李廷春，劉洪強，王超

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 山東科技大學(xué) 山東 青島 266590）

1 引 言

超深孔一次(分段)爆破成井技術(shù)即按照筒狀硐室斷面大小，把所需要的炮孔由上向下鉆通(也可以由下向上鉆通)，而后由下向上全斷面一次(分段)爆破成井，爆破完成后，上部支護，下部出矸，隨出矸隨支護。相對于其它筒狀硐室施工方法，具有工期短、費用低、安全性高、施工工序簡單等優(yōu)點，是目前比較先進的筒狀硐室施工方法。一般而言，多數(shù)筒狀硐室的斷面大、筒體深，采用一次爆破成井技術(shù)時，為了提高炮孔利用率，減小圍巖震動破壞，通常采用多段微差爆破技術(shù)，實現(xiàn)筒狀硐室的分層、分段爆破。由于筒狀硐室爆破補償空間有限，先爆炮孔必須為后爆炮孔的爆破提供合理的補償空間和爆破自由面，涉及預(yù)裂爆破和同分段、相鄰分段炮孔微差爆破的起爆時差確定問題。

關(guān)于微差爆破技術(shù)，許多學(xué)者進行了研究[1－10]，普遍認為，起爆時差應(yīng)當(dāng)是多階段時間的累加。蔣躍飛[1]認為，起爆時差包括抵抗線內(nèi)巖石受爆炸應(yīng)力波壓縮作用時間；從壓縮作用結(jié)束，開始產(chǎn)生裂隙到漏斗邊緣裂隙擴展至自由面時間；從巖塊開始移動到形成一定寬度裂隙或新自由面的時間。戴俊[2]、黃凱和等[8]、羅開軍[10]等定義起爆時差為從起爆到巖渣排出槽腔所經(jīng)歷的時間，并將其分為炸藥傳播的時間、巖石移動時間、巖渣在槽腔平拋時間和巖渣排出時間4 個階段。哈努卡耶夫認為，后爆破炮孔在先爆破孔剛好形成爆破漏斗，且爆破巖石脫離巖體形成0.8～1.0 cm 寬的裂縫時起爆為宜。按照上述理論，都有相應(yīng)的起爆時差計算公式。但這些理論和計算公式?jīng)]有考慮超深孔爆破的分層、分段爆破問題。由于超深孔一次成井微差爆破需要補償空間和爆破自由面，因此，需要從超深孔爆破自身特點出發(fā)，研究更為合理地起爆時差和起爆順序。

2 超深孔微差爆破技術(shù)的研究

炸藥在巖體中爆炸會產(chǎn)生爆炸應(yīng)力波與爆生氣體，超深孔爆破破巖需要它們的綜合作用才能完成。由于炸藥性能、巖石性質(zhì)的復(fù)雜性，且爆炸作用的時間很短，目前關(guān)于微差爆破的基本機制尚無定論。主要存在的假說有：應(yīng)力波相互干涉假說、自由面假說、剩余應(yīng)力假說和巖體碰撞學(xué)說，其中自由面假說和補償空間假說，是本次起爆時差計算公式推導(dǎo)所用的主要理論。

2.1 超深孔微差爆破的破巖機制

（1）自由面假說

自由面假說認為，先起爆的炸藥在巖體內(nèi)已造成了某種程度的破壞，如在端部形成了一個新的爆破漏斗；橫向形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)等，這些破壞都存在一定寬度的裂隙和附加自由面。新增加自由面一方面增大了應(yīng)力波的反射幾率；另一方面減小了后起爆裝藥的最小抵抗線，并改變了爆破作用方向，為后起爆裝藥創(chuàng)造了有利的破碎條件。

