復(fù)雜含水巖體預(yù)裂爆破參數(shù)試驗(yàn)研究

劉為洲

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000）

露天礦山穿孔爆破時(shí)，炸藥能量控制及巖體性質(zhì)是影響爆破效果優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。預(yù)裂爆破技術(shù)通過減小孔徑、裝藥量，實(shí)施不耦合裝藥、徑向間隔裝藥等炸藥能量控制手段，在常規(guī)露天邊坡控制方面得到了普遍應(yīng)用［1-5］，但對于含水破碎巖體難以取得很好的爆破效果，易于產(chǎn)生傘巖、根底，且半壁孔率低，預(yù)留坡面超挖欠挖嚴(yán)重等［6-8］。因此，開展含水裂隙發(fā)育圍巖預(yù)裂爆破技術(shù)研究，對于提高邊坡穩(wěn)定性、保障安全生產(chǎn)具有重要意義。

在露天邊坡預(yù)裂爆破工程領(lǐng)域，不少科技人員通過理論分析、試驗(yàn)研究等手段開展了大量研究工作［9-12］。朱志武等［13］開展了水孔預(yù)裂爆破成縫機(jī)理分析，但未推導(dǎo)出含水炮孔理論孔距的計(jì)算公式；武海軍等［14］采用混凝土模型開展了相關(guān)預(yù)裂爆破試驗(yàn)，但未開展現(xiàn)場爆破試驗(yàn)?，F(xiàn)階段，現(xiàn)有成果大多局限于某一個(gè)方面進(jìn)行討論，并且在含水裂隙發(fā)育破碎巖體方面的實(shí)踐尚不充分。本研究以我國北方某露天大型鐵礦為背景，以提高含水巖層節(jié)理裂隙發(fā)育巖體的預(yù)裂爆破質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，開展了空氣和水介質(zhì)預(yù)裂爆破孔壁壓力和孔距計(jì)算公式推演，通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，為礦山含水破碎巖體邊坡控制提供關(guān)鍵預(yù)裂爆破參數(shù)。

1 工程概況

某露天鐵礦是一座大型露天礦山，具有儲(chǔ)量大、埋藏淺等特點(diǎn)。由于混合巖化作用和地表的強(qiáng)風(fēng)化作用，邊坡巖體不但節(jié)理裂隙很發(fā)育，而且有多條斷層和破碎帶，屬于多裂隙軟巖和破碎型巖體，主要為混合巖和片麻巖，其抗壓強(qiáng)度分別為50～60 MPa和50～80 MPa。礦山前期進(jìn)行過預(yù)裂爆破試驗(yàn)，在節(jié)理裂隙不發(fā)育區(qū)域硬巖中效果較好，但在裂隙發(fā)育區(qū)域未能取得較好的邊坡控制效果，對于含水破碎巖體的預(yù)裂爆破效果更差。

2 預(yù)裂爆破參數(shù)計(jì)算

如何確定合理的預(yù)裂孔孔距、線裝藥密度、不耦合系數(shù)等參數(shù)是取得較好預(yù)裂爆破效果的關(guān)鍵［15］。同時(shí)，需要綜合考慮緩沖孔孔底距、藥量、巖體力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地質(zhì)構(gòu)造等。本研究依據(jù)預(yù)裂爆破機(jī)理和炸藥爆轟理論，推演出預(yù)裂孔孔壁爆炸氣體壓力計(jì)算公式以及孔壁壓力與不耦合系數(shù)的關(guān)系，為含水破碎巖體邊坡控制提供可靠依據(jù)。

2.1 空氣介質(zhì)預(yù)裂孔孔壁壓力計(jì)算公式

根據(jù)炸藥爆轟C-J理論［16］，炸藥爆炸時(shí)爆炸氣體的初始平均壓力P0為

式中，P0為爆生氣體的初始平均壓力，MPa；ρe為炸藥密度，kg/m3；D為炸藥爆速，m/s；k為炸藥絕熱等熵指數(shù)，通常取3。

對于空氣不耦合預(yù)裂爆破，當(dāng)爆生氣體膨脹瞬時(shí)壓力P小于臨界壓力PL（通常取200 MPa）時(shí)，爆生氣體在孔內(nèi)膨脹時(shí)存在以下關(guān)系：

