復(fù)雜破碎巖體矩形聚能藥包預(yù)裂爆破試驗(yàn)研究

許守信 黃紹威 李二寶 楊海濤

（1.酒鋼集團(tuán)甘肅西溝礦業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān)735100；2.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；3.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司，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)是爆破效果優(yōu)劣的關(guān)鍵影響因素。預(yù)裂爆破技術(shù)通過減小孔徑、不耦合裝藥、徑向間隔裝藥等炸藥能量控制手段在露天控制爆破方面得到了普遍應(yīng)用［1-3］，但在結(jié)構(gòu)面及裂隙發(fā)育的破碎地段爆破效果不理想［4-6］，主要表現(xiàn)在坡面不平整、半壁孔率低、后沖大、預(yù)留坡面破壞嚴(yán)重等方面。針對(duì)破碎巖體的控制爆破技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于提高邊坡穩(wěn)定性、保障礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

聚能預(yù)裂爆破技術(shù)以其良好的成縫效果已被廣泛應(yīng)用于煤層切頂、巷道掘進(jìn)、水電站大壩壩肩開挖等工程領(lǐng)域，近年來，不少學(xué)者及技術(shù)人員通過理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究等手段開展了大量研究工作。郭德勇等［7-9］通過非線性動(dòng)力分析有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬分析了聚能爆破作用對(duì)煤體的力學(xué)行為及裂隙擴(kuò)展機(jī)理。研究表明，聚能效應(yīng)導(dǎo)致煤體力學(xué)性質(zhì)在聚能方向發(fā)生顯著變化，分析成果僅在巷道掘進(jìn)淺孔爆破方面進(jìn)行了應(yīng)用，未開展露天深孔現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。何滿潮等［10］建立了聯(lián)孔聚能爆破力學(xué)模型，得出聯(lián)孔爆破損傷貫通判據(jù)條件，并進(jìn)行了聚能切縫關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，但未分析深孔爆破聚能藥包定向問題。朱飛昊等［11］根據(jù)聚能爆破的空穴效應(yīng)和能量轉(zhuǎn)移原理，建立了聚能爆破的巖石斷裂力學(xué)模型，將聚能爆破與普通爆破的裂紋起裂及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，得出聚能爆破與普通爆破形成的粉碎區(qū)以及應(yīng)力峰值的倍數(shù)關(guān)系，但未開展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。楊仁樹等［12-13］開展了聚能管裝藥爆破數(shù)值模擬研究，得出沿切縫方向孔壁有效塑性應(yīng)變?yōu)榇怪鼻锌p方向的2倍，聚能管對(duì)能量傳播的導(dǎo)向作用以及對(duì)側(cè)面巖壁的保護(hù)作用顯著，但未能進(jìn)一步分析聚能藥包現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用定向難題。已有研究雖然在聚能爆破機(jī)理方面及應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，但在破碎巖體方面的聚能實(shí)踐尚不充分，且局限于某一個(gè)方面的研究，在聚能裝藥結(jié)構(gòu)及定向方面缺乏有效的改進(jìn)思路。

本研究以酒鋼集團(tuán)西溝石灰石礦為例，為改善西山頭固定幫預(yù)裂爆破質(zhì)量，并確保邊坡穩(wěn)定性，開展了巖體質(zhì)量穩(wěn)定性分級(jí)、結(jié)構(gòu)面及裂隙調(diào)查研究，分析了預(yù)裂爆破存在的問題，提出了矩形藥包聚能爆破思路，并開展了理論分析和數(shù)值模擬研究，從預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)、聚能藥包參數(shù)、不耦合系數(shù)、孔距、線裝藥密度、緩沖孔爆破參數(shù)等方面提出了改進(jìn)思路，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，以解決復(fù)雜破碎巖體靠界爆破的技術(shù)難題。

1 工程概況

西溝石灰石礦是酒鋼集團(tuán)唯一的石灰石礦山，始建于1966年，2011年技術(shù)改造后生產(chǎn)規(guī)模為500萬t/a，采用露天開采方式，汽車—溜井—平硐—膠帶聯(lián)合開拓，臺(tái)階高度12 m，固定幫兩個(gè)臺(tái)階并段開采；礦床產(chǎn)于奧陶系中統(tǒng)（O2）地層中，礦體呈層狀產(chǎn)出，走向NWW，傾向SSW，傾角50°～78°。礦體總厚度284.77～507.15 m，平均厚度421.75 m，延伸長(zhǎng)1 216 m，延深284 m；礦床具有礦石品位高、礦體厚度大等特點(diǎn)，資源儲(chǔ)量較大。