（2）補償空間假說

先起爆的炮孔，首先在爆破動力作用下，形成爆破漏斗，隨后槽腔范圍內(nèi)巖石破碎，破碎巖石在高溫、高壓爆炸氣流的作用下，一邊沿抵抗線方向高速碰撞槽腔壁面，一邊向槽腔外排出。這就為后起爆炮孔在橫向和縱向都提供了一定范圍的補償空間，改變了裝藥段破碎巖石只能靠裝藥孔提供補償空間的局面，避免了炮孔底部再生巖的生成。

2.2 超深孔微差爆破時間間隔的確定

超深孔一次爆破成井技術(shù)需要計算的微差時間有4 種，包括預(yù)裂爆破延期時間，掏槽孔與相鄰輔助孔、同分段輔助孔、相鄰分段輔助孔的起爆時差。

2.2.1 預(yù)裂爆破延期時間1T 的確定

采用預(yù)裂爆破的目的是：減小爆破震動對圍巖的破壞，保證圍巖的穩(wěn)定性。預(yù)裂爆破要求，周邊孔首先起爆，在周邊孔之間形成貫通裂隙后，其余炮孔再起爆。預(yù)裂爆破延期時間1T 可用下式計算：

式中： t1為爆轟波或?qū)П鱾鞑r間（s）； t12為相鄰周邊孔貫通所需要的時間（s）； Lz為孔內(nèi)裝藥長度（m）；D 為孔內(nèi)平均爆速或?qū)П鞅伲╩/s）；a1為周邊孔間距（m）； R10為粉碎區(qū)半徑（m）； C1為裂隙擴展平均速度（m/s）， C1= 0.1CP， CP為應(yīng)力波傳播速度（m/s）。

2.2.2 掏槽孔與相鄰輔助孔起爆時差2T 的確定

掏槽孔相鄰的輔助孔起爆前，要求掏槽爆破后槽腔內(nèi)巖石充分破碎，且形成一段空腔，空腔是由于氣、固混合體運動前端即拋渣初始段排出槽腔而形成的。

（1）槽腔內(nèi)巖渣初始段拋出所用時間4t

為分析槽腔的排渣過程，根據(jù)掏槽爆破成腔理論，做如下基本假設(shè)：①菱形掏槽爆破成腔形狀可近似為菱形，氣、固混合體為充滿整個槽腔且沒有間隙的連續(xù)介質(zhì)；②混合體運動過程中受到的主要動力是爆生氣體的推力，阻力是槽腔壁的摩擦力；③混合體獲得初速度后，在拋出槽腔前做勻加速運動。

爆生氣體在氣、固混合體中產(chǎn)生的初始沖量BI為

式中：a、b 分別為菱形槽腔對角線長度（m）；M為掏槽孔爆破范圍內(nèi)的巖石質(zhì)量（kg），下端爆破時M 前正負號取正，上端爆破時取負；21t 為巖石充分破碎所需要的時間（s）；B 為炮孔間最大間距（m）；0P 為槽腔內(nèi)氣、固混合體的初始壓力（Pa）；r 為掏槽孔半徑（mm）；0r 為空孔半徑（mm）；P為爆生氣體瞬時壓力（Pa）；fL 為非裝藥段長度（m）。

氣、固混合體側(cè)向摩擦阻力的沖量fI 為

式中：L0為菱形槽腔邊長（m）；L 為炮孔深度（m）；f 為氣、固混合體的側(cè)向摩擦系數(shù)；λ 為側(cè)壓力系數(shù)， λ = μs/ （1 - μs）， μs為動態(tài)泊松比。

根據(jù)沖量定理并結(jié)合式(2)、(3)，腔內(nèi)氣、固混合體的初速度0V 可表示為

槽腔內(nèi)氣、固混合體所受初始力為

槽腔內(nèi)氣、固混合體加速度為

在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，混合體的運動方程可表示為

由式（7）可得：

式中：η 為氣、固混合體排出初始段前，所受合力的折算系數(shù)，η =0.65～0.8；k 為炮孔深度折減系數(shù)，kL 即為氣、固混合體的初始段長度（m），k 根據(jù)爆破漏斗深度等條件確定，取k=0.4。

