巖巷切縫藥包楔形掏槽爆破模型試驗(yàn)與分析

廖 濤 蒲傳金 王俊青 姜 銳 楊 鑫 陳雪鋒

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

巖巷切縫藥包楔形掏槽爆破模型試驗(yàn)與分析

廖 濤1,2蒲傳金1,2王俊青1,2姜 銳1,2楊 鑫1,2陳雪鋒1,2

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

為了研究合理的掏槽方式改善巖巷掏槽效果差、炮眼利用率低的問題，采用水泥砂漿模型對(duì)切縫藥包楔形掏槽爆破進(jìn)行了試驗(yàn)研究。共設(shè)計(jì)了4組對(duì)比試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分別在6組不同強(qiáng)度的水泥砂漿模型上展開，模型炮孔數(shù)目均為6個(gè)，每個(gè)炮孔裝一發(fā)8號(hào)電雷管起爆。試驗(yàn)結(jié)果表明，切縫藥包裝藥結(jié)構(gòu)提高了炮孔利用率、增大了槽腔體積及降低了掏槽碎塊的大塊率；并得到了不同強(qiáng)度模型最優(yōu)的掏槽方式，其中80°切縫藥包楔形掏槽爆破在不同強(qiáng)度模型下炮孔利用率、槽腔體積及掏槽碎塊大塊率均相差較小，用于巖性變化較大的巖巷中，可得到較好的掏槽效果。切縫藥包楔形掏槽爆破利用切縫對(duì)能量的導(dǎo)向作用，實(shí)現(xiàn)裂紋的定向擴(kuò)展，并提高了掏槽效果。

切縫藥包 楔形掏槽 炮孔利用率 模型試驗(yàn)

我國(guó)巖巷掘進(jìn)主要采用鉆爆法，其中掏槽效果是影響每循環(huán)爆破進(jìn)尺及炮眼利用率的關(guān)鍵因素，決定著每循環(huán)爆破的質(zhì)量。由于巖巷掘進(jìn)爆破自由面較單一，且隨著巖巷開采深度的增加，圍巖應(yīng)力逐漸增大，巖石所受夾制作用增強(qiáng)，最終使掏槽效果更差、炮眼利用率更低，尤其是硬巖巷道。

目前具有代表性的掏槽方式主要有直眼掏槽、楔形掏槽、螺旋掏槽及準(zhǔn)直眼掏槽[1-4]等，其中楔形掏槽應(yīng)用最廣泛。梁為民等[5]采用模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，得出了楔形掏槽炮孔角度對(duì)稱布置能夠充分利用炸藥爆破能量，增大掏槽體積、深度，有利于提高循環(huán)進(jìn)尺。熊海明等[6]應(yīng)用層次分析法(AHP)建立了楔形掏槽爆破影響因素指標(biāo)體系，定量分析了各因素對(duì)掏槽爆破效果的影響，其中炮孔傾斜角度權(quán)值最大，為11.5%。袁文華等[7]對(duì)3種楔形掏槽混凝土模型進(jìn)行了相似試驗(yàn)，其中楔形掏槽微差爆破模型炮眼利用率較高，達(dá)到了93.2%，且掏槽體積大、爆破塊度適中。楊國(guó)梁等[8]采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)復(fù)式楔形深孔掏槽爆破進(jìn)行了研究，表明該方法可有效提高循環(huán)進(jìn)尺，進(jìn)而提高巖巷掘進(jìn)速度。陳壽安[9]對(duì)楔形掏槽水泥砂漿模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，炮孔傾角為80°時(shí)能充分利用爆破能量，提高炮孔利用率。

1978年，W.L.Fourney等[10]提出了在炮孔中使用切縫管狀藥包在巖石中形成定向裂紋的方法。從20 世紀(jì)80 年代開始，我國(guó)學(xué)者對(duì)切縫藥包爆破技術(shù)進(jìn)行了一系列研究。王樹仁等[11]對(duì)切縫藥包作用機(jī)理、影響因素、參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用等問題從理論上進(jìn)行了探討。蒲傳金[12]，羅勇[13]等對(duì)切縫藥包成縫機(jī)理進(jìn)行了研究。肖正學(xué)等[14]采用動(dòng)態(tài)光彈性法對(duì)切縫藥包的聚能效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明切縫管的聚能效應(yīng)主要出現(xiàn)在爆炸初期，此時(shí)產(chǎn)生大量爆炸產(chǎn)物、藥包內(nèi)氣體壓力急劇升高。切縫藥包爆破技術(shù)在邊坡、采石場(chǎng)及巷道周邊孔爆破中獲得了廣泛的應(yīng)用，楊仁樹[15]、佟強(qiáng)[16]及楊國(guó)梁[17]等將切縫藥包爆破技術(shù)引入到巖巷直眼掏槽爆破中，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了切縫藥包直眼掏槽爆破的可行性，提高了炮孔利用率，有效地消除了圍巖夾制作用。

