新型聚能管在邊坡預裂爆破中的研究與應用*

林 飛

(中煤科工集團 淮北爆破技術研究院有限公司，淮北 235000)

巖體開挖爆破工程中既要保證開挖巖體充分破碎，更要確保被保護巖體的破壞程度最小[1]。邊坡的穩(wěn)定性一直是困擾露天開挖工程的一個重要問題，爆破危害是影響邊坡穩(wěn)定的一個主要原因[2]。我國的許多礦山、道路邊坡采用普通預裂(光面)爆破技術[3]，靠幫爆破后，對邊坡造成不同程度的損傷，在被保護一側的巖體側壁形成許多微裂紋；爆破產生的振動使得先前爆破形成的微裂紋不斷發(fā)展，隨著時間推移，巖體發(fā)生松動破裂，造成邊坡坍塌[4]。永嘉縣垃圾焚燒發(fā)電廠邊坡工程中采用的新型聚能預裂爆破技術，提高了邊坡一次成型效果，提高了炸藥能量利用率和眼痕率、減小了主爆區(qū)對邊坡巖體的震動危害。

1 工程概況

工程位于浙江省溫州市永嘉縣綠色動力再生能源有限公司廠區(qū)東側及北側，由于公司提升改造，進行廠區(qū)擴建，需將廠區(qū)東側及北側部分山體進行開挖清除。

開挖山體周邊環(huán)境復雜，距待爆山體北側15 m處為永嘉縣垃圾焚燒發(fā)電廠廠房、棧橋和油庫(爆破施工前移除)，距待爆山體東北側72 m處為廠房和排水渠道，廠房地下有部分預埋工業(yè)水管，距待爆山體西側63 m和98 m處為虹三線縣道和S26諸永高速公路，距待爆山體西南側22 m處為公司辦公大樓，距待爆山體南側9 m處為工程項目部辦公樓，如圖1。

場平工程中存在大量邊坡坡面開挖，開挖山體主要由上侏羅統(tǒng)九里坪組(J3j)強-微風化含角礫晶屑熔結凝灰?guī)r組成，地質條件復雜，成型困難，最大開挖邊坡走向長度330 m，最大坡長12.5 m，開挖坡比1∶0.3～1∶1，對開挖面要求高于規(guī)范要求。邊坡橫、縱斷面設計如圖2和圖3所示。

2 新型聚能管設計及現場試驗

2.1 新型聚能管設計

聚能效應原理：聚能藥包爆炸后，爆轟產物沿近似垂直于藥柱表面方向擴散，由于聚能穴的作用，爆轟產物先向空穴軸線位置聚集，形成一股高壓、高速、高密度的爆轟產物，即聚能氣流[5]。由于聚能氣流的高能量密度效應[6]，使炸藥的做功效率提高。

聚能氣流對孔壁做功，在聚能管聚能穴方向產生較大裂縫，炸藥爆炸產生的壓縮波、反射波對孔壁裂縫保持持續(xù)的壓力破壞，爆炸產生的爆生氣體持續(xù)反復地在炮孔內做功，滲入裂縫中，使聚能槽產生的裂縫持續(xù)擴大，進而形成更大更長的裂縫[7]。根據這一原理，設計了一種聚能管，在管內裝入乳化炸藥，聚能管的基本結構為圓筒形，聚能管的對稱兩側制作相同尺寸的聚能穴。

聚能管采用抗靜電阻燃的PVC材料，橫截面成雙弧形軸對稱結構，炮孔內不耦合式裝藥，聚能管直徑長40 mm，聚能管槽內角距離32.2 mm，壁厚3.5 mm，聚能管外角度56°，聚能管長2000 mm，距離管兩端80 mm處分別設計直徑為4 mm的套管孔，聚能管在炮孔內通過套管孔連接固定，管壁外側間隔敷設25 mm的泡沫使聚能管在炮孔內處于置中狀態(tài)，如圖4所示。

2.2 現場試驗

根據永嘉縣垃圾焚燒發(fā)電廠邊坡工程現場實際情況，爆破試驗的部位選定在四級邊坡位置，該部位為弱風化巖石，邊坡預裂爆破區(qū)域寬闊，邊坡坡面較長，有利于進行分區(qū)分塊多組試驗和觀測邊坡預裂爆破效果。

永嘉縣垃圾焚燒發(fā)電廠邊坡預裂爆破是采用φ90潛孔鉆機按爆破設計鉆出預裂炮孔，然后間隔裝藥進行預裂爆破，同時做好爆破后預裂縫的觀測以及半孔率的計算，爆破參數如表1所示。

