軟弱結(jié)構(gòu)面對爆破效果影響及其控制*

和鐵柱 池恩安， 趙明生

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院;2.貴州非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室;3.貴州新聯(lián)爆破工程有限公司)

“軟弱結(jié)構(gòu)面”一詞在我國工程地質(zhì)領(lǐng)域已被廣泛地使用，但尚無一個比較確切的、嚴(yán)密的定義。根據(jù)相關(guān)資料，軟弱結(jié)構(gòu)面一般指的是巖體中在巖性上比上下或左右?guī)r層顯著軟弱，而且單層厚度也比上下巖層明顯較小的巖層，有些資料也把軟弱結(jié)構(gòu)面稱作軟弱夾層或軟弱帶［1-3］。軟弱結(jié)構(gòu)面在土石方工程爆破中大量存在。巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面對巖石的爆破效果產(chǎn)生重大影響，直接關(guān)系到施工進度和經(jīng)濟效益，是土石方爆破中不得不考慮的一個重要問題。在爆破過程中，爆炸應(yīng)力波使巖石產(chǎn)生裂隙，并使原始損傷裂隙進一步擴展，隨后爆生氣體滲入裂隙并在準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下使這些裂隙貫通、擴大形成巖塊，脫離母巖［4］。軟弱結(jié)構(gòu)面塑性程度高，強度低，容易產(chǎn)生變形和破壞，不利于應(yīng)力波的傳播，使爆炸作用發(fā)生變化，從而影響爆破效果。在以往的有關(guān)軟弱結(jié)構(gòu)面的研究中，大多提及其對爆破產(chǎn)生的影響，但涉及實際的解決措施不夠?，F(xiàn)以貴州某土石方爆破工程的實際例子說明軟弱結(jié)構(gòu)面對爆破產(chǎn)生的影響以及采取的相關(guān)控制技術(shù)措施。

1 工程概況

貴州某土石方場坪工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體主要以凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、糜棱巖以及黏土等構(gòu)成。巖體內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，巖體強度較低，普氏系數(shù)為4～6。且結(jié)構(gòu)面孔隙較大，含水率較高。在最初施工階段，由于對復(fù)雜的地質(zhì)條件認(rèn)識、分析不夠充分，按照一般土石方爆破進行作業(yè)，結(jié)果爆破效果很不理想，主要表現(xiàn)在:①產(chǎn)生大范圍沖炮;②大塊率極高;③爆破臺階不平整，爆堆表面沒能形成松散鼓包，里面殘余大量根底。因此，必須進行二次破碎，甚至重復(fù)放炮，從而嚴(yán)重影響施工進度和經(jīng)濟效益?，F(xiàn)場軟弱結(jié)構(gòu)面及其爆破效果見圖1。

2 軟弱結(jié)構(gòu)面對爆破效果影響分析

2.1 軟弱結(jié)構(gòu)面對爆破塊度的影響

爆破碎塊大小首先取決于原生裂隙面，其次為爆破作用形成的新鮮破裂面，原生裂隙越多，塊度愈大。由于軟弱結(jié)構(gòu)面的廣泛存在，爆炸應(yīng)力波的傳遞受到很大影響，入射波能量需要克服軟弱結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體相對滑移所消耗的能量。爆炸應(yīng)力波以及爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力不能充分作用到巖石上，炸藥能量利用率較低，作用在單位巖體體積上的能量就小。爆生氣體更是從結(jié)構(gòu)面和軟弱帶沖出來，非常不利于裂隙的擴展、貫通，因此大塊率高，爆破效果差。通常，有軟弱結(jié)構(gòu)面的土石方臺階爆破中，經(jīng)常產(chǎn)生大塊的區(qū)域主要集中在臺階的表層、不規(guī)則的臨空面、臺階中部及根底部位，見圖2。

圖1 軟弱結(jié)構(gòu)面及其對爆破效果的影響

圖2 大塊產(chǎn)生的主要區(qū)域

2.2 軟弱結(jié)構(gòu)面對沖炮的影響分析

當(dāng)軟弱面與地表或溶洞貫通，爆源與軟弱面的距離小于最小抵抗線的時候，爆炸的能量率先從軟弱結(jié)構(gòu)面的裂隙、斷層等最薄弱的地方?jīng)_開，炸藥爆炸的部分能量將以“沖炮”或其他形式向臨空面或溶洞泄出，爆炸威力下降，爆破效果明顯降低［5］。沖炮的產(chǎn)生不但造成大量的大塊和根底，導(dǎo)致1次爆破不徹底，而且還會導(dǎo)致大量飛石，非常不利于安全，因此必須加以控制。沖炮產(chǎn)生的大量飛石見圖3。

圖3 沖炮產(chǎn)生大量飛石

2.3 軟弱結(jié)構(gòu)面對爆破漏斗的影響分析

應(yīng)力波通過軟弱結(jié)構(gòu)面時，引起應(yīng)力波反射以及軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)的介質(zhì)產(chǎn)生壓縮變形，對爆破能量起到了一定程度的隔離或吸收作用。爆炸能量不能充分被巖石吸收和利用，再加上向裂隙釋放了大量能量，那么有效作用在巖體上的能量就不足以使巖石充分破碎，不足以使巖體向上拱抬而脫離母巖，也無法抵消底部阻抗力。因此，不能形成良好的爆破漏斗，主要表現(xiàn)為表面沒能形成松散的鼓包，里面殘留大量根底。這就導(dǎo)致不能形成平整的作業(yè)平臺，不利于挖運施工，也不利于下一臺階的爆破作業(yè)。

