趙固二礦西風(fēng)井深井凍土爆破漏斗試驗(yàn)研究

于建新，郭 敏，楊瑞亮，張英才，張道海，曾 鵬

(1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003；2.河南國(guó)龍礦業(yè)建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000)

立井凍土爆破施工技術(shù)在礦井建設(shè)中的應(yīng)用十分廣泛，由于凍土的物理性質(zhì)不同于巖石，關(guān)于凍土爆破理論的研究仍十分有限。早期宗琦等提出了一種大量破碎凍土的爆破方案，該方案主要是增大炮眼間距、減少炮孔數(shù)和降低炸藥消耗量來優(yōu)化凍土爆破效率[1]。為提高深井凍結(jié)基巖段的掘進(jìn)速度，宗琦等進(jìn)行了深孔爆破技術(shù)的爆破方案研究，發(fā)現(xiàn)大直徑中心空孔對(duì)提高爆破效率起到關(guān)鍵作用[2]。因此爆破方案的設(shè)計(jì)對(duì)爆破掘進(jìn)速度有極大的影響，例如在本項(xiàng)目背景中，眼深3m，炸藥單耗1.31kg/m3，前期進(jìn)尺3m左右，后來由于下層土凍結(jié)時(shí)間更長(zhǎng)，自重應(yīng)力變大等原因，進(jìn)尺縮短為2m，掘進(jìn)效率較低，這時(shí)候就需要結(jié)合實(shí)際對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高施工效率。

爆破漏斗是凍土爆破破壞的基本形式，研究爆破漏斗對(duì)工程具有顯著的指導(dǎo)意義。從集中藥包爆破漏斗理論，再到延長(zhǎng)藥包爆破漏斗的研究，與爆破的幾何相似法則和經(jīng)驗(yàn)性的藥量體積公式相結(jié)合仍作為爆破參數(shù)確定的主要方法[3]。在爆破漏斗研究方面，王以賢等利用相似比理論進(jìn)行煤體的爆破漏斗試驗(yàn)，研究了其爆破參數(shù)[4]。楊紅兵基于中深孔爆破漏斗試驗(yàn)，為無底柱分段崩落法的實(shí)踐提供了一定經(jīng)驗(yàn)[5]。隨著工程開挖深度的增加，吳春平等開展了深部巖石爆破漏斗試驗(yàn)并獲得一些爆破參數(shù)，指導(dǎo)深部巖石爆破方案的設(shè)計(jì)[6，7]。針對(duì)人工凍土爆破的特性，馬芹永等也做過大量的爆破研究并提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[8]。張俊兵等對(duì)青藏高寒凍土進(jìn)行了爆破漏斗試驗(yàn)，得出了單位藥包的最佳埋深、最大體積，并推導(dǎo)出最佳爆破參數(shù)[9]。本文主要通過對(duì)人工凍土性質(zhì)的研究，進(jìn)行凍土爆破漏斗試驗(yàn)獲得最佳爆破漏斗半徑和最佳抵抗線等參數(shù)，為爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

井筒位于輝縣市占城鎮(zhèn)北小營(yíng)村，井筒設(shè)計(jì)凈直徑6.0m，井口設(shè)計(jì)絕對(duì)標(biāo)高+81.0m，其中井筒穿過表土層厚度為704.6m。凍結(jié)深度為783m，凍結(jié)溫度為-15℃。

1.2 地層條件

試驗(yàn)標(biāo)高-690m左右，為第四系(Q)、新近系(N)，揭露厚度704.60m。頂部為一層10.05m厚的黃土，其下巖性主要為黏土類和砂礫石層。其中黏土類巖性以砂質(zhì)黏土、黏土為主，可塑性較好，具滑感，含少量鈣質(zhì)結(jié)核、鋁土質(zhì)斑塊和礫石成分，部分土層分布情況見表1。

表1 部分土層分布表

2 凍土物理力學(xué)參數(shù)

凍土本身的物理力學(xué)性質(zhì)是應(yīng)力波傳播的內(nèi)在因素，也是最主要的影響因素。主要有凍土強(qiáng)度、凍脹量、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)。為更好地了解凍土性質(zhì)，進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)，對(duì)凍土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試項(xiàng)目包括試樣的自由凍脹量、單軸抗壓強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度等。