式中，V為爆生氣體膨脹的瞬時(shí)體積，m3。

當(dāng)炸藥爆炸后，爆生氣體膨脹過程中，伴隨著氣體體積和壓力的變化。假設(shè)爆生氣體膨脹至孔壁時(shí)的壓力為P1，并設(shè)當(dāng)氣體壓力為P1（膨脹至炮孔壁時(shí)的壓力）、PL（臨界壓力）、P0（初始?jí)毫Γr(shí)，相對應(yīng)的氣體體積分別為V炮、VL、Ve，其中，V炮為炮孔體積，Ve為炸藥體積，則根據(jù)式（2）可得

式中，γ為空氣絕熱等熵指數(shù)，取1.3。

設(shè)炮孔的體積裝藥密度為qv（單位體積的裝藥量），則有下式成立：

式中，ρe為炸藥密度，kg/m3。

根據(jù)式（5）和式（3），可得

對于不耦合裝藥，考慮到孔口余高段與孔底加強(qiáng)裝藥段長度基本一致，故將裝藥長度l與炮孔長度L等量簡化，則有l(wèi)=L，設(shè)當(dāng)量不耦合系數(shù)為Kd，有下式成立：

式中，de為等效連續(xù)裝藥炸藥直徑，cm；db為預(yù)裂孔直徑，cm；Kd=dbde；ρe為炸藥密度，1 150 kg/m3。

在空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中，爆轟產(chǎn)物在炮孔內(nèi)等熵膨脹，膨脹初始?jí)毫槠骄Z壓力；同時(shí)氣體與孔壁碰撞時(shí)壓力增大，作用在孔壁上的綜合壓力PΔ為

式中，Cf為空氣沖擊波碰撞壓力增壓系數(shù)，取1.2～1.3。

綜合以上分析，可以得到空氣不耦合裝藥時(shí)孔壁綜合壓力計(jì)算的簡化公式為

2.2 含水預(yù)裂炮孔孔壁壓力計(jì)算

對于含水預(yù)裂爆破，炸藥被周圍的水包圍，可認(rèn)為炸藥和水是完全耦合接觸。為此，可以近似認(rèn)為水中的沖擊波是炸藥爆轟波中的透射波。炸藥爆轟波陣面上的壓力（Pe）與水中的壓力（Pw）的關(guān)系由阻抗失配方程［11］給出：

式中，Pe為炸藥爆轟波陣面上的壓力；Kt為壓力透射系數(shù)。兩者可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，D為炸藥爆速，3 500 m/s；ρw為水的密度，1 000 kg/m3；Cw為爆轟波在水中的傳播速度，1 500 m/s。

炮孔中心壓力（Pb）與絕熱壓力（P3）有關(guān)，本研究忽略炮孔內(nèi)水的體積壓縮，則有：

式中，P3為絕熱壓力，存在關(guān)系式P3≈ 0.5Pe；LΔ為炸藥體積與炮孔體積比值，LΔ=1 K2d。

由此可得炮孔水中的初始?jí)毫?/p>

式中，Pw'為炮孔水中的初始?jí)毫Γ琈Pa。

隨著應(yīng)力波能量衰減，到達(dá)炮孔壁處的波陣面壓力往往低于初始?jí)毫Α９ㄒ蛟囼?yàn)研究表明：對于柱面波，其波陣面壓力隨著距離增加的衰減關(guān)系可表示為

參照J(rèn).Henrych關(guān)于可壓縮流體在直通道中波陣面壓力隨距離增加的衰減公式［17］，可以得到水中波陣面壓力隨比爆心距增加的衰減公式為

當(dāng)r0=0.5db時(shí)，可得水介質(zhì)不耦合裝藥爆破時(shí)炮孔壁上的初始?jí)毫?/p>

2.3 不同介質(zhì)合理當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd確定

根據(jù)式（9）和（16），可以得出不同耦合系數(shù)下的預(yù)裂孔壁壓力曲線，如圖1所示。

由圖1可知：預(yù)裂孔孔壁壓力P與當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd呈負(fù)指數(shù)關(guān)系；隨著當(dāng)量不耦合系數(shù)的增加，孔壁壓力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且當(dāng)量不耦合系數(shù)越小，孔壁壓力降低速度越大；當(dāng)量不耦合系數(shù)越大，孔壁壓力降低速度越小。在當(dāng)量不耦合系數(shù)相同時(shí)，水介質(zhì)孔壁壓力皆大于空氣介質(zhì)的孔壁壓力；當(dāng)量不耦合系數(shù)為3～5時(shí)，水介質(zhì)孔壁壓力約為空氣介質(zhì)時(shí)孔壁壓力的1.1倍。