為了研究切縫藥包楔形掏槽爆破技術(shù)對(duì)提高炮孔利用率，增加初期掏槽體積的效果，本研究對(duì)6孔楔形掏槽普通裝藥結(jié)構(gòu)、切縫藥包裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水泥砂漿模型試驗(yàn)研究。

1 切縫藥包楔形掏槽爆破原理

將切縫藥包裝入楔形炮孔實(shí)現(xiàn)切縫藥包楔形掏槽爆破，炮孔布置和裝藥結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 炮孔布置示意圖(單位：mm)

將炸藥裝入切有縫隙(圖1中端部1、2、3、4號(hào)孔呈90°垂直切縫，中間5、6號(hào)孔三向切縫，切縫位置如圖2(b)、圖2(c)所示)的PVC管后，再裝入相應(yīng)位置的掏槽孔，實(shí)行不耦合裝藥。端部的1、2、3、4號(hào)

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔的垂直切縫和中部5、6號(hào)炮孔的對(duì)稱切縫處由于不存在阻力作用，爆炸產(chǎn)物直接作用于巖壁[13-15]，有利于形成規(guī)則槽腔；中間5、6號(hào)孔指向槽腔的切縫有利于破碎槽腔內(nèi)的巖石，降低大塊率。掏槽孔外側(cè)的切縫管和不耦合裝藥有利于降低爆炸能量對(duì)槽腔外側(cè)巖體的損傷破壞，進(jìn)而改善輔助孔的爆破效果。另外，不耦合裝藥在保證掏槽爆破效果的同時(shí)，還有利于降低掏槽孔爆破振動(dòng)對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物的危害。

2 掏槽爆破模型試驗(yàn)

2.1 水泥砂漿模型幾何參數(shù)

模型長(zhǎng)×寬×高為500 mm×500 mm×450 mm，用水、普通硅酸鹽32.5(R)水泥和細(xì)沙按一定配合比澆筑水泥砂漿模型，配合比及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型配合比及物理力學(xué)參數(shù)

2.2 掏槽爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)，分別進(jìn)行不同裝藥結(jié)構(gòu)、不同炮孔傾角的楔形掏槽爆破，每組試驗(yàn)在6個(gè)不同配合比的砂漿模型上展開。設(shè)計(jì)試驗(yàn)一：75°楔形炮孔，普通藥包；試驗(yàn)二：75°楔形炮孔，單層切縫藥包；試驗(yàn)三：80°楔形炮孔，單層切縫藥包；試驗(yàn)四：75°楔形炮孔，雙層切縫藥包。每組試驗(yàn)的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)炮孔參數(shù)：炮孔垂直深度150 mm、直徑18 mm，每個(gè)炮孔只裝1發(fā)8#電雷管起爆。炮孔參數(shù)見表2。

表2 炮孔參數(shù)

(2)切縫管尺寸參數(shù)：根據(jù)炮孔尺寸選擇外徑16 mm、內(nèi)徑15 mm、厚0.5 mm的PVC管制作雙向垂直切縫管及三向切縫管，放置位置如圖2(b)、圖2(c)所示。切縫長(zhǎng)×寬為70 mm×3 mm，切縫管尺寸如圖3所示。

圖3 切縫管尺寸(單位：mm)

2.3 掏槽爆破試驗(yàn)過程

(1)鉆孔：為了保證鉆孔的精度，設(shè)計(jì)了一個(gè)鉆孔角度控制器。

(2)邊界條件[7]：將砂漿模型裝入鋼箱，再用木條、鋼管及塑膠棒將模型四周楔緊，給模型施加一定的初始應(yīng)力。

(3)裝藥、堵塞、連線：將1發(fā)8#電雷管裝入切縫管中再裝入炮孔，裝前檢測(cè)雷管電阻確?？煽科鸨?，黃泥堵塞炮孔，所有雷管并聯(lián)起爆。爆后清除爆渣，并量測(cè)掏槽體積和深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)爆破后掏槽深度、槽腔體積和周圍裂紋數(shù)及大塊率等，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3.1 炮孔利用率

爆破后，測(cè)量槽腔深度，并計(jì)算炮孔利用率，由表3可知，各組試驗(yàn)平均炮孔利用率大小為：試驗(yàn)二>試驗(yàn)三>試驗(yàn)四>試驗(yàn)一。其中，各強(qiáng)度模型切縫藥包掏槽爆破炮孔利用率(除模型2)均高于普通掏槽爆破；且試驗(yàn)二、三、四中切縫藥包炮孔利用率均高于試驗(yàn)一普通掏槽爆破。以上分析表明切縫藥包掏槽爆破有助于提高炮孔利用率。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 掏槽體積

試驗(yàn)時(shí)，模型裝入鋼箱并覆蓋，能保證槽腔中爆渣不拋出，故用排水法測(cè)爆渣體積作為掏槽體積，由表3可知，各組試驗(yàn)平均掏槽體積：試驗(yàn)二>試驗(yàn)四>試驗(yàn)三>試驗(yàn)一。且采用切縫藥包裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)二、三、四相較于試驗(yàn)一普通掏槽爆破均較明顯地增大了掏槽體積。試驗(yàn)二(75°切縫藥包)除模型2和模型4外，在其余強(qiáng)度模型下掏槽體積均為該組模型最大值。試驗(yàn)三(80°切縫藥包)在各種強(qiáng)度下掏槽體積均較穩(wěn)定，各強(qiáng)度掏槽體積與平均掏槽體積最大誤差為9.6%，平均誤差為5%，應(yīng)用在巖性變化較大的巖巷中，可得到較好的掏槽效果。