2.1 凍脹量

土在凍結(jié)過程中，原有水分以及由未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移的水分凍結(jié)成冰，引起土顆粒間相對(duì)位移使土體體積膨脹，稱之為土的凍脹。王賀認(rèn)為在凍脹過程中不僅溫度對(duì)凍脹系數(shù)有影響，土的泊松比也有重要影響[10]。凍脹量與土樣中的未凍水量關(guān)系緊密，凍土中的未凍水量不但是計(jì)算相變熱的必要指標(biāo)，而且直接影響著凍土的強(qiáng)度。凍脹量測(cè)試方法：按照現(xiàn)場(chǎng)含水量和干容重制備試樣(試樣規(guī)格為?100mm×100mm)，將試樣裝入試驗(yàn)桶，放入試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)，連接補(bǔ)水系統(tǒng)、測(cè)溫探頭及位移傳感器，按試驗(yàn)要求控制項(xiàng)、底板及試驗(yàn)倉(cāng)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，通過數(shù)采儀采集數(shù)據(jù)。所有試樣都是重塑土樣，測(cè)試結(jié)果見表2[11]，黏土凍脹增加量如圖1所示。

表2 試樣凍脹量測(cè)試結(jié)果

圖1 7號(hào)黏土凍脹增加量(冷端溫度-15℃)

從圖1中可以看出，凍脹量在0～40h內(nèi)凍脹量增加較大，在隨后的時(shí)間內(nèi)增加較小。立井凍土爆破井下施工時(shí)，凍土的凍脹量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度

凍土的強(qiáng)度可表征凍土抵抗壓、拉、剪等應(yīng)力，一般情況下，凍土抗壓強(qiáng)度越大，抵抗爆破的能力就越強(qiáng)，因此可以把抗壓強(qiáng)度作為凍土爆破性的一個(gè)指標(biāo)。將加工好的試樣在試驗(yàn)溫度下恒溫24h后，開始試驗(yàn)。凍土的單軸無側(cè)限抗壓試驗(yàn)在CMT5105型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載過程實(shí)時(shí)取樣。當(dāng)試樣的應(yīng)力值下降或應(yīng)變超過20%時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。凍土單軸抗壓強(qiáng)度見表3[11]，由表3可知單軸抗壓強(qiáng)度在7～8MPa之間。

表3 凍土單軸抗壓強(qiáng)度

繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示[11]，從圖2可知，凍土應(yīng)變?cè)?.5%～3%時(shí)應(yīng)力增加較大，在凍土多次爆破后，土體受到爆破沖擊波的擾動(dòng)，產(chǎn)生位移變形，當(dāng)達(dá)到一定變形值時(shí)，爆破產(chǎn)生的荷載應(yīng)力可能不會(huì)造成土體的松動(dòng)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)松動(dòng)的土體進(jìn)行排矸。由于地下圍壓的存在，凍土的單軸強(qiáng)度隨著開挖深度的變化而變化。Jianyu Peng等對(duì)深埋地下工程的開挖進(jìn)行了爆破漏斗試驗(yàn)，對(duì)比無圍壓和有單軸圍壓下的情況，得出：在無圍壓下爆破漏斗的形狀近似圓形，有圍壓下，為橢圓形[12]。因此，在立井凍結(jié)鉆爆法施工中需要依據(jù)不同的深度及時(shí)調(diào)整爆破方案。

圖2 不同深度下單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 三軸抗壓強(qiáng)度

將試樣放入三軸壓力室，在試驗(yàn)要求的圍壓下固結(jié)2h，接著按恒定的加載速率(1.1×10-3s-1)對(duì)試樣進(jìn)行加載，同步實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，直至應(yīng)力降低或應(yīng)變達(dá)25%以上結(jié)束試驗(yàn)。

強(qiáng)度取值標(biāo)準(zhǔn)：若應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，取該點(diǎn)的偏應(yīng)力作為三軸抗壓強(qiáng)度，否則，取應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的偏應(yīng)力作為三軸抗壓強(qiáng)度[13，14]。試驗(yàn)結(jié)果見表4[11]，三軸壓縮偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示[11]。從表4中可見，擾動(dòng)土的三軸抗壓強(qiáng)度幾乎與圍壓無關(guān)。

