互層巖體臺階爆破主控巖層的判別方法

管偉明，南森林，齊 琦，張軍輝

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830000； 2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳采礦與地質(zhì)工程教學示范中心，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆煤炭資源豐富，但在賦存條件稟異，復雜互層狀態(tài)的覆巖在準東、烏魯木齊等諸多大型露天開采礦區(qū)出現(xiàn)頻繁，在爆破過程中由于互層巖體各巖層的力學差異性較大，致使爆破能量分布不均，進而產(chǎn)生根底不平、大塊、飛石等影響爆破效果和生產(chǎn)安全的問題出現(xiàn)[1-3]。

國內(nèi)外針對層狀巖體的爆破技術及機理研究較早，ASH[4]最先闡明了層狀巖體在爆炸應力波的作用下裂隙的發(fā)育方式，他指出層狀巖體中的裂隙不單沿原始結(jié)構面延展還能向自由面方向新生；MARGOLIN[5]在此基礎上以油頁巖為研究對象給出了具體的裂縫延展方向的判據(jù)及長度的計算方法；OZCELIK[6]進一步細致研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構面內(nèi)的充填物會大幅影響應力波的衰減速度，由此也證明了軟弱夾層是影響應力波分布的重要因素。我國學者王玉杰等[7]和李夕兵[8]揭示了爆破應力波在在不同巖層交界面處發(fā)生透射、反射等物理現(xiàn)象的機理，奠定了互層巖體爆破技術研究的理論基礎；郝亞飛[9]在上述理論基礎上在實驗室內(nèi)針對含軟弱夾層順層巖體進行了不同裝藥結(jié)構的模擬研究，發(fā)現(xiàn)裝藥位置距離軟弱夾層越遠，巖體的順層滑動效應越??；韓新平等[10]通過現(xiàn)場試驗進一步分析得出藥包與軟弱夾層的間距是影響含有軟弱夾層巖體臺階爆破效果最重要的因素。

通過國內(nèi)外學者的大量研究可見，造成互層巖體爆破效果不佳的主要原因是由于在互層巖體中的軟弱夾層改變了爆炸應力波的傳播路徑，能量在軟弱層處作用過多使得此處巖層產(chǎn)生了過粉碎及飛石等問題，而硬巖處應力波未能充分作用而產(chǎn)生大塊、根底等問題。現(xiàn)有的研究也證明解決上述問題的最佳方法是改變炮孔內(nèi)的裝藥結(jié)構，采用炸藥線密度差異或間隔裝藥等方法減少主控巖層的影響，這些方法的應用中最為關鍵的是需要準確把握爆破臺階內(nèi)互層巖體的整體及局部工程地質(zhì)特性，然后才可據(jù)此設計具體的爆破參數(shù)。然而在實際的施工過程中常常會遇到含有一層或多層力學性質(zhì)及層厚相差不大的復雜互層巖體，很難確定巖層中主控巖層的位置，且由于巖層具有一定的傾角隨著工作面的推進，主控巖層的位置也在不斷地發(fā)生變化，因此急需一種能夠快速準確找出主控巖層位置及估算整體單耗的爆破工程地質(zhì)分類方法。

針對上述問題，本文在前人的研究基礎上擬從互層巖體臺階爆破能量分布特征著手，通過分析主控巖層對最小抵抗線的改變機理，闡明應力波傳遞方向改變的根本原因，并結(jié)合波阻抗匹配原理，構建一種考慮臺階整體單耗及各巖層局部能耗分布特征的分級方法，為互層巖體臺階爆破設計提供科學依據(jù)。

1 主控巖層對炸藥能量分布特征的影響機理

為了探明互層巖體中主控巖層對炸藥能量分布的影響規(guī)律，根據(jù)爆破設計手冊設計了如圖1所示的10 m臺階模型，模型自上而下分為4層，其中主控巖層為軟弱的煤頁巖，各巖層的力學參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