合理的孔壁壓力是形成半壁孔的關(guān)鍵，不宜過大也不宜過小?？妆趬毫^大，甚至大于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度時(shí)，容易壓碎炮孔孔壁；反之，孔壁壓力過小，直至小于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，則無法形成預(yù)裂縫。因此，應(yīng)根據(jù)巖體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度參數(shù)，選擇合理的孔壁壓力和當(dāng)量不耦合系數(shù)。

2.4 預(yù)裂孔孔距

對于預(yù)裂爆破，應(yīng)力波的徑向衰減規(guī)律可表示為

式中：Pbe為預(yù)裂孔孔壁外某點(diǎn)的應(yīng)力，MPa；Pc為預(yù)裂孔孔壁上的應(yīng)力，MPa；Rˉ為比例系數(shù)，R—=2r db；r為應(yīng)力波傳播半徑，m；m為應(yīng)力波衰減系數(shù)，1.42。

若在相鄰兩個(gè)預(yù)裂孔連線上拉開預(yù)裂縫，預(yù)裂孔孔壁上在預(yù)裂面法向方向上的應(yīng)力σ須不小于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度σt，即：

故預(yù)裂孔孔距S為

3 有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為研究水介質(zhì)在預(yù)裂爆破成縫中的作用，設(shè)計(jì)了空氣介質(zhì)、水介質(zhì)的單孔和雙孔爆破試驗(yàn)，主要包括PMMA試塊和藥包。PMMA在爆炸荷載下爆生裂紋的開裂擴(kuò)展特性與均質(zhì)巖石材料相似，裂紋擴(kuò)展軌跡較平直，且動(dòng)態(tài)斷裂強(qiáng)度因子與加載率存在較強(qiáng)的依賴性，可視為類巖石材料。

3.1.1 試塊模型

本研究單孔試驗(yàn)試塊尺寸（長×寬×高）為100 mm×100 mm×70 mm，中間留有鉆孔，孔徑18 mm，見圖2；雙孔試塊尺寸（長×寬×高）為120 mm×100mm×70 mm，沿長邊中線對稱布置雙孔，孔徑18 mm，孔距50 mm，見圖3。

3.1.2 藥包裝藥結(jié)構(gòu)

采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，在內(nèi)徑φ3.0 mm的塑料管內(nèi)裝黑索金炸藥作為起爆藥包，炸藥密度為1.03 g/cm3，普通雷管起爆。裝藥結(jié)構(gòu)見圖4和圖5。在模型干孔底部采用炮泥封堵，水孔底部采用橡膠棒封堵并用膠水粘牢。模型上部采用塑料板隔離，同時(shí)兼有堵塞孔口的作用。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 相同藥量條件下的單孔試驗(yàn)

當(dāng)單孔藥量相同時(shí)，開展水介質(zhì)和空氣介質(zhì)有機(jī)玻璃試塊爆破對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

注：水介質(zhì)模型Ⅰ-4、Ⅰ-6，爆破后裂成4塊和2塊。

由表1可知：空氣介質(zhì)爆破的有機(jī)玻璃試件裂隙長度僅為3.5～3.6cm，水介質(zhì)有機(jī)玻璃試件卻完全裂成2～4塊，進(jìn)一步說明了水介質(zhì)爆破炸藥能量利用率明顯高于空氣介質(zhì)。

3.2.2 不同藥量條件下的單孔試驗(yàn)

本研究開展了不同藥量下水介質(zhì)和空氣介質(zhì)單孔試件爆破對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖6及圖7所示。

上述分析表明：在裝藥量不同的條件下，水介質(zhì)模型Ⅰ-7徑向裂隙的長度為2.98 cm，而空氣介質(zhì)模型Ⅰ-9徑向裂隙的長度為1.90 cm，前者的徑向裂隙長度約為后者的1.56倍。