礦山總固定幫在西幫，西幫圍巖除了部分薄層細(xì)晶灰?guī)r外，主要巖性為凝灰質(zhì)千枚巖、絹云母鈣質(zhì)千枚巖、變質(zhì)凝灰?guī)r夾千枚巖、硅質(zhì)灰?guī)r；礦區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，斷層走向多為NE—NEE向，少數(shù)NW向，傾角較陡，多在60°以上?，F(xiàn)有開采平臺(tái)范圍內(nèi)主要斷層有3條：①F8正斷層，位于7～13號(hào)線，斷層產(chǎn)狀310°∠60°，延伸大于420 m，斷層破碎帶寬0.1～0.5 m；②F13正斷層，位于13～19號(hào)線，產(chǎn)狀為150°∠65°，斷層帶內(nèi)發(fā)育寬約1.5 m的構(gòu)造角礫巖；③F42平移斷層，位于8～26號(hào)線，為右旋平移斷層，產(chǎn)狀為335°∠68°，切穿O28、O29、O210礦層，并使之錯(cuò)位。由于構(gòu)造斷裂、蝕變帶、軟弱夾層等的存在，顯著降低了巖體整體性和穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步掌握采場(chǎng)巖體裂隙情況，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用3GSM攝影測(cè)量技術(shù)選取了4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)邊坡節(jié)理裂隙進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。由表1可知：實(shí)測(cè)節(jié)理密度達(dá)0.280～0.725條/m，節(jié)理間距均值為1.38～3.57 m，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，不利于采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定。

為有效控制靠幫邊坡的安全穩(wěn)定，礦山前期開展過靠幫預(yù)裂爆破試驗(yàn)，在中厚石灰?guī)r中效果較好，但在裂隙發(fā)育的西幫未能取得較好的邊坡控制效果。為此，通過開展矩形聚能藥包預(yù)裂爆破研究，為巖體破碎的西幫邊坡穩(wěn)定性控制提供技術(shù)支撐。

2 定向矩形聚能藥包預(yù)裂爆破機(jī)理分析

2.1 矩形聚能裝藥裝置

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)巷道掘進(jìn)光面爆破的淺孔聚能爆破研究較多［14-18］，提出了各種形式的聚能管，但在深孔預(yù)裂爆破方面，雖然也有不少聚能預(yù)裂爆破成果問世［19-22］，但對(duì)聚能精準(zhǔn)定向的研究涉及較少。露天礦山預(yù)裂孔為傾斜孔，傾角約60°，孔徑多為76～150 mm，深度12～30 m不等。在一般節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性好的巖體中，采用普通的預(yù)裂爆破技術(shù)，優(yōu)化爆破參數(shù)也可以達(dá)到較好的效果；但在節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎巖體中，采用普通的預(yù)裂爆破技術(shù)，僅通過參數(shù)優(yōu)化難以取得較高的半壁孔率。

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為此，本研究提出了一種兩端設(shè)置聚能槽的矩形聚能裝藥裝置，裝入炸藥后即可形成雙向聚能藥柱，實(shí)現(xiàn)炮孔內(nèi)的雙向聚能爆破，有助于提高破碎巖體的炮孔半孔率，削弱爆破作業(yè)對(duì)需保護(hù)邊坡的影響，維護(hù)靠幫爆破的安全穩(wěn)定。該聚能裝置的特點(diǎn)為：①射流聚集性好，兩端的聚能槽角度為85°，可以使炸藥爆炸射流聚集到孔壁上，形成較深的切割槽；②精確定向性好，斷面形狀為矩形，每節(jié)長(zhǎng)度約0.5 m，寬度為64 mm，可以利用矩形形狀和預(yù)裂孔傾斜角度自動(dòng)進(jìn)行定位，無需設(shè)置定位裝置；③預(yù)留巖體保護(hù)性好，該裝置與孔壁之間形成空間間隔，減小炸藥沖擊波對(duì)預(yù)留巖體的損傷；④適應(yīng)性強(qiáng)，采用PVC材質(zhì)制作，可以直接裝填普通直徑32 mm的乳化藥卷，無需通過炸藥廠定制。

