莊又軍，薛 峰，張 衛(wèi)，高敬東，林玉璽，解孝華，楊秉真,張 浩

(1.山東東山新驛煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272116；2.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

在巖石爆破技術(shù)中，深孔預(yù)裂爆破廣泛應(yīng)用于煤層瓦斯抽采防治、硬煤層及夾矸弱化、工作面或巷道遇硬巖致裂等工程，其目的是充分增加煤層或巖層中的裂隙，以滿足工程需求。深孔預(yù)裂爆破因其特殊的爆破形式，仍沿用傳統(tǒng)的爆破參數(shù)計(jì)算理論，缺乏適用性。實(shí)際工程中爆破參數(shù)的確定往往通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)類比獲得，由于缺乏理論依據(jù)，采用該方法確定可靠的爆破參數(shù)一般需要大量的試驗(yàn)，不利于施工開展。

深孔預(yù)裂爆破參數(shù)中孔深、孔徑等參數(shù)一般由工程需求和既有鉆孔設(shè)備規(guī)格來(lái)確定，鉆孔間距的選取可通過(guò)裂隙區(qū)理論[1]計(jì)算或分析孔間裂隙貫通規(guī)律進(jìn)行推導(dǎo)，但針對(duì)深孔預(yù)裂爆破裝藥量的計(jì)算方法研究較少。LANGEFORS等[2]分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了受限自由面爆破裝藥量的公式；李啟月等[3]針對(duì)LANGEFORS裝藥量公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際裝藥量存在的誤差，借助計(jì)算軟件進(jìn)行重新擬合；邵曉亮等[4]針對(duì)深孔爆破對(duì)鮑列斯柯夫計(jì)算公式進(jìn)行合理的調(diào)整變形。但上述研究成果在深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用中缺乏適用性。

本文針對(duì)深孔預(yù)裂爆破技術(shù)特點(diǎn)，分析現(xiàn)有裝藥量計(jì)算方法弊端，提出適用于深孔預(yù)裂爆破的裝藥量計(jì)算方法；為提高預(yù)裂爆破效果，基于水壓爆破致裂機(jī)理，優(yōu)化爆破裝藥結(jié)構(gòu)；通過(guò)開展深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，借助鉆孔成像儀及聲波測(cè)試儀，評(píng)價(jià)爆破效果，確定裝藥參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)合理性。

1 裝藥量計(jì)算方法優(yōu)化

深孔預(yù)裂爆破采用柱狀不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)際工程中對(duì)裝藥參數(shù)進(jìn)行確定時(shí)，考慮的是炸藥單耗和爆破破碎范圍關(guān)系的體積法，如鮑列斯柯夫公式[5](式(1))。該公式的推導(dǎo)依據(jù)是裝藥量與爆破漏斗的體積成正比，然而，深孔預(yù)裂爆破底部基本不形成錐形爆破漏斗，但也需要完成頂部巖石的裂隙。

Q=(0.4+0.6n3)qW3

(1)

式中：n為爆破作用指數(shù)；q為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗單位耗藥量，kg/m3；W為最小抵抗線，m。

深孔柱狀裝藥爆破后，波陣面在裝藥徑向范圍內(nèi)以柱面波的形式向外傳播，裝藥兩端會(huì)以球面波的形式向外傳播，裝藥底端和裝藥中部的應(yīng)力波會(huì)衰減傳播至無(wú)限巖體中，均發(fā)生在巖石內(nèi)部，屬于內(nèi)部作用，而裝藥頂端應(yīng)力波傳播至自由面后會(huì)形成反射拉伸波，進(jìn)行促進(jìn)頂部巖石形成裂隙，屬于外部作用?；谏鲜隼碚摲治?，建立深孔預(yù)裂爆破柱狀裝藥簡(jiǎn)化計(jì)算模型，如圖1所示。將柱狀裝藥的爆破作用劃分為外部作用和內(nèi)部作用，柱狀藥包等效成球形裝藥Ls和柱形裝藥Lc兩部分，并認(rèn)為球形裝藥對(duì)應(yīng)外部作用，球形藥包長(zhǎng)度取Ls=5d(d為炮孔直徑)。其作用是爆破破壞頂部巖石，柱形裝藥作用是增加裂隙區(qū)裂隙。

圖1 深孔預(yù)裂爆破柱狀裝藥簡(jiǎn)化計(jì)算模型Fig.1 Simplified calculation model of charge for deep hole pre-splitting blasting

對(duì)于柱形裝藥，爆破效果表現(xiàn)為內(nèi)部作用下巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，根據(jù)體積法計(jì)算原則，修正裝藥量計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。

Qz=qLLcπR2

(2)