表4 三軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試表

圖3 7號(hào)試樣三軸壓縮偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從表3、表4來看，黏土在-15℃下，單軸抗壓強(qiáng)度在7～8MPa之間。加上圍壓后，三軸抗壓強(qiáng)度在9～10MPa之間，黏土凍結(jié)后整體抗壓強(qiáng)度得到提升。凍土強(qiáng)度要弱于巖石的強(qiáng)度，在人工凍土爆破時(shí)，依靠巖石爆破的經(jīng)驗(yàn)，多次對(duì)凍土進(jìn)行試爆，合理進(jìn)行爆破方案的設(shè)計(jì)。影響凍土爆破性的因素很多，凍土自身的性質(zhì)包括：凍土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)，這些都是凍土自身固有的因素[15]。

2.4 彈性模量及泊松比

爆破應(yīng)力波在凍土中傳播時(shí)，其參數(shù)的變化直接反映了凍土的物理性質(zhì)，波速是能量傳遞、消耗、吸收的一個(gè)標(biāo)志量。凍土的彈性模量和泊松比影響著爆破應(yīng)力波的傳播，反映了凍土的可爆性。黃星等人認(rèn)為動(dòng)彈性模量E和動(dòng)剪切模量G隨溫度的降低而升高，它們之間呈非線性函數(shù)關(guān)系，泊松比隨溫度的降低大致呈降低的趨勢(shì)[16，17]。本次爆破漏斗試驗(yàn)主要關(guān)注-15℃下的黏土性質(zhì)，其彈性模量和泊松比見表5[11]。

表5 彈性模量及泊松比

3 凍土爆破漏斗試驗(yàn)方案

在爆破漏斗理論研究中，最具有工程應(yīng)用價(jià)值的是利文斯頓爆破漏斗理論。它利用最小二乘法獲得爆破漏斗體積V-藥包中心埋深L和爆破漏斗半徑R-藥包中心埋深L的多項(xiàng)表達(dá)式，進(jìn)而獲得最佳爆破藥包中心埋深、爆破漏斗體積及最佳爆破漏斗半徑。

在凍結(jié)立井井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探究試驗(yàn)，根據(jù)單孔爆破獲得最佳埋深，以不同孔間距進(jìn)行多孔段爆破試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，可以推導(dǎo)出不同情況下的爆破參數(shù)[18，19]。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)土層為砂質(zhì)黏土，多為灰白色，膠結(jié)程度高，含大量鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，較硬；凍結(jié)地層復(fù)雜、凍土打眼困難。爆破采用傘鉆配改裝后的MQT-150型氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)機(jī)頭，使用麻花鉆桿進(jìn)行鉆眼施工。本實(shí)驗(yàn)選用T220-nd型抗凍水膠炸藥(-25℃)，依照炸藥產(chǎn)品說明，其密度為950～1200kg/m3，爆速大于3600m/s，每個(gè)炮孔裝藥量均為0.175kg，采用正向裝藥結(jié)構(gòu)。

3.2 單孔爆破漏斗試驗(yàn)

為獲得一定藥量下爆破漏斗最佳抵抗線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形，及需要探究的爆破需求，設(shè)計(jì)了兩次單孔爆破漏斗試驗(yàn)。第一次屬于摸索試驗(yàn)，炮孔直徑45mm，各孔深度均大于50cm，每個(gè)炮孔放半卷炸藥。第一次試驗(yàn)效果不理想，炸藥爆破后，形成的只有空腔，而沒有形成典型爆破漏斗，如圖4所示。

圖4 爆破形成的空腔

結(jié)合第一次試驗(yàn)的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行第二次爆破試驗(yàn)，取4組單孔爆破，研究不同孔深下炸藥的爆破作用效果。單孔爆破孔深分別為50mm、45mm、40mm、35mm，炮孔間距以爆破作用互不影響為前提。炮孔分布如圖5所示。單孔爆破漏斗試驗(yàn)炮孔編號(hào)從1#到4#，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 趙固二礦西風(fēng)井凍土爆破漏斗試驗(yàn)

圖5 單孔爆破漏斗試驗(yàn)炮孔分布 (cm)

采用最小二乘法原理，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次項(xiàng)回歸，最終得到爆破漏斗體積V-孔深L和爆破漏斗半徑R-孔深L的多項(xiàng)表達(dá)式為：

V=-8.1333L3-2.36L2+6.4183L-1.6022

(1)

R=100L3-165L2+86L-14

(2)

