有不同角度、形狀和數(shù)量的切縫，外面一般采用PVC管制成切縫管，內(nèi)部裝填炸藥。爆破發(fā)生后爆炸應(yīng)力波首先沿切縫方向沖出，應(yīng)力波經(jīng)孔壁之間的壓縮反射形成導(dǎo)向裂紋，而在非炮孔連線上巖石受到?jīng)_擊的時(shí)間滯后，裂紋的發(fā)展也受到抑制。在炮孔之間連線上巖石初始導(dǎo)向裂紋形成后，爆轟波充滿整個(gè)空間，對(duì)周圍施加準(zhǔn)靜態(tài)荷載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石起裂、擴(kuò)展、形成炮孔間的貫通裂紋，達(dá)到光爆的理想效果。（圖1）

圖1 切縫藥包結(jié)構(gòu)示意圖

2 切縫管的縫寬的設(shè)計(jì)原則

切縫藥包是由兩部分構(gòu)成，即帶有兩條切縫的PVC管和內(nèi)部的充填炸藥，切縫管和切縫的寬度是為了實(shí)現(xiàn)能量的聚焦，使較大、較早的應(yīng)力波最先作用在預(yù)定炮孔裂紋上，而切縫寬度則是影響爆破參數(shù)和效果的關(guān)鍵因素。

基于切縫藥包的巖石定向爆破主要是為了盡可能地降低沖擊荷載對(duì)周圍巖體的損傷，使巷道輪廓成型更加規(guī)整。預(yù)達(dá)到上述目的，切縫管上切縫寬度的合理設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素，一般認(rèn)為需滿足兩個(gè)條件：切縫方向集中的能量足以達(dá)到周圍巖石的抗拉強(qiáng)度，形成導(dǎo)向裂紋；同時(shí)該能量的大小不會(huì)引起非切縫方向巖石的拉伸裂紋產(chǎn)生。因?yàn)榍锌p管的寬度越大，周圍巖石最終形成的起始導(dǎo)向裂紋相對(duì)越長(zhǎng)，對(duì)光面定向爆破越有利，故切縫管縫寬的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合周圍巖石的力學(xué)性質(zhì)和前期的試錯(cuò)綜合確定。（圖2）

圖2 切縫管制作

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)對(duì)比

某巷道現(xiàn)場(chǎng)揭露圍巖巖性主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、泥巖和中粗粒砂巖，但以硬度較高的中粗粒砂巖為主。為提高光面爆破效果和掘進(jìn)效率，現(xiàn)場(chǎng)前后進(jìn)行了光面爆破和基于切縫藥包的巖石定向爆破兩種設(shè)計(jì)方案。

3.1 初始光面爆破方案設(shè)計(jì)

整體光面爆破設(shè)計(jì)方案為一次性全斷面爆破，炸藥品種為乳化炸藥，雷管為毫秒延期，裝藥方式為不耦合結(jié)構(gòu)，封孔材料采用水炮泥。斷面上有掏槽眼4個(gè)，眼深2.8m，單孔裝藥量1.6kg，起爆順序?yàn)棣坏谝蝗o助眼8個(gè)，眼深2.6m，單孔裝藥量1.2kg，起爆順序?yàn)棰颍坏诙o助眼11個(gè)，眼深2.8m，單孔裝藥量1.6kg，起爆順序?yàn)棰螅恢苓呇?5個(gè)，眼深2.6m，單孔裝藥量0.8kg，起爆順序?yàn)棰簦坏籽?個(gè)，眼深2.6m，單孔裝藥量1.2kg，起爆順序?yàn)棰酢Ｉ鲜雠诳捉?jīng)反向連續(xù)裝藥通過串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)全斷面一次爆破。

3.2 切縫藥包的巖石定向爆破方案設(shè)計(jì)

基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案的掏槽眼、輔助眼、周邊眼及起爆順序與上節(jié)光面爆破一致，最大不同是帶有預(yù)制切縫寬度切縫管的切縫藥包的植入。切縫管采用直徑32mm、壁厚4mm、長(zhǎng)度500mm和切縫寬度4mm的PVC管，具有制作方便、經(jīng)濟(jì)成本低的優(yōu)點(diǎn)。（圖3、圖4）