式中：qL為預(yù)裂爆破炸藥單耗，kg/m3；Lc為等效柱形裝藥長(zhǎng)度，m；R為裂隙區(qū)計(jì)算半徑，m。

對(duì)于球形裝藥，爆破效果表現(xiàn)為外部作用下自由面附近巖石產(chǎn)生裂隙，可以認(rèn)為是減弱爆破漏斗作用，得到修正鮑列斯柯夫計(jì)算公式，見(jiàn)式(3)。

Qq=(0.4+0.6n3)qK(LP+Ls)πR2

(3)

式中：n為減弱爆破作用指數(shù)，n<1；qK為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗，kg/m3；LP為封堵長(zhǎng)度，m；Ls為等效球形裝藥長(zhǎng)度，m。

對(duì)于大直徑不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)際工程中采用多節(jié)藥柱并列捆綁的方式，線裝藥量沿裝藥長(zhǎng)度均勻分布，上述分段計(jì)算方法不符合條件，因此將其整合得到式(4)。

Q=Ks(0.4+0.6n3)qLLπR2

(4)

式中：L為炮孔深度；Ks為預(yù)裂爆破修正系數(shù)，見(jiàn)式(5)。

(5)

對(duì)于預(yù)裂爆破修正系數(shù)Ks，在采用鮑列斯夫公式計(jì)算爆破漏斗裝藥量時(shí)，q為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗單位耗藥量，堅(jiān)固性系數(shù)f=6時(shí)，取1.3～1.6 kg/m3，預(yù)裂爆破單位耗藥量為0.55～0.60 kg/m3，因此修正系數(shù)Ks>1。

2 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 水壓爆破作用機(jī)理分析

炮孔裝藥不耦合介質(zhì)的改變會(huì)引起炮孔中能量分布及傳播規(guī)律的改變[6-7]。以水作為不耦合介質(zhì)時(shí)，受爆轟波和高溫高壓爆生氣體產(chǎn)物的沖擊壓縮作用，炸藥爆炸在水介質(zhì)中激起爆炸沖擊波，由于水的物理力學(xué)性質(zhì)與空氣不一樣，爆炸對(duì)巖石的作用機(jī)理也不相同。

1) 水的可壓縮性遠(yuǎn)小于空氣，且密度高，具有較大的流動(dòng)黏度，爆破時(shí)水中爆炸沖擊波對(duì)孔壁的作用強(qiáng)度和作用時(shí)間得到增強(qiáng)，爆轟產(chǎn)物的膨脹速度變慢，形成了高壓力、持續(xù)時(shí)間的“水楔效應(yīng)”，使得巖體中爆破裂縫擴(kuò)展密度、范圍增加。

2) 水的波阻抗值是空氣的約3 500倍，能量傳遞效率高，使得爆破能量均勻平緩作用于孔壁周圍巖石，減輕對(duì)圍巖損傷及爆破振動(dòng)；炮孔內(nèi)水介質(zhì)經(jīng)爆炸作用后會(huì)大量揮發(fā)為水蒸氣，黏結(jié)空氣中粉塵顆粒，降低粉塵量。

2.2 深孔預(yù)裂水耦合爆破裝藥結(jié)構(gòu)

深孔預(yù)裂爆破炮孔深度可達(dá)10 m以上，常用裝藥方法是利用炮棍將捆綁好的條形藥包頂入炮孔底部，再填塞足夠的炮泥，主要弊端在于：①填塞炮泥段長(zhǎng)，一般需選擇5～10 m的炮棍進(jìn)行封堵，勞動(dòng)強(qiáng)度大，反復(fù)裝填炮泥易搗壞雷管連接線；②發(fā)生拒爆、殘藥處理困難，由于炸藥安置位置深、炮泥封孔量大，利用高壓水槍沖出炸藥費(fèi)時(shí)費(fèi)力；③含水巖層堵孔困難，由于巖層水從孔內(nèi)涌出，完全封閉炮孔時(shí)水壓作用下易沖出炮泥，形成裸露爆破。

針對(duì)上述深孔裝藥問(wèn)題，借助水壓爆破優(yōu)勢(shì)，提出一種新型裝藥結(jié)構(gòu)(圖2)，將該裝藥結(jié)構(gòu)劃分為裝藥段和封堵段。

圖2 深孔預(yù)裂水耦合爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure of deep hole pre-splitting water coupled blasting

1) 裝藥段：選擇與孔徑相當(dāng)?shù)腜VC管，炸藥交錯(cuò)捆綁于PVC管內(nèi)；設(shè)置三只雷管串聯(lián)，兩只雷管插入孔底兩節(jié)藥卷，一只雷管插入炸藥頂端一節(jié)藥卷，即正向及反向聯(lián)合起爆方式；PVC管連接一根鐵絲，引出孔外。