針對該模型采用了連續(xù)裝藥和間隔裝藥兩種裝藥結(jié)構進行對比分析，如圖2(a)和圖2(b)分別為連續(xù)裝藥和間隔裝藥時爆破后速度場分布情況，其中箭頭代表質(zhì)點的運動方向。從速度在各層的分布來看，連續(xù)裝藥時軟弱夾層處的速度很大，而其他巖層處的速度卻很小，不同巖層的質(zhì)點速度差異很大；間隔裝藥時，質(zhì)點速度沒有呈現(xiàn)分層性，各層速度整體相差不大。

圖2 不同裝藥結(jié)構巖體質(zhì)點速度場分布特征Fig.2 Particle velocity field in rock mass with different charging structures

圖3 最小抵抗線原理Fig.3 Principle of minimum resistance line

藥柱中心位置到自由面的最短距離稱為最小抵抗線，炸藥能量首先會沿著該方向傳播，但互層巖體臺階爆破最顯著的特點是臺階內(nèi)各巖層工程特性差異較大，在此條件下爆炸應力波并非完全按最小抵抗線方向傳播，這使得最終的爆破效果偏離了設計需求。應力波在不同介質(zhì)的界面處會發(fā)生反射和透射，當主控巖層的波阻抗較小時，相當于在臺階內(nèi)形成了一個弱自由面，因此，會影響到臺階內(nèi)最小抵抗線的方向。如圖3所示，在連續(xù)裝藥時，最小抵抗線是在藥柱的中心位置到自由坡面的垂線距離(虛線)，當有了主控巖層形成的弱自由面時，最小抵抗線可能會根據(jù)弱自由面有所變化，此時形成了新的抵抗線方向(雙點劃線)，具體方向和主控巖層的波阻抗、厚度及位置有關，因此，炸藥能量的傳遞方向也會發(fā)生相應的變化。根據(jù)互層巖體主控巖層改變最小抵抗線的原理，應盡可能的使藥柱中心位置距離軟弱夾層遠些，以此減小主控巖層對爆破效果的影響，對比連續(xù)裝藥和間隔裝藥可見間隔裝藥時上半段藥柱的中心位置明顯提高，距離軟弱夾層的距離有了顯著增大，降低了炸藥能量沿主控巖層方向泄露的幾率，減小了主控巖層對爆破效果的影響。

綜上所述，互層巖體中主控巖層的存在影響了應力波的傳遞方向和分布特征，且主控巖層的力學特性、幾何特征及空間位置對炸藥能量分布均有一定的影響。因此，采用間隔裝藥是解決互層巖體爆破的關鍵技術，但在間隔裝藥結(jié)構的設計過程中須準確判斷出主控巖層的位置才能取得較好的爆破效果。然而，在實際臺階內(nèi)各巖層的厚度、傾角、力學參數(shù)等有多種多樣的組合方式，臺階內(nèi)的整體與局部工程地質(zhì)性質(zhì)不斷變化，所以影響炸藥能量分布的條件也在發(fā)生變化，且規(guī)律性不強，這對快速準確判斷主控巖層的位置帶了一定的難度。

2 基于能耗分級的主控巖層判別方法

根據(jù)上述研究可知，互層巖體中的主控巖層應是力學性質(zhì)差異較大且具有一定厚度的巖層，而波阻抗是反應巖性與爆破能耗關系的重要參數(shù)，可以以巖層中波阻抗差異性最大，且總體能耗占比較大的巖層作為主控巖層的判別標準，總體思路如下：首先，以最大及最小波阻抗為上下限建立5等分的波阻抗等級劃分區(qū)間；然后，根據(jù)波阻抗和厚度百分比計算各層能耗及累加總體能耗，將總能耗與5級區(qū)間對比確定臺階整體能耗等級，以此預測炸藥單耗量；最后，計算各巖層能耗等級與臺階總體能耗等級間的絕對級差和能耗百分比的乘積值，最大值的巖層作為該臺階的主控巖層。具體步驟如下所述。

2.1 巖層波阻抗等級劃分區(qū)間的構建

首先，通過取樣測試獲取各巖層的密度和縱波速，并根據(jù)Ri=ρiCi計算各巖層的波阻抗(其中：Ri是巖石波阻抗；ρi為巖石密度；Ci為巖石縱波速)，以該臺階內(nèi)最大波阻抗Rmax和最小波阻抗Rmin作為上下限，根據(jù)下式計算出5個等間距區(qū)間：