2.2 矩形聚能藥柱預(yù)裂爆破機(jī)理分析

矩形聚能藥包預(yù)裂爆破中，藥包聚能射流的作用使得孔壁處開始產(chǎn)生裂紋（切割槽），后續(xù)高壓氣體使得裂紋得以延伸發(fā)展；隨后在準(zhǔn)靜態(tài)氣體載荷下，高溫高壓氣體沿著形成的切割槽的垂直方向向兩側(cè)拉伸，切割槽變?yōu)轭A(yù)裂縫，當(dāng)孔內(nèi)高溫高壓氣體強(qiáng)度小于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫便停止延伸。理論上，孔內(nèi)高溫高壓氣體的擴(kuò)散方向主要有孔口、產(chǎn)生爆破裂縫和擠壓孔壁方向；但在聚能預(yù)裂爆破中，孔內(nèi)高溫高壓氣體可以最大程度向產(chǎn)生爆破裂縫（即切割槽）方向卸載，進(jìn)而減少了向其它方向的卸載。

由于矩形聚能藥柱與孔壁之間約有13 mm空氣間隔，可以有效減少爆炸沖擊波的峰值強(qiáng)度作用，形成緩沖保護(hù)層。因爆轟產(chǎn)物形成高溫高壓氣體從切割槽優(yōu)先卸載，準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用急劇下降，減少了高溫高壓氣體對(duì)孔壁的破壞，從而保護(hù)了非設(shè)定方向孔壁及巖體。單個(gè)矩形聚能藥柱在聚能射流和高溫高壓氣體作用下，對(duì)預(yù)裂線方向施加拉應(yīng)力，形成拉伸作用；當(dāng)多個(gè)炮孔內(nèi)多組矩形聚能藥柱裝藥炮孔同時(shí)起爆時(shí)，將在炮孔間產(chǎn)生疊加應(yīng)力場(chǎng)，使得炮孔間的拉張應(yīng)力加大。若炮孔間距適當(dāng)，相鄰裂縫得以貫通，形成光滑的預(yù)裂爆破面。矩形聚能藥柱（圖1）爆破的實(shí)質(zhì)是通過聚能槽先在孔壁預(yù)設(shè)方向上形成切割槽，然后使爆轟產(chǎn)物形成的高溫高壓氣體在孔壁切割槽上產(chǎn)生集中拉力（圖2），通過在保留巖體孔壁上產(chǎn)生均勻壓力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜破碎巖體定向拉張斷裂成型。

3 聚能藥包預(yù)裂爆破數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

本研究采用ANSYS/LS-DYNA顯示動(dòng)力分析有限元軟件建立聚能裝藥結(jié)構(gòu)爆破數(shù)值計(jì)算模型，采用m-s-Pa單位制，如圖3所示。該模型由炸藥、巖石、聚能裝置和用于炸藥流動(dòng)的任意拉格朗日-歐拉（ALE）空間組成。模型中建立了單炮孔矩形藥包聚能裝藥結(jié)構(gòu)，模型尺寸為0.7 m×0.7 m×0.2 m（長(zhǎng)×寬×高），炮孔位于幾何中心，不設(shè)填塞；數(shù)值計(jì)算模型的炮孔直徑為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中炮孔直徑的0.5倍，孔徑45 mm、槽厚度1 mm、槽開口角度為85°，采用中心起爆方式。由于模型具有線性對(duì)稱性，沿寬度取1/4模型計(jì)算，X、Y方向上施加位移約束，其余各面均設(shè)置為無反射邊界，采用流固耦合方法進(jìn)行數(shù)值求解。本研究主要分析聚能裝置作用機(jī)理，故數(shù)值計(jì)算模型核心區(qū)域取為模型中間部分，如圖3所示。

3.2 計(jì)算力學(xué)參數(shù)選擇

為避免由于計(jì)算中網(wǎng)格過分畸變?cè)斐捎?jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確，本次模擬采用流固耦合方法，巖石材料采用Lagrange網(wǎng)格描述，模型關(guān)鍵字為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，巖石材料參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試確定，結(jié)果見表2。炸藥主要材料參數(shù)見表3。

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炸藥采用Euler網(wǎng)格描述，模型關(guān)鍵字為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態(tài)方程為