3.2.3 雙孔試驗(yàn)

本研究開展了相同藥量下的水介質(zhì)和空氣介質(zhì)有機(jī)玻璃試件雙孔爆破試驗(yàn)，比較空氣介質(zhì)爆破和水介質(zhì)試件爆破效果，對比有機(jī)玻璃試件上裂隙擴(kuò)展和試件開裂情況。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖8及圖9所示。

空氣介質(zhì)Ⅱ-2模型爆破后未在兩孔中心線方向裂開，兩孔連線方向上也未見明顯裂隙，僅在孔壁周邊形成很短的徑向裂隙。水介質(zhì)模型Ⅱ-1、Ⅱ-5爆破后在兩孔連線方向上完全裂開。Ⅱ-1和Ⅱ-5模型的藥量相同，兩孔連線方向均裂為兩半，說明重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果具有明顯的一致性。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）單孔和雙孔爆破試驗(yàn)表明，在相同裝藥量條件下，水介質(zhì)比空氣介質(zhì)具有更強(qiáng)的傳遞爆炸壓力的能力，水介質(zhì)炸藥能量利用率更高，水介質(zhì)爆破對試塊的破壞程度明顯大于空氣介質(zhì)。

（2）水介質(zhì)爆破作用在孔壁上的壓力相對均勻。因此，在相同巖性及節(jié)理裂隙發(fā)育情況下開展預(yù)裂爆破時(shí)，若要取得同等爆破效果，水孔的線裝藥密度應(yīng)小于干孔的線裝藥密度，并適當(dāng)減小孔距。

4 預(yù)裂爆破現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)選擇

4.1.1 試驗(yàn)區(qū)域巖石力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值見表4。本研究試驗(yàn)采用乳化炸藥，爆速為3 500 m/s，密度為1.15 g/cm3。

4.1.2 預(yù)裂孔孔徑及傾角

試驗(yàn)采用潛孔鉆機(jī)穿孔，預(yù)裂孔孔徑115 mm，傾角65°。

4.1.3 預(yù)裂爆破試驗(yàn)孔超深

孔深l與臺(tái)階高度的幾何關(guān)系可表示為

式中，H為臺(tái)階高度，12 m；α為鉆孔傾角，65°；h為超深，取1 m。經(jīng)計(jì)算，l=14.2 m。

主爆區(qū)采用孔徑為250 mm的垂直孔，孔深為13.5～14 m，其中超深為1.5～2 m。緩沖孔、輔助緩沖孔均為垂直孔，孔徑250mm。預(yù)裂孔、緩沖孔和輔助緩沖孔布置見圖10。

輔助緩沖孔孔深5～6 m，孔距4～5 m，裝藥量70 kg；與預(yù)裂孔之間的孔底距為1.0～2.0 m，節(jié)理裂隙發(fā)育及軟巖時(shí)取大值，硬巖，則取小值。緩沖孔采用分段裝藥，單孔炸藥量為正?？椎?0%；與預(yù)裂孔之間的孔底距為1.5～2.5 m。

4.1.4 當(dāng)量不耦合系數(shù)

為保證預(yù)裂爆破孔壁不出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，預(yù)裂孔孔壁壓力應(yīng)小于巖石的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，同時(shí)孔壁周邊的壓力還應(yīng)大于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，預(yù)裂孔炮孔周圍才能形成一定數(shù)量的微小裂紋，預(yù)裂孔連線方向才能形成預(yù)裂縫。預(yù)裂爆破當(dāng)量不耦合系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為［18］

式中，σ壓為巖石的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa。

計(jì)算得出：片麻巖的當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd為4.5，混合巖的當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd為4.2。

4.1.5 預(yù)裂孔孔距

考慮到巖石試樣與巖體強(qiáng)度參數(shù)的差異性，且試驗(yàn)區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度參數(shù)取值受節(jié)理裂隙影響較大，故綜合考慮采用抗拉動(dòng)載系數(shù)1.8計(jì)算巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，根據(jù)式（19）、式（20）計(jì)算可得理論上的預(yù)裂炮孔間距S，結(jié)果見表5。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)及結(jié)果分析