3.3 大塊率

對(duì)槽腔內(nèi)的碎塊塊度進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)大于5 cm不同分段尺寸塊度的數(shù)量。小于5 cm碎塊均較粉碎且所占體積較小，故不考慮。定義最長(zhǎng)邊大于10 cm以上的塊度為大塊，大塊率=大于10 cm塊數(shù)/大于5 cm塊數(shù)×100%，各組試驗(yàn)各種強(qiáng)度模型計(jì)算的大塊率見表4。

表4 試驗(yàn)大塊率

由表4可知，各組試驗(yàn)平均大塊率：試驗(yàn)三<試驗(yàn)二<試驗(yàn)四<試驗(yàn)一。其中試驗(yàn)三80°切縫藥包掏槽平均大塊率最低為19.1%，略低于試驗(yàn)二75°切縫藥包掏槽平均大塊率19.4%，試驗(yàn)一普通掏槽大塊率最高為35.7%。采用切縫藥包的3組試驗(yàn)大塊率相差較小，與試驗(yàn)一相比均顯著降低了大塊率。

3.4 模型強(qiáng)度與掏槽效果分析

從表3可知：①模型1、模型5在試驗(yàn)二時(shí)掏槽體積和炮孔利用率最大；②模型2在試驗(yàn)四時(shí)掏槽體積和炮孔利用率最大；③模型3在試驗(yàn)二、四時(shí)掏槽體積相差較小，且試驗(yàn)四時(shí)炮孔利用率最大；④模型4在試驗(yàn)三時(shí)掏槽體積最大，且炮孔利用率與最大值相差較?。虎菽Ｐ?在試驗(yàn)一、二時(shí)掏槽體積最大，且試驗(yàn)二時(shí)炮孔利用率較高。

由表1可知，各組模型抗壓強(qiáng)度由大到小，根據(jù)以上分析可得到與不同強(qiáng)度的砂漿模型最佳匹配的掏槽方式，見表5。

表5 不同強(qiáng)度模型最優(yōu)掏槽方式

4 結(jié) 論

(1)切縫藥包楔形掏槽爆破均提高了炮孔利用率、增大了槽腔體積及降低了掏槽碎塊的大塊率。

(2)通過對(duì)掏槽體積和炮孔利用率的分析，得到了不同強(qiáng)度介質(zhì)模型最優(yōu)的掏槽方式。

(3)80°切縫藥包楔形掏槽爆破在不同強(qiáng)度模型下炮孔利用率、掏槽體積及大塊率均相差較小，若用于巖性變化較大的巖巷中，可得到較好的掏槽效果。

(4)利用PVC管制成的切縫管有助于爆炸能量的充分利用，切縫藥包有利于克服巖石的夾制作用，該方法應(yīng)用于掏槽爆破是可行的。

試驗(yàn)均在水泥砂漿模型上展開，試驗(yàn)結(jié)果有待于進(jìn)一步應(yīng)用驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Model Experiment and Analysis of Wedge-Shaped Cutting Blasting with Cutting Seam Cartridge in Rock Tunnel

Liao Tao1,2Pu Chuanjin1,2Wang Junqing1,2Jiang Rui1,2Yang Xin1,2Chen Xuefeng1,2

(1.SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China；2.Non-CoalMineSafetyTechnologyKeyLaboratoryofSichuanProvinceCollegesandUniversities，Mianyang621010，China)

In order to explore the rational cutting method to improve the poor cutting and the low blasthole utilization in rock tunnel，the experimental study of wedge-shaped cutting blasting with cutting seam cartridge based on cement mortar model is conducted.A total of four sets of comparative tests are designed，and each set of test start on six cement mortar model with different intensity.One model has six blasthole，and each blasthole is charged one No.8 detonator into it.The results show that the structure of cutting seam cartridge improves the utilization ratio of blast holes，increases the cutting cavity volume and reduces the boulder yield of cutting rock fragment.The optimal cutting method for different intensity model is obtained，among，the 80° wedge-shaped cutting blasting with cutting seam cartridge has small change in different intensity of model on blasthole utilization，cutting cavity volume and the rate of chunks of cutting rock fragment.A good cutting effect can be obtained when it is used into rock tunnel with large lithology changing.The wedge-shaped cutting blasting with cutting seam cartridge can guide the direction of energy，and achieve crack growth directionally and improves cutting effect of cutting seam.

Cutting seam，Cartridge wedge-shaped cutting，Blasthole utilization，Model experiment

2014-10-30

西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào)：14ycx047)。

廖 濤(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 蒲傳金(1979—)，男，副教授。

TD236

A

1001-1250(2015)-02-040-05