式中，V為試驗(yàn)條件下的單孔爆破漏斗體積，m3；R為試驗(yàn)條件下的單孔爆破漏斗半徑，m；L為試驗(yàn)條件下的孔深，m。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出V-L、R-L特征曲線，如圖6所示，并由以上兩擬合曲線，求得試驗(yàn)條件下單孔爆破漏斗的最佳爆破參數(shù)為：最佳炮孔深度L=0.425m；最佳爆破漏斗體積V=0.075m3；最佳爆破漏斗半徑R=0.438m。炸藥最佳單耗：

圖6 爆破漏斗試驗(yàn)V-L和R-L特征曲線

3.3 多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)

多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)同樣在標(biāo)高-690m左右的井底完成，試驗(yàn)分為掏槽眼爆破與周邊眼爆破。

藥卷規(guī)格為?35mm×300mm×0.35kg，掏槽眼與周邊眼炮孔直徑均為50mm，每個(gè)炮孔藥量為0.175kg。炮孔分布如圖7所示：

圖7 掏槽試驗(yàn)炮眼示意圖

掏槽眼爆破效果試驗(yàn)：近似呈正五邊形分布，孔深取L=45cm，稍大于最佳孔深。宗琦等認(rèn)為孔距在500～700mm較為合理[20]，這里取500～530mm。

掏槽眼效果：形成一個(gè)漏斗，Φmax=190cm，Φmin=170cm。爆破漏斗體積V=0.382m3，炸藥單耗q=2.29kg/m3。比單孔爆破炸藥單耗略小，說明應(yīng)力波反射和疊加對(duì)裂縫的貫穿有重要的影響。

周邊眼爆破效果試驗(yàn)，依次沿直線布置5個(gè)炮孔，各孔深度一致，裝藥量一致，具體布置及效果如圖8所示。

圖8 周邊眼布置和爆破效果

孔深L=45cm，炮孔間距根據(jù)經(jīng)驗(yàn)宜取8～12倍炮眼直徑或根據(jù)式(4)計(jì)算[21]。

最終根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可以觀察到，周邊眼孔底距為60cm時(shí)，爆破松動(dòng)效果較好，同時(shí)多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)土塊破碎程度比單孔爆破漏斗要好。

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)單孔爆破下的最佳炮孔深度，最佳爆破半徑進(jìn)行炮孔的布置，同時(shí)參考多孔爆破掏槽眼的炸藥單耗孔進(jìn)行單孔試驗(yàn)。并通過炮孔布置間距的調(diào)整，驗(yàn)證周邊眼爆破的合理布置，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 單孔爆破漏斗形狀大小

裝藥0.175kg時(shí)，單孔爆破漏斗形狀半徑為40cm，爆坑深度為35cm，已經(jīng)初步具有爆破漏斗的形狀，爆破效果較好。與二次項(xiàng)擬合得出的最佳抵抗線和最佳爆破半徑相近，驗(yàn)證了擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。

周邊眼爆破貫穿縫大小如圖10所示。周邊眼爆破間隔為60cm時(shí)，炮孔之間可以完全貫穿，形成較為整齊的斷裂面，較好地控制爆破的輪廓大小。

圖10 周邊眼爆破貫穿縫大小

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)單孔爆破漏斗試驗(yàn)炸藥單耗較高為2.33kg/m3，其主要原因是克服凍張力形成斷裂面所需要的能量較高。蔣復(fù)量等認(rèn)為q值在實(shí)際工況中隨崩斷面的減小而增大，自由面的增加而較小，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)初定q值，再進(jìn)行其他參數(shù)的調(diào)整，增大進(jìn)尺深度[22]。

2)光面爆破是立井施工中常用的爆破方法，通過掏槽眼爆破試驗(yàn)，確定了掏槽深度和孔距。周邊眼底孔距是光面爆破的關(guān)鍵，取60cm時(shí)爆破斷面平整無超挖欠挖現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)趙固二礦深大立井凍結(jié)黏土進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)，單孔爆破試驗(yàn)表明，凍土爆破漏斗體積總體較小，炸藥單耗為2.33kg/m3。

2)通過單孔爆破漏斗試驗(yàn)，在一定藥量下得到了凍土爆破的炸藥最佳埋深為0.425m、最佳漏斗半徑為0.438m、最佳爆破漏斗體積為0.075m3。上述數(shù)據(jù)表明凍土爆破與巖石爆破有著明顯的差異化，必須區(qū)別對(duì)待。

3)單孔爆破與多孔爆破相比較，后者爆破更為有效率，炸藥單耗量更小。

4)在一定藥量下周邊眼炮孔距離60mm時(shí)，凍土爆破斷面平整無超欠挖。