式中，P為爆轟壓力，Pa；V為相對(duì)體積，m3；E為初始內(nèi)能密度，J/m3；A、B、R1、R2、ω為試驗(yàn)確定的常數(shù)。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 炸藥爆轟過程巖體應(yīng)力場(chǎng)分布

不同時(shí)刻下的炮孔周圍應(yīng)力分布特征見圖4，隨著炸藥爆炸后爆轟作用的進(jìn)行，巖體內(nèi)部應(yīng)力波均以圓形面向外傳播，在聚能槽作用下，在聚能槽兩端孔壁處產(chǎn)生了很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖4可知：巖石在聚能槽底部發(fā)生應(yīng)力集中，并在炮孔聚能槽底部方向炮孔壁發(fā)生破壞；隨著應(yīng)力波向自由面進(jìn)一步傳播，巖石表面發(fā)生拉伸破壞，在炮孔連線中心發(fā)生集中應(yīng)力疊加，在兩預(yù)裂孔連線方向形成預(yù)裂縫。

3.3.2 沿炮孔中心豎直方向應(yīng)力分布

為掌握雙向聚能裝藥爆破下沿炮孔中心豎直方向的應(yīng)力分布特點(diǎn)，提取了炮孔中心豎直方向3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力曲線，編號(hào)分別為H21032、H22852、H24672，其中，H21032距離炮孔中心最近，H22852、H24672分別位于孔壁上方12、24個(gè)單元位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖5，應(yīng)力曲線見圖6。

由圖6可知：隨著起爆時(shí)間延長(zhǎng)，應(yīng)力峰值逐漸減小；沿炮孔中心由近及遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力依次到達(dá)峰值，且間隔時(shí)間相差較短，H21032、H22852兩點(diǎn)到達(dá)峰值的大小幾乎相同，H24672點(diǎn)應(yīng)力峰值最小，為23.5 MPa。所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于聚能槽垂直方向（需保護(hù)巖體一側(cè)），受到較小的爆炸荷載作用，減小了對(duì)保護(hù)巖體的損傷，有利于提高預(yù)裂爆破的半孔率，對(duì)于維護(hù)邊坡巖體安全具有重要意義。

3.3.3 沿炮孔中心水平方向應(yīng)力分布

為進(jìn)一步揭示聚能藥包的聚能效果，提取了聚能槽水平方向（預(yù)裂孔連線方向）3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖7）的應(yīng)力曲線（圖8），編號(hào)分別為H8244、H8257、H8270。

由圖7、圖8可知：3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力到達(dá)時(shí)間以及大小均存在較大差異，H8244點(diǎn)到達(dá)應(yīng)力峰值的時(shí)間最早，為30 μs；H8257和H8270點(diǎn)相對(duì)較晚。在峰值應(yīng)力大小方面，H8270點(diǎn)有效應(yīng)力峰值最小，為38 MPa；H8244點(diǎn)有效應(yīng)力峰值最大，達(dá)到87 MPa；H8257點(diǎn)應(yīng)力峰值介于上述兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間，為40 MPa。

為分析沿聚能槽水平方向、垂直方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力特征，繪制了H8244點(diǎn)（水平點(diǎn)）、H21032點(diǎn)（垂直點(diǎn)）應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，如圖9所示。

分析認(rèn)為：在炸藥起爆后，產(chǎn)生的聚能效應(yīng)首先傳播到H8244點(diǎn)并產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成的應(yīng)力最大；隨著爆轟反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生的聚能效應(yīng)依次減弱，H8270點(diǎn)處產(chǎn)生的應(yīng)力最小。因此，沿聚能槽方向即炮孔中心水平方向，產(chǎn)生聚能效應(yīng)對(duì)炸藥爆炸能量的導(dǎo)向作用，使得炸藥能量充分作用于切縫處，導(dǎo)致裂紋沿切縫處優(yōu)先發(fā)展。