（2）掏槽孔與相鄰輔助孔起爆時差2T

式中： t2=max( t21， t22)， t22為剛好形成爆破漏斗的時間（s）； t3為巖石移動的時間(自某處自由面上巖石開始移動到或平拋碰撞到對面槽腔壁之間的時間)（s）；W 為爆破漏斗深度（m）；β 為巖石破碎角（°）；X 為炮孔最小抵抗線方向槽腔寬度（m）；為平均拋渣速度（m/s）。

2.2.3 同分段輔助孔起爆時差3T 的確定

采用同分段相鄰輔助孔微差爆破技術(shù)的主要目的是：實現(xiàn)首爆裝藥為后起爆裝藥提供橫向自由面和補償空間。時間間隔3T 可用下式計算：

2.2.4 相鄰分段輔助孔起爆時差4T 的確定

采用相鄰分段輔助孔微差爆破技術(shù)的主要目的是：實現(xiàn)首爆裝藥為后起爆裝藥提供縱向自由面和補償空間。時間間隔4T 與2T 計算公式相同，但其中的炮孔深度折減系數(shù)k=0.2～0.3。

2.3 起爆順序的安排

超深孔一次爆破成井通?？煞譃檫B續(xù)裝藥爆破成井和分段裝藥爆破成井。當(dāng)筒狀硐室深度小于5 m，且?guī)r石普氏系數(shù)較小時，可以采用連續(xù)裝藥爆破成井技術(shù)。

關(guān)于起爆順序，根據(jù)超深孔和微差爆破破巖機制，可選用的連續(xù)裝藥爆破成井起爆順序主要有兩種：①預(yù)裂爆破時，起爆順序為：周邊孔→掏槽孔→拋渣孔→輔助孔；②光面爆破時，起爆順序為：掏槽孔→拋渣孔→輔助孔→周邊孔。

可選用的分段裝藥爆破成井起爆順序，根據(jù)周邊孔采用預(yù)裂爆破或光面爆破，以及下分段和上分段起爆先后順序的不同，可分為4 種：自下而上預(yù)裂爆破、先上下后中間預(yù)裂爆破、自下而上光面爆破和先上下后中間光面爆破。另外，具體設(shè)置起爆順序時，為合理利用起爆雷管段數(shù)，在保證足夠的補償空間且滿足一次最大起爆裝藥量的條件下，在不同半徑上，不同分段炮孔內(nèi)的裝藥可以同時起爆。

典型的3 分段爆破成井起爆順序：自下而上預(yù)裂爆破和先上下后中間光面爆破如圖1 所示。

圖1 典型三分段爆破成井起爆順序 Fig.1 Detonating sequences of shaft excavation by three-segmented charging blasting

2.4 起爆網(wǎng)絡(luò)的連接

超深孔一次成井爆破技術(shù)，要求各炮孔準確起爆，不能出現(xiàn)拒爆和瞎炮，特別對掏槽孔要求更嚴。因此，選用并串聯(lián)電爆網(wǎng)路，即每個炮孔裝兩發(fā)同段并聯(lián)電雷管，各炮孔之間串聯(lián)。同時要求發(fā)爆器對每個雷管發(fā)出的引燃沖量K 大于引爆雷管的引燃沖量。

以上述超深孔一次成井微差爆破理論為指導(dǎo)，完成了華恒礦-650 矸石倉的掘進任務(wù)。

3 一次成井爆破方案

3.1 矸石倉場區(qū)概況

（3）爆破參數(shù)的確定

①分段裝藥高度的確定

應(yīng)用利文斯頓爆破漏斗理論和掏槽爆破原理，同時考慮對施工質(zhì)量和補償空間的要求，矸石倉采用一次鉆孔3 分段裝藥爆破成井技術(shù)，分段高度為：第1、2 分段為2.5 m，第3 分段為4.65 m。