Gj=Rmin+(Rmax-Rmin)/5×j(j=1,2,3,4)

(1)

式中：Rmin-G1為低；G1-G2為較低；G2-G3為中；G3-G4為較高；G4-Rmax為高，以此作為炸藥單耗的分級依據(jù)。

2.2 臺階整體炸藥單耗量的預測

巖石的波阻抗Ri反應了應力波在巖體中傳播時質(zhì)點產(chǎn)生單位速度所需要的擾動力，波阻抗大的巖石往往比較難于爆破，需要更多的炸藥能量提供更大的擾動力；此外，相同波阻抗條件下巖體體積越大需要的炸藥能量也越大，因此，可用巖體的波阻抗與巖體體積的乘積反映一定體積的巖體的爆破難易程度，根據(jù)量綱分析可見二者的乘積為瓦特Ri×Vi=N/(m2×s)×m3=W，即讓定體積巖層產(chǎn)生單位速度所需要的載荷功率為Ri×Vi，對于整個臺階需要的載荷功率可表述為R1×V1+R2×V2+…+Ri×Vi(單位：W)，則臺階功率密度為Pw=(R1×V1+R2×V2+…+Ri×Vi)/V(單位：W/m3)，功率密度越大表明該臺階整體的爆破難度越大。由于Pw反映的爆破難易程度為相對值，僅做定性比較使用，因此，可考慮在單個炮孔的控制范圍內(nèi)，各個巖層的體積Vi與其厚度Di幾乎成正比例關系，臺階整體體積同樣也與臺階高度H成正比例關系，因此，可將臺階功率密度Pw的表述簡化為式(2)，對式(2)進行量綱分析可知Pw與波阻抗R單位相同，臺階功率密度即為臺階整體的波阻抗。

Pw=[(R1×D1)+…+(Ri×Di)]/H

(i=n，巖層數(shù)量)

(2)

為確定臺階整體的炸藥單耗，可將計算得到的臺階波阻抗Pw值與2.1節(jié)中構建的波阻抗5級區(qū)間進行對比，確定該爆破臺階的整體炸藥單耗等級，由此可以根據(jù)以往同類巖石爆破的單耗經(jīng)驗得到該臺階的炸藥單耗量。

2.3 主控巖層位置的判別

在獲取臺階爆破炸藥單耗后，可以據(jù)此設計單個炮孔內(nèi)的裝藥量，但對于互層巖體還需針對主控巖層設計間隔裝藥結(jié)構，需要進一步確定主控巖層的位置。在復雜互層條件下定位主控巖層需準確掌握軟硬巖層在臺階內(nèi)的空間分布特征，可根據(jù)巖石波阻抗進行分級，將爆破臺階內(nèi)各個巖層的波阻抗Ri與波阻抗5分級區(qū)間進行匹配，獲取臺階自由坡面上巖層波阻抗等級的空間分布特征。主控巖層應為波阻抗等級相對差異性較大，且具有一定厚度的巖層，因此，可以先計算各層波阻抗等級與臺階整體波阻抗等級間的絕對級差|N|(例如，高級和中級間相差較低和較高2級，則|N|=2)，然后按式(3)計算各個巖層的波阻抗在臺階整體波阻抗Pw中的占比Pi。

Pi=(Ri×Di)/H/Pw×100%

(i=n，巖層數(shù)量)

(3)

在上述計算的基礎上按式(4)計算主控巖層位置判別系數(shù)Km，并選取最大值對應的巖層作為主控巖層即可。

Km=Pi×|N|

(4)

在實際應用過程還可根據(jù)以往同一礦區(qū)的同類巖石的測試結(jié)果進行波阻抗的確定，以此提高工作效率。此外，應力波在巖體中的傳播不但與巖石自身的波阻抗相關，還與巖體中的裂隙、結(jié)構面等巖體完整性正相關，因此炸藥單耗量還應結(jié)合巖體的具體情況進行修正，以此確保期望的爆破效果。