研究結(jié)果表明：由于聚能藥包的存在，調(diào)整了炮孔周邊巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)，使得在與孔壁相同距離下，沿炮孔中心水平方向應(yīng)力明顯大于沿炮孔中心豎直方向應(yīng)力，前者為后者的1.62～3.51倍；矩形聚能管聚能槽處形成高能爆炸射流，使得爆炸能量被充分作用于沿炮孔水平方向（即預(yù)裂孔連線方向），沿炮孔中心垂直方向（即被保護(hù)巖體方向）能量明顯減弱。在雙向聚能作用下，聚能槽兩側(cè)孔壁處的應(yīng)力最大達(dá)到87 MPa，大于孔壁巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，隨即在孔壁處產(chǎn)生初始裂紋，形成新切割槽。數(shù)值模擬結(jié)果較好地證明了矩形聚能藥包在預(yù)裂成縫中的作用，與理論分析相吻合。

4 矩形聚能藥柱預(yù)裂爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 參數(shù)計(jì)算

（1）預(yù)裂孔沿聚能槽水平方向的孔壁壓力。由于巖石受到爆破沖擊波和氣體膨脹的作用，預(yù)裂縫首先在孔壁處形成并逐漸延長(zhǎng)，進(jìn)而在兩孔間形成貫穿預(yù)裂縫。通過炸藥爆轟過程的理論計(jì)算，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)修證，得出作用到孔壁的壓力計(jì)算公式為

式中，Pπ為爆炸氣體最終作用到孔壁的壓力，MPa；d為炮孔直徑，mm；QL為線裝藥密度，即實(shí)際裝藥部分每米炮孔的裝藥量，g/m。

（2）臨界線裝藥密度。在準(zhǔn)靜態(tài)氣體載荷作用下，深度為a的裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件為

式中，KIC為巖石的平面斷裂韌性，MPa·m1/2；a為形成切割槽深度，0.025～0.050 cm。

由式（1）、式（2）可得預(yù)裂爆破使裂縫擴(kuò)展的臨界線裝藥密度為

根據(jù)上式計(jì)算的線裝藥密度一般比臨界的線裝藥密度大，為其2.46～3.05倍，據(jù)此可計(jì)算出預(yù)裂孔孔距。

（3）炮孔不耦合系數(shù)。預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的目的是使孔間能拉開預(yù)裂縫，而孔壁又不能被壓碎。大量試驗(yàn)表明，不耦合系數(shù)與巖石的抗壓強(qiáng)度存在一定的關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)［22］，空氣介質(zhì)預(yù)裂爆破時(shí)，有下式成立：

式中，K為不耦合系數(shù)；σ壓為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)選擇

（1）預(yù)裂孔孔徑及傾角。試驗(yàn)采用礦山現(xiàn)有的阿特拉斯FlexiROC T40潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，孔徑90 mm，傾角65°，傾斜緩沖孔孔徑也為90 mm。

（2）預(yù)裂爆破試驗(yàn)孔超深?？咨钆c臺(tái)階高度具有如下幾何關(guān)系

式中，l為預(yù)裂孔深度，m；H為臺(tái)階高度，m；α為鉆孔傾角，（°）；h為超深，取1 m（一般為0.5～1.0 m）。當(dāng)H為12 m時(shí)，預(yù)裂孔深度為14.5 m。

主爆區(qū)為垂直深孔，直徑為200 mm，超深為2.5 m，孔深均為15.5～15.0 m。輔助孔也為垂直孔，孔徑200 mm。預(yù)裂孔、緩沖孔和輔助孔的布置見圖10。

輔助孔與緩沖孔孔底距d為0.6～1.0 m，輔助孔與緩沖孔孔口距為4.0 m，輔助孔孔深為8 m，孔距為6 m，填塞高度為4.5～5.0 m，裝藥量為75～100 kg。