現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)巖性為片麻巖和混合巖，其中片麻巖整體性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，而且存在較大的裂隙與弱面，巖層富水性較強(qiáng)，孔內(nèi)水深達(dá)到10m，局部甚至為滿孔水。礦山前期開展過該區(qū)域的預(yù)裂爆破試驗(yàn)，但因參數(shù)不合理，未能形成較好的預(yù)裂面。本研究在節(jié)理裂隙區(qū)共進(jìn)行了10次現(xiàn)場試驗(yàn)，其中干孔和水孔預(yù)裂爆破試驗(yàn)各5次。同一次試驗(yàn)中，劃分為不同預(yù)裂孔孔距區(qū)域，進(jìn)行對比試驗(yàn)。根據(jù)公式計(jì)算出不同巖性和介質(zhì)下的理論孔距，而后通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整確定合理的參數(shù)?？紤]到礦山巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，應(yīng)適當(dāng)降低預(yù)裂孔孔距，試驗(yàn)中孔距分別為1.0，1.1，1.2，1.3 m。

試驗(yàn)中輔助緩沖孔、緩沖孔裝藥量及孔底距等取值均相同。普通試驗(yàn)采用直徑32 mm、長0.2 m的乳化炸藥藥卷，單支質(zhì)量為0.2 kg；軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場預(yù)裂爆破試驗(yàn)參數(shù)取值見表6，現(xiàn)場爆破效果見圖11和圖12。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在空氣介質(zhì)混合巖區(qū)域，合理預(yù)裂孔孔距為1.2～1.3 m，線裝藥密度為0.9～1.1 kg/m，爆破半壁孔率達(dá)70%以上；而在水介質(zhì)混合巖區(qū)域，合理預(yù)裂孔孔距為1.2～1.3 m，線裝藥密度為0.9～1.0 kg/m，半壁孔率達(dá)到80%。在空氣介質(zhì)片麻巖裂隙發(fā)育區(qū)，合理預(yù)裂爆孔距為1.2～1.3 m，線裝藥密度為1.0 kg/m，半壁孔率達(dá)65%以上；而在水介質(zhì)片麻巖區(qū)，合理預(yù)裂孔距為1.0～1.2 m，線裝藥密度為0.9 kg/m，半壁孔率達(dá)到80%。當(dāng)兩種巖性的預(yù)裂孔孔距大于1.3 m時(shí)，干孔和水孔預(yù)裂爆破皆易產(chǎn)生傘巖、根底，半壁孔率較低，爆破效果差。由于水孔內(nèi)節(jié)理裂隙更發(fā)育，其巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相應(yīng)較低，應(yīng)增大不耦合系數(shù)，減小預(yù)裂孔孔壁壓力。研究表明，在取得相同預(yù)裂爆破效果的情況下，水孔預(yù)裂爆破孔距比干孔預(yù)裂孔距減小約10%，線裝藥密度相應(yīng)減少10%～15%。

5 結(jié)論

（1）針對露天礦山含水圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育地段預(yù)裂爆破效果差、半壁孔率低及坡面不平整等難題，推導(dǎo)了空氣介質(zhì)和水介質(zhì)不耦合裝藥下孔壁壓力的簡化計(jì)算公式，并計(jì)算得出了孔壁壓力與當(dāng)量不耦合系數(shù)之間的關(guān)系曲線，得到了空氣介質(zhì)和水介質(zhì)預(yù)裂爆破孔距的理論計(jì)算公式。

（2）在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)預(yù)裂爆破理論分析的基礎(chǔ)上，開展了兩種介質(zhì)的有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水介質(zhì)爆破的炸藥能量利用率更高，比空氣介質(zhì)有更強(qiáng)的傳遞爆炸壓力的能力，且對試塊的破壞程度明顯大于空氣介質(zhì)。

（3）通過現(xiàn)場預(yù)裂爆破對比試驗(yàn)，得出兩種巖性分別在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)下的合理預(yù)裂爆破參數(shù)。在取得相同爆破效果的前提下，水孔預(yù)裂爆破孔距比干孔預(yù)裂孔距減小約10%，線裝藥密度相應(yīng)減少10%～15%，對于類似礦山邊坡穩(wěn)定性控制具有一定的借鑒意義。