表1 傳統(tǒng)預裂爆破爆破參數Table 1 Blasting parameters of traditional presplitting blasting

使用新型聚能管進行預裂爆破時，首先在新型聚能管外側安裝置中泡沫，將藥卷與導爆索貼緊后裝入聚能管，使炸藥在聚能管中保持為耦合狀態(tài)，然后通過套管將聚能管連接，依次送入炮孔，最后聚能管上端套管孔加設對中裝置，將聚能管的聚能穴方向與邊坡方向平行，并與相鄰炮孔聚能穴中心保持在一條直線上[8]，現場爆破試驗如圖5所示。

為和傳統(tǒng)預裂爆破形成對比，聚能管炮孔深度、孔徑、炮孔角度等參數與傳統(tǒng)預裂爆破鉆孔參數相同，最后進行預裂爆破，同時做好爆破后預裂縫的觀測以及半孔率的計算，爆破參數如表2所示。

表2 采用新型聚能管的邊坡預裂爆破參數Table 2 Presplitting blasting parameters of slope using the new shaped energy gathering tube

2.3 試驗結果對比及分析

邊坡預裂爆破的效果主要從預裂縫的成縫效果和開挖之后邊坡的平整度和半孔率等方面進行評價[9]。通過多次爆破試驗，相同地質條件，采用新型聚能管的預裂爆破與傳統(tǒng)預裂爆破的爆破效果對比如下。

2.3.1 邊坡及預裂縫成縫效果

采用新型聚能管的預裂爆破和傳統(tǒng)預裂爆破成縫效果如圖6和圖7所示，傳統(tǒng)預裂爆破預裂縫過大，對預裂炮孔頂部巖體的造成了一定的破壞，這是由爆破漏斗引起的，開挖后邊坡出現了垮塌、溜肩現象。采用新型聚能管的預裂爆破，預裂縫沿炮孔中心線貫穿，預裂縫寬度為8 mm左右，符合《GB50201—2012土方與爆破工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定的正常尺寸標準；邊坡開挖后，未出現邊坡垮落、溜肩現象，說明采用新型聚能管的預裂爆破對預留巖體破壞作用小，有利于邊坡工程中窄馬道的保留。

2.3.2 邊坡坡面的平整度和半孔率

從邊坡坡面平整度來看，其平整度均小于《GB50201—2012土方與爆破工程施工及驗收規(guī)范》中規(guī)定的15 cm限值[10，11]，符合驗收規(guī)范要求；通過比較，采用新型聚能管的預裂爆破邊坡平整度要優(yōu)于傳統(tǒng)預裂邊坡，坡面更平順，可活動碎石較少，如圖8和圖9所示。

坡面半孔率采用《GB50201—2012土方與爆破工程施工及驗收規(guī)范》的計算公式

(1)

式中：l0為檢驗區(qū)域殘留炮孔長度總和；L0為檢驗區(qū)域預裂炮孔長度總和。

通過計算傳統(tǒng)預裂爆破后的邊坡半孔率η1=48%，采用新型聚能管的預裂爆破后的邊坡η2=85%，采用新型聚能管的預裂爆破邊坡半孔率遠高于傳統(tǒng)預裂爆破。

通過試驗對比，在相同邊坡預裂長度的前提下，采用新型聚能管的預裂爆破，增大邊坡預裂孔孔距增大，降低單孔藥量，降低了邊坡施工成本，取得了優(yōu)于傳統(tǒng)預裂的爆破效果。邊坡平整度和半孔率成果如表3所示。

表3 邊坡平整度和半孔率成果表Table 3 Formula of slope flatness and half porosity

3 結語

采用新型聚能預裂爆破技術對永嘉縣垃圾焚燒發(fā)電廠邊坡工程進行預裂爆破對比試驗，獲得如下結論：

(1)依據聚能原理設計的新型聚能管能夠控制炸藥能量作用于預裂縫方向，采用新型聚能管裝藥，在減少鉆孔數量和炸藥使用量的同時達到了更好的預裂爆破效果。

(2)由于新型聚能管裝藥作用效應的方向性，爆破后預裂縫沿炮孔中線貫穿、裂縫小且坡面更平順、可活動巖石較小，成縫效果好，能夠成倍提高半孔率。

(3)新型聚能管的使用能夠有效地降低邊坡施工成本，經濟效益顯著，可以將此技術推廣到其他工程應用。