②炮孔布置和單位炸藥消耗量的確定

應(yīng)用巖石爆破理論，并考慮補償空間的要求，確定輔助孔和周邊孔的炮孔間距及抵抗線；掏槽孔的單位炸藥消耗量由修正的蘭格福斯公式確定。

炮孔布置和炸藥消耗量如圖2、表2～4 所示。

華恒礦為低瓦斯礦井，-650 矸石倉與-650 西大巷及排矸斜巷相連，上部西大巷為直徑4.5 m 的半圓拱巷道，墻高為1.45 m；下部為半徑1.85 m 的120°圓弧形巷道，墻高為1.8 m。

現(xiàn)場試驗條件為：①矸石倉規(guī)格。垂直凈高度為9.65 m，掘進直徑為4.2 m，荒斷面面積為 13.85 m2。②巖層以細砂巖為主，硬度不等，完整性好，未風(fēng)化，矸石倉所穿越巖石及其巖性如表1所示。③炸藥主要性能指標。使用二級煤礦許用小藥卷水膠炸藥。其性能：爆力為180 ml，爆速為 2 500 m/s；其規(guī)格：質(zhì)量為100 g/個，直徑為27 mm，長為150 mm。④現(xiàn)場打眼直徑為：空孔為127 mm，其余為75 mm。

表1 -650 矸石倉所穿越巖石及其巖性 Table 1 Rock and lithology of -650 waste rock storage

3.2 爆破方案

采用一次成井爆破技術(shù)，即全深度一次鉆孔，分段裝藥，延期起爆，爆破后隨支護隨出矸。

（1）掏槽方式的選擇。為保證爆破效果，充分利用拋渣孔的自由面和輔助拋渣作用，掏槽方式采用由中心拋渣孔和4 個裂槽孔組成的含拋渣孔的菱形掏槽方式，裂槽孔距拋渣孔距離分別為300 mm和400 mm。

（2）延期時間及起爆順序。采用先上下后中間預(yù)裂爆破，電雷管段數(shù)為10 段。根據(jù)上述起爆時差計算理論，并結(jié)合目前常用雷管延期時間，確定所用雷管延期時間分別為0、25、50、75、110、150、200、250、310、380 ms。

圖2 炮孔布置示意圖 Fig.2 Arrangement diagrams of blasting hole

表2 第1、2 裝藥分段爆破參數(shù)表 Table 2 Blasting parameters table of the first and second segments

表3 第3 分段爆破參數(shù)表 Table 3 Blasting parameters table of the third segment

表4 周邊孔爆破參數(shù)表 Table 4 Blasting parameters table of the surrounding holes

3.3 主要成果

（1）爆破后矸石倉成型較好、矸石塊度適中，原因在于合理的起爆時差，保證了先起爆炮孔為后起爆炮孔提供了足夠的補償空間和自由面；

（2）圍巖爆破震動效應(yīng)較小，原因在于采用了預(yù)裂爆破，并設(shè)計了合理的起爆順序，實現(xiàn)了以上下自由面為起端的分層分段爆破。

4 結(jié) 論

（1）基于超深孔微差爆破破巖機制，從理論上推導(dǎo)了一次成井預(yù)裂爆破延期時間，以及掏槽孔與相鄰輔助孔、同分段輔助孔、相鄰分段輔助孔等起爆時差的計算公式；

（2）根據(jù)超深孔微差爆破破巖機制提出了連續(xù)裝藥預(yù)裂爆破、光面爆破，以及自下而上預(yù)裂爆破、先上下后中間預(yù)裂爆破、自下而上光面爆破和先上下后中間光面爆破6 種一次成井起爆順序；

（3）華恒礦通過應(yīng)用超深孔一次成井微差爆破技術(shù)方案，順利完成了-650 矸石倉的建設(shè)任務(wù)，爆后矸石塊度均勻、圍巖穩(wěn)定、硐室成型好，證明了形成的超深孔微差爆破技術(shù)是成功的，其結(jié)果對類似工程的實施具有一定的參考價值。

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