2) 封堵段：選擇一個(gè)“L”形PVC細(xì)管作為限流水管，設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖3所示，孔口封堵1.0～1.5 m炮泥，限流水管穿過(guò)炮泥，使得水可以從管內(nèi)流動(dòng)。對(duì)于含水巖層，限流水管起到排水功能，避免孔內(nèi)水壓過(guò)大使得炮泥沖出炮孔；對(duì)于非含水巖層，限流水管起到輸水功能，灌入水流直至水從限流水管排出。

圖3 限流水管設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖Fig.3 Restricted water pipe structure design and materials

在應(yīng)用上述裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，若發(fā)生拒爆問(wèn)題，可將孔底兩只雷管與裝藥頂端一只雷管并聯(lián)設(shè)計(jì)，重新起爆；若仍出現(xiàn)拒爆問(wèn)題，利用高壓水槍沖出孔口炮泥，拽動(dòng)鐵絲將炸藥拖出，重新制作炮頭并封堵起爆。該裝藥結(jié)構(gòu)滿足水壓爆破裝藥特征，極大減少了封泥長(zhǎng)度，設(shè)置限流水管后，不僅解決了含水巖層堵孔難題，還充分借助地質(zhì)條件特點(diǎn)，發(fā)揮水壓爆破優(yōu)勢(shì)；設(shè)置三只起爆雷管，提高炸藥成功起爆率，有效克服拒爆問(wèn)題。

3 綜掘硬巖深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工程概況

新驛煤礦-280 m南翼集中膠帶巷開門層位位于山西組砂巖中，屬于含水地層，自煤倉(cāng)聯(lián)絡(luò)巷定點(diǎn)位置開始掘進(jìn)，按方位角196°0′0″，+3‰上山施工1 233 m，巷道斷面為直墻半圓拱，尺寸為4.2 m×3.2 m。巷道采用EBZ260H型綜掘機(jī)掘進(jìn)。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中遇堅(jiān)硬砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)6～7，綜掘機(jī)切割速度慢、截齒消耗大幅度增加，切割時(shí)巖石呈粉末狀落下，與水混合形成稀泥，影響出矸和掘進(jìn)工作面作業(yè)。計(jì)劃采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，預(yù)先弱化巷道硬巖，幫助綜掘機(jī)高效掘進(jìn)。

3.2 深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)

1) 布孔設(shè)計(jì)：根據(jù)巷道斷面尺寸以及巖石堅(jiān)硬穩(wěn)固的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單孔爆破試驗(yàn)(圖4)，炮孔布置于斷面中部，距底板1.5 m，根據(jù)礦區(qū)鉆機(jī)設(shè)備條件，設(shè)計(jì)炮孔直徑89 mm，炮孔深度20 m，垂直于掘進(jìn)斷面。

圖4 巷道斷面炮孔布置方案Fig.4 Blasting hole layout scheme of roadway section

2) 裝藥參數(shù)：裝藥方式為徑向不耦合裝藥，選用煤礦許用二級(jí)乳化炸藥，規(guī)格：直徑27 mm，長(zhǎng)度200 mm，0.15 kg/卷。根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算，裝藥量為62.3 kg，其中n取0.9，R取0.8 m，實(shí)際單孔裝藥量60 kg。裝藥時(shí)每五節(jié)藥卷緊密捆綁方式增加藥包直徑，PVC管內(nèi)裝藥及正向反向聯(lián)合起爆。

3) 封堵方式：鉆孔后含水砂巖存在孔內(nèi)涌水現(xiàn)象，依據(jù)含水條件采用水耦合封堵方式，即水+炮泥聯(lián)合封堵，實(shí)現(xiàn)水壓爆破形式，其中封堵長(zhǎng)度6 m，炮泥長(zhǎng)度1 m。

4) 爆破防護(hù)：為減輕巷道爆破近區(qū)爆破飛石、爆炸沖擊波的危害，采用兩層防護(hù)措施，①在爆破孔口處搭設(shè)擋孔木板及擋孔炮被，②在距離孔口3 m處掛設(shè)炮被，防護(hù)措施如圖5所示。

圖5 爆破斷面防護(hù)措施布置Fig.5 Layout of protective measures for blasting section

3.3 爆破效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)

為觀測(cè)爆破前后炮孔內(nèi)部裂紋發(fā)育、巖石損傷情況，科學(xué)評(píng)價(jià)爆破效果，爆破前后采用鉆孔窺視儀及聲波測(cè)試儀對(duì)爆破孔進(jìn)行檢測(cè)。