3 主控巖層判別方法現(xiàn)場驗證

3.1 主控巖層的判別過程

為了驗證上述判別方法在復雜互層巖體臺階爆破中的可行性，在具有典型軟硬互層巖體分布的露天煤礦中進行了應用，并設置對照組進行對比。如圖4所示，根據(jù)臺階內(nèi)巖體的巖性實際分布情況可將巖層分為6層，通過現(xiàn)場測量、取樣和室內(nèi)測試得到了各層厚度、密度及縱波速值，計算可得到各層的波阻抗值具體見表2的Ri波阻抗一列，由此可知臺階內(nèi)最小波阻抗為1 784 700 kg/(s·m3)，最大為7 992 772 kg/(s·m3)，代入式(1)計算得到波阻抗分級區(qū)間，具體見表3。

按式(2)計算可得到臺階總體波阻抗Pw=4 537 905.2 kg/(s·m3)，與表3對比可知是介于4 267 928.8～5 509 543.2之間屬于中級，因此，可根據(jù)以往該礦同級巖體爆破的單耗確定此次爆破的單耗應在0.65 kg左右。

依次將1～6號巖層在表3中進行對比分級，可得到臺階內(nèi)巖層波阻抗等級的空間分布特征，具體見表2的巖層波阻抗等級一列，再將各巖層等級與臺階整體波阻抗等級(中級)相減取絕對值得到絕對級差|N|。

圖4 臺階巖層分布特征Fig.4 Bench blasting strata distribution

表2 主控巖層判別計算Table 2 Discrimination calculation of main control stratum

表3 炸藥單耗等級劃分依據(jù)Table 3 The rank of explosive consumption

按式(3)計算得到各層的波阻抗占比Pi，再結(jié)合絕對級差|N|按式(4)計算可得到判別系數(shù)Km，由表2的Km列可見第2層的位置判別系數(shù)最大為25，因此，可以判別第二層為主控巖層。

3.2 現(xiàn)場試驗效果分析

根據(jù)以上分析確定第二層為主控巖層，并據(jù)此設計了連續(xù)裝藥和間隔裝藥結(jié)構，如圖5(a)所示為此次爆區(qū)的布置情況，其中圈定區(qū)域為試驗組炮孔區(qū)域采用間隔裝藥，其他部分作為對照組采用連續(xù)裝藥結(jié)構；圖5(b)為爆破過程，明顯可見試驗組區(qū)域少有沖孔現(xiàn)象，這是由于間隔裝藥結(jié)構減少了藥量，降低了不必要的能量浪費，降低了爆破成本。

圖5 爆破過程沖孔情況對比Fig.5 Comparison of punching conditions during blasting

圖6(a)為試驗組爆破后臺階巖體破碎情況，可見巖塊破碎較為均勻，符合爆破效果要求；圖6(b)為對照組情況可見由于炸藥能量分布不均產(chǎn)生了較大的巖塊，尚需進行二次破碎，增加了破巖成本。

圖6 巖體破碎情況對比分析Fig.6 Comparative analysis of rock mass breakag

4 結(jié) 論

1) 數(shù)值模擬試驗表明互層巖體中的主控巖層是造成炸藥能量分布不均的主要原因，采用間隔裝藥結(jié)構能有效改善炸藥能量分布不均的問題；

2) 主控巖層由于自身波阻抗與其他巖層差異性較大，易在臺階內(nèi)部形成弱自由面，影響了原本指向臺階坡面自由面的最小抵抗線的分布方向，進而使得爆破效果偏離預期需求；

3) 以探尋最大能耗差異的巖層為目標，提出了考慮主控巖層厚度、波阻抗及在整個臺階中的能耗占比的主控巖層判別系數(shù)概念，并構建了具體的計算方法。

本文提出的主控巖層判別方法僅從理論方面進行了考慮，在實際取值計算過程中還需結(jié)合巖層自身的解理裂隙分布情況進行修正，此方面的量化系數(shù)的引入尚需進一步的研究；此外，文中現(xiàn)場測試部分對照組的沖孔現(xiàn)象還可能與填塞質(zhì)量相關，尚需更多的工業(yè)測試進行詳細的對比分析。