3 采取的控制措施

3.1 調(diào)整爆破參數(shù)

由于軟弱面對巖體的切割，使得爆破能量大量被吸收和泄露，爆破作用有限，單孔的爆破有效作用范圍相對縮小，相應(yīng)的爆破漏斗的有效半徑縮小。所以適當(dāng)縮小孔排距、間距，使炸藥相對集中，這就避免了兩孔之間爆破不徹底的情況。但是，僅僅縮小孔排距、孔間距，則提高了炸藥單耗，不但增加了成本，還會導(dǎo)致更嚴(yán)重的沖炮，造成安全事故。因此，從安全以及經(jīng)濟角度來講，并不合適大范圍提高單耗。為使炸藥充分被利用，發(fā)揮更好的爆破效果，還應(yīng)采取分散單孔藥量，采用較小的孔徑進行爆破，使炸藥作用更均勻。通過調(diào)整，爆破參數(shù)前后對比見表1。

表1 爆破參數(shù)調(diào)整前后對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整為直徑90 mm炮孔之后，單耗稍微增加了0.02 kg/m3，這是為了補充無效消耗的爆破能量。由于單孔裝藥量減少，并且炸藥較之前分布相對均勻，所以增加的單耗并不足以導(dǎo)致更嚴(yán)重的沖炮。

3.2 增加孔底裝藥密度

為避免爆破后臺階底部殘留大量根底，可采用增加孔底裝藥密度的方式增加底部單耗。對于90 mm直徑的炮孔，通常采用70 mm直徑的2號巖石乳化炸藥進行填裝，那么炸藥和孔壁有20 mm的空隙。因此，在炮孔底部經(jīng)行填裝時，可以采取劃開炸藥包裝袋的方式，使藥包從孔口落到孔底的時候能夠散開并搗實，使底部填裝更充實。此外，還要確保鉆孔孔底在同一個水平面上，鉆孔要平行且孔間、排距保持一致。

3.3 選擇適合的爆破位置

爆破位置對爆破效果也有很大影響。孔位打在軟弱帶上或者軟弱結(jié)構(gòu)面附近，就可能導(dǎo)致爆破應(yīng)力波以最不利的入射角入射到這樣的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面將會吸收近一半的入射波能量用于產(chǎn)生相對滑移［6］。爆破能量被吸收、消耗，容易導(dǎo)致大塊的產(chǎn)生。所以應(yīng)選擇巖石較硬、較密的地方打孔，避開軟巖以及軟弱結(jié)構(gòu)面，避免應(yīng)力波以不利于波傳播的入射角在軟弱結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑?，避免能量被吸收、泄露，提高炸藥能量的利用率，從而取得良好的爆破效果?/p>

3.4 采用淺孔爆破輔助

對于軟弱結(jié)構(gòu)面很發(fā)育的地帶，山體表面大多為凸凹不平的孤石、泥夾石等不均勻性、非連續(xù)性非常明顯的巖石。中深孔爆破孔間距大、抵抗線大，單孔藥量相對集中，那么炸藥作用在巖石上的能量就不均勻，容易產(chǎn)生大塊。采用淺孔爆破可以使炸藥能量作用更均勻，爆破塊度也更小，從而降低大塊率，便于施工作業(yè)。中深孔爆破與淺孔爆破對比見表2。

表2 中深孔爆破與淺孔爆破對比

從表2中可以看出，對于地質(zhì)條件較差的巖體，淺孔爆破較中深孔爆破適合。因此，軟弱結(jié)構(gòu)面很發(fā)育、泥夾石、表面凸凹不平的地方可以采用淺孔爆破輔助中深孔爆破的方式。

通過以上方式的調(diào)控，取得了良好的效果，表明此類方法具有一定的可行性。但要根據(jù)情況，選擇合適的方案。

4 結(jié)論

土石方爆破施工中首先要查明工程地質(zhì)情況，根據(jù)巖體構(gòu)造情況合理選擇爆破方案、設(shè)計炮孔位置和爆破參數(shù)，再根據(jù)爆破效果，逐步調(diào)整到最佳爆破參數(shù)。對于軟弱結(jié)構(gòu)面，要適當(dāng)縮小孔排、間距，提高底部單耗，采用淺孔輔助爆破等技術(shù)措施，從而取得良好的爆破效果和經(jīng)濟效益。

［1］ 孫廣忠.巖體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，1983.

［2］ 高文龍，姜耀東，湛 川.軟弱結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)與充填度的力學(xué)特性研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2010，18(1):127-131.

［3］ 陳建平，高文學(xué).爆破工程地質(zhì)學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［4］ 于亞倫.工程爆破理論與技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［5］ 顧毅成.爆破工程施工與安全［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［6］ 李夕兵.論巖體軟弱結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波傳播的影響［J］.爆炸與沖擊，1993.13(4):334-342.