1) 圖6(a)和圖6(b)為爆破前孔內(nèi)窺視結(jié)果，可以看出爆破前孔壁光滑，無(wú)明顯裂隙，孔內(nèi)源源不斷有水流出。爆破后封堵段巖石出現(xiàn)輕量裂隙，且存在少量水流出，如圖7(a)和圖7(b)所示；隨著窺視深度的增加，裝藥段環(huán)向、徑向爆破裂隙交錯(cuò)，裂縫寬度逐漸增大，孔壁剝落巖塊增多，孔內(nèi)不再觀測(cè)到水流，其原因應(yīng)是水從爆破裂隙中流失，如圖7(c)和圖7(d)所示。

圖7 爆破后孔壁觀測(cè)結(jié)果Fig.7 Observation results of hole wall after blasting

圖6 爆破前孔壁觀測(cè)結(jié)果Fig.6 Observation results of hole wall before blasting

2) 利用聲波測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，爆前測(cè)試孔深為15 m，爆后測(cè)試深度為9 m，每間隔1 m進(jìn)行一次測(cè)量讀數(shù)，得到爆破前后爆破孔孔內(nèi)巖石完整性系數(shù)與孔深關(guān)系，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[8]，按巖體的完整性指數(shù)Kv，將巖體的完整性分為5類，見(jiàn)表1。

表1 巖體完整程度Table 1 Rock integrity

對(duì)照表1和圖8可以看出，爆破前隨著測(cè)試深度的增加，巖石完整性緩慢降低，但完整性系數(shù)達(dá)到0.5以上，均表現(xiàn)較完整；爆破后由于孔內(nèi)剝落巖塊堵塞，測(cè)取了9 m聲波數(shù)據(jù)，其中0～6 m封堵段巖石完整性系數(shù)平均0.3～0.5，表現(xiàn)為較破碎，6～9 m裝藥段巖石完整系數(shù)平均0.1，表現(xiàn)為極破碎。

圖8 爆破前后炮孔聲波檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Test results of hole acoustic wave before and after blasting

檢測(cè)結(jié)果表明:巖體內(nèi)裂隙的發(fā)育程度與裝藥參數(shù)密切相關(guān)，采用大直徑深孔預(yù)裂爆破技術(shù)能大量增加巖體裂隙，通過(guò)裝藥量公式優(yōu)化，結(jié)合水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)，使得爆炸應(yīng)力波和爆生氣體作用時(shí)間較長(zhǎng)，爆炸能量利用率高，大大降低了巖石完整性?，F(xiàn)場(chǎng)爆破施工未出現(xiàn)大塊巖石崩落，孔口有少量飛石被防護(hù)裝置攔下，隨著綜掘機(jī)的推進(jìn)，可以觀測(cè)炮孔周圍0.8 m范圍內(nèi)形成明顯裂隙，破碎區(qū)域綜掘機(jī)切割速度加快。從單孔爆破效果可以看出裂隙區(qū)范圍0.8 m，根據(jù)巷道斷面尺寸后續(xù)調(diào)整設(shè)計(jì)三孔爆破方案，如圖9所示，應(yīng)用后爆破掘進(jìn)速度提高30%～50%，封堵段截齒消耗減少20%，裝藥段截齒消耗減少50%。

圖9 三孔爆破方案布置方式Fig.9 Arrangement of three-hole blasting scheme

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)有裝藥量計(jì)算方法的不足，建立柱狀裝藥簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將柱形裝藥劃分為球形藥包和柱形藥包，基于體積法計(jì)算原則，提出了一種深孔預(yù)裂爆破裝藥量計(jì)算方法。

2) 分析了水壓爆破作用機(jī)理，比較水耦合介質(zhì)與空氣耦合介質(zhì)爆破作用差異，提出了一種深孔預(yù)裂水耦合爆破裝藥結(jié)構(gòu)，該裝藥結(jié)構(gòu)封堵勞動(dòng)量少，能有效解決含水巖層堵孔難題，發(fā)揮水壓爆破優(yōu)勢(shì)，確保炸藥成功起爆。

3) 以新驛煤礦硬巖巷道為工程背景，發(fā)揮含水地層地質(zhì)條件特點(diǎn)，采用優(yōu)化后的裝藥量計(jì)算方法及水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)，開展了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。借助鉆孔窺視儀、聲波測(cè)試儀對(duì)爆破前后進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，爆破后孔內(nèi)巖石大量裂隙增加，巖石完整性下降，封堵段巖石完整性系數(shù)下降至0.3～0.5，裝藥段下降至0.1，綜掘機(jī)推進(jìn)過(guò)程中爆破區(qū)域推進(jìn)速度增加，驗(yàn)證了裝藥量計(jì)算方法及裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。