（3）不耦合系數(shù)。由式（2）至式（7）可得，變質(zhì)凝灰?guī)r計(jì)算孔壁壓力為69.53 MPa，計(jì)算得：K=4.34。

（4）預(yù)裂孔孔距A。令μ =QL計(jì)QL臨，根據(jù)式（5）可以得出：

根據(jù)式（9）計(jì)算出孔距d=0.8～1.1 m，具體取值根據(jù)試驗(yàn)確定?？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、0.9、0.8 m。為減少主爆區(qū)生產(chǎn)爆破對(duì)形成預(yù)裂面的影響，在預(yù)裂孔前2.0 m處布置一排緩沖孔，孔徑為90 mm，孔距為3.0 m，裝藥量比正常裝藥量減少40%。緩沖孔距離前排的輔助孔4.0～4.3 m。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在西幫節(jié)理裂隙區(qū)帶邊坡中共進(jìn)行了5次試驗(yàn)，其中普通預(yù)裂爆破試驗(yàn)2次（圖11），矩形聚能藥柱預(yù)裂爆破試驗(yàn)3次（圖12）。其中，同一次試驗(yàn)中，劃分為不同的預(yù)裂孔孔距區(qū)域，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中預(yù)裂孔超深和底部加強(qiáng)裝藥長(zhǎng)度以及緩沖孔裝藥量等均相同。普通試驗(yàn)采用直徑50 mm、長(zhǎng)度為0.4 m的乳化炸藥藥卷，單個(gè)質(zhì)量0.8 kg；矩形聚能預(yù)裂爆破采用4支直徑32 mm藥卷裝入矩形聚能管中，聚能管長(zhǎng)度為0.5 m，質(zhì)量為0.8 kg。軸向不耦合裝藥，使用膠帶將矩形聚能管或乳化藥卷綁在兩根導(dǎo)爆索上。預(yù)裂爆破試驗(yàn)參數(shù)見表4。

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試驗(yàn)中預(yù)裂孔經(jīng)常出現(xiàn)孔壁坍塌導(dǎo)致堵孔，進(jìn)一步說明孔內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，孔壁較破碎。試驗(yàn)結(jié)果顯示：同一區(qū)域變質(zhì)凝灰?guī)r普通半壁孔率為33%～51%，不平整度25～50 cm；而采用矩形聚能藥柱的預(yù)裂爆破區(qū)域半壁孔率為64%～82%，不平整度小于20 cm。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，相較于減小預(yù)裂孔距及線裝藥密度，使用矩形聚能爆破半壁孔率明顯較高，且保證半壁孔率的情況下，其預(yù)裂孔距可大于普通預(yù)裂孔距的20%，說明了矩形聚能藥柱有保護(hù)預(yù)留巖體的作用。

分別在爆區(qū)前方（1號(hào)測(cè)點(diǎn)）、后方（2號(hào)測(cè)點(diǎn)）18 m處布置爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：2個(gè)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)合速度分別為47.65 cm/s、25.8 cm/s，相較于爆區(qū)前方測(cè)點(diǎn)，后方測(cè)點(diǎn)減振率達(dá)45.86%，降振作用明顯。與普通裝藥預(yù)裂爆破相比，聚能管裝藥結(jié)構(gòu)聚能爆破的炸藥能量利用率更高，既保證了預(yù)裂縫的順利貫穿，又保護(hù)了預(yù)留邊坡巖體，改善了預(yù)裂面出現(xiàn)傘巖、掛幫、后帶現(xiàn)象，提高了邊坡巖體的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低了邊坡修整的前期處理量與后期維護(hù)費(fèi)用。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)西溝礦節(jié)理裂隙發(fā)育地段預(yù)裂爆破效果差、半壁孔率低、坡面不平整的技術(shù)難題，提出了一種適用于中深孔預(yù)裂爆破的矩形聚能裝藥裝置，并對(duì)其聚能破巖機(jī)理進(jìn)行分析，揭示了預(yù)裂炮孔在裝置形成的聚能射流作用下，從形成切割縫到炮孔連線方向上產(chǎn)生集中拉力，最后實(shí)現(xiàn)復(fù)雜破碎巖體定向拉張斷裂成型的作用過程。

（2）在矩形聚能效應(yīng)理論分析的基礎(chǔ)上，建立了ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模型，提取聚能槽水平方向、垂直方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，并進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：聚能槽水平方向的孔壁應(yīng)力（87 MPa）為垂直方向孔壁應(yīng)力（24.8 MPa）的3.51倍，爆炸能量被充分作用于聚能槽方向，沿炮孔中心豎直方向（即被保護(hù)巖體方向）能量減弱，有效提高了聚能成縫效果。

（3）在西溝礦開展了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用矩形聚能藥柱預(yù)裂爆破區(qū)域半壁孔率為64%～82%，不平整度小于20 cm，遠(yuǎn)優(yōu)于普通預(yù)裂爆破，驗(yàn)證了矩形聚能藥柱裝藥結(jié)構(gòu)的可行性，有效指導(dǎo)了節(jié)理裂隙發(fā)育地段的預(yù)裂爆破作業(yè)，對(duì)于類似礦山有一定的借鑒意義。