圖3 切縫管設(shè)計(jì)圖

圖4 切縫藥包巖石定向爆破斷面圖

由圖3和圖4可知，基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案與普通光面爆破設(shè)計(jì)方案相比，周邊眼為編號(hào)1-11，比原來的編號(hào)1-15少了四個(gè)，從工作量和成本上來說，減少了鉆眼工作量和炸藥量的使用。

3.3 結(jié)果對(duì)比

為量化基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性，從炮眼殘留率、炮眼利用率及剩余爆破參數(shù)對(duì)比多個(gè)方面對(duì)兩種爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比。由圖5可知，基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案炮眼殘留率最小為88%，最大可達(dá)96%，平均為92.2%。而普通光面爆破設(shè)計(jì)方案的炮眼殘留率最小為69%，最大為79%，平均為73.3%。可見，經(jīng)爆破設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，炮眼殘留率平均提升率為18.9%，同比提升了1.26倍，爆破方案優(yōu)化合理。

圖5 兩種爆破方案炮眼殘留率對(duì)比

每次爆破施工完，炮眼的利用率是評(píng)價(jià)爆破效果好壞的重要指標(biāo)參數(shù)，經(jīng)半月有余的巷道爆破掘進(jìn)，基于10次的爆破試驗(yàn)對(duì)比和切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案炮眼利用率最小為93%，最大可達(dá)100%，平均為96.6%。而普通光面爆破設(shè)計(jì)方案的炮眼利用率最小為90%，最大為97%，平均為94.1%。可見，經(jīng)爆破設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，炮眼利用率平均提升了2.5個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)一步說明基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案可滿足巷道快速安全掘進(jìn)的要求。（圖6）

圖6 兩種爆破方案炮眼利用率對(duì)比

經(jīng)上述對(duì)比分析，同等情況下基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案比普通光面爆破周邊眼少4個(gè)，單循環(huán)總炸藥量減少37.5kg，鉆眼時(shí)間減少，超欠挖現(xiàn)象得到控制，超挖最大尺寸不超過110mm，欠挖控制在35mm內(nèi)，循環(huán)進(jìn)尺增加0.2m，同時(shí)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)爆破后巖石的體積增加約6m3。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，采用切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案后，圍巖的穩(wěn)定性增加，減少了后期支護(hù)費(fèi)用的投資，縮短了支護(hù)和掘進(jìn)的時(shí)間。另外，爆破后巖石的塊度較之前均勻，破碎效果較好，大塊率小于前期光面爆破，減少了二次破碎成本，提高了裝巖效率。

4 結(jié)論

經(jīng)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在較硬的中粗粒砂巖巷道掘進(jìn)時(shí)，采用基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案更有利快速安全掘進(jìn)，得到以下結(jié)論：

①基于切縫藥包的巖石定向爆破技術(shù)，裂紋最先產(chǎn)生于炮孔連線方向，并持續(xù)擴(kuò)展，形成的斷面平整度較好，減少后期支護(hù)成本。

②切縫藥包的巖石定向爆破和普通光面爆破的最小炮眼殘留率分別為設(shè)計(jì)方案的88%和69%，最大炮眼殘留率分別為96%和79%，平均分別為92.2%和73.3%，同比提升了1.26倍，可見基于切縫藥包的巖石定向爆破技術(shù)能得到較理想的爆破效果。

③基于切縫藥包的巖石定向爆破技術(shù)形成的巷道輪廓較平整，可有效控制超欠挖現(xiàn)象，減少周邊眼的設(shè)計(jì)數(shù)量，基于切縫藥包的巖石定向爆破設(shè)計(jì)方案炮眼利用率最小為93%，最大可達(dá)100%，平均為96.6%。而普通光面爆破設(shè)計(jì)方案的炮眼利用率最小為90%，最大為97%，平均為94.1%。可見，經(jīng)爆破設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，炮眼利用率平均提升了2.5個(gè)百分點(diǎn)，單循環(huán)總炸藥量減少37.5kg，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

巷道的安全快速掘進(jìn)，方案的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要，具體施工時(shí)應(yīng)根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)炮孔數(shù)量、間距及藥包形式。