束狀孔爆破增強巖石損傷試驗

陳 何，萬串串，彭嘯鵬

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

爆破對巖石產(chǎn)生的損傷程度，一般通過測定爆破前后巖石聲波速度的變化來確定[4-5]?？紤]巖體完整性對爆破破壞的影響，多次爆破產(chǎn)生的巖石中累積損傷作用，也通過測定巖石中聲波速度變化的方法來進行研究[6-7]。定向斷裂控制爆破及空孔的定向斷裂控制作用[8-9]，對組合爆破機理研究具有借鑒意義。

1 爆破損傷試驗設(shè)計

1.1 試驗參數(shù)

試驗地點為銅坑礦92#礦體455水平T213采場202-1#線探礦巷。92#礦體的賦礦巖石由硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)巖組成。穩(wěn)固性好，屬I～II級堅固巖石，礦巖石鑿巖性差，爆破性好。

為研究爆破對巖體的損傷作用，設(shè)計為巖體內(nèi)部的爆破，藥包埋深均大于臨界埋深。由初期爆破試驗，臨界埋深為2.1 m。當量大孔直徑D0=90 mm。每個當量大孔裝藥重量均為3.6 kg的乳化炸藥，裝藥長度為600 mm，炮泥堵塞。

每束炮孔由4個小孔組成，炮孔間距為250 mm，孔徑d0=45 mm，孔深為2.5 m。束間距分別為1、1.5、2、2.5 m。每個炮孔裝藥重量均為0.9 kg乳化炸藥，裝藥長度為600 mm。在束孔組及當量大孔組間布置上下檢測孔，在一側(cè)布置水平檢測孔；垂直單個當量大孔和單個束孔布置5個檢測孔，檢測孔間隔0.5 m，孔深2.5 m。檢測孔孔徑45 mm。

試驗炮孔及檢測孔布置如圖1和圖2所示。

圖1 束狀孔組布置(單位：m)Fig.1 Layout of bunch-holes groups(Unit：m)

圖2 束狀孔與當量大孔布置(單位：m)Fig.2 Layout of bunch-holes and ELH(Unit：m)

采用SY-1型數(shù)字化聲波測試儀，雙孔孔中測定法測試。測量爆破前后兩束狀孔之間及一側(cè)的巖體裂隙擴展及破壞情況。

1.2 試驗編組

爆破試驗編組見表1。測試的每組數(shù)據(jù)均由四個數(shù)字進行編號。前兩個數(shù)字表示：01為束狀孔組1，02為束狀孔組2，03為束狀孔組3，04為束狀孔組4，05為束狀孔組5；06為當量大孔組6，07為當量大孔組7，08為當量大孔組8，09為當量大孔組9，10為當量大孔組10。后兩個數(shù)字表示：01為束狀孔之間，02為當量大孔之間，03為上下探測孔之間爆破前的測試數(shù)據(jù)；04為上下探測孔之間，05為水平探測孔之間爆破后的測試數(shù)據(jù)；第3個數(shù)字4、5、6、7、8為垂直單個當量大孔和單束孔的檢測孔的編號。45、56、67、78為檢測孔之間爆破后的測試數(shù)據(jù)。

表1 爆破試驗數(shù)據(jù)編組Table 1 Data grouping of blasting test

2 試驗結(jié)果

試驗聲波速度測試數(shù)據(jù)見表2。由于試驗處裂隙發(fā)育及炮孔堵塞不良等原因，0504、0645、0704組爆破破壞了測試孔，未能測得相關(guān)數(shù)據(jù)。

表 2 聲波速度測試數(shù)據(jù)匯總 Table 2 Summary of acoustic test data /(m · s-1)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 束狀孔與當量大孔爆破巖體波速特征

束間距、當量大孔間距均為1.0 m條件下，根據(jù)當量大孔與束狀孔爆破后藥包外側(cè)巖體波速數(shù)據(jù)，繪制波速與深度關(guān)系，如圖3所示。

圖3 爆破后巖體波速-深度關(guān)系Fig.3 Relationship between wave velocity and depth in rock mass after blasting

受爆破作用，原有巖體中裂隙進一步發(fā)育，巖體波速整體降低。由爆破機理可知，爆破后以藥包中心向外延伸，依次會形成爆破粉碎區(qū)、爆破裂隙區(qū)和爆破震動區(qū)[5]。對應聲波波速值即波速谷值區(qū)，波速震蕩區(qū)和其他區(qū)域。

由圖3可知，當量大孔爆破密集裂隙區(qū)即谷值區(qū)位于深1.8～2.7 m處，對應于藥包的埋設(shè)范圍(1.9～2.5 m)。束狀孔爆破密集裂隙區(qū)位于深1.8～2.5 m處。當量大孔爆破密集裂隙區(qū)大于束狀孔爆破密集裂隙區(qū)，且范圍更大一些?？紤]波速絕對值，對應當量大孔爆破藥包中心處的巖石波速比束狀孔爆破波速低。

藥包端部的波速振動區(qū)，特別是深2.5～3.3 m區(qū)域，束狀孔波速增長速率低于當量大孔?？芍鵂羁琢严秴^(qū)裂隙擴展情況優(yōu)于當量大孔端部區(qū)域，且過渡更加平緩。這與均質(zhì)介質(zhì)中，束狀孔應力衰減速率低于當量大孔應力衰減速率的結(jié)論相同[3]。

3.2 爆破對巖石的損傷作用

若裂紋的形成與擴展，使巖體的橫截面積A減小到有效承載面積A*，則損傷變量D[5]：

D=1-A*/A

(1)

因為巖石損傷前后密度變化不大，可得用波速表示的損傷變量：

(2)

式中：VP為爆破后巖石的聲波速度，m/s；V0為巖石爆破前的聲波波速，m/s。

1)單束孔與當量大孔的爆破損傷

爆破孔編號為束狀孔組1、當量大孔組1。測孔垂直爆破孔布置。測孔孔口距炮孔深2.5 m，測孔孔底與炮孔鄰近。測孔6垂直藥包中心。

根據(jù)表1聲波速度測試數(shù)據(jù)，由式2計算單束孔與當量大孔爆破的巖石損傷變量見圖4和圖5。

圖4 單束狀孔爆破巖石損傷變量DFig.4 Rock damage variable D of single bunch-holes blasting

圖5 當量大孔爆破巖石損傷變量DFig.5 Rock damage variable D of ELH blasting

在相同爆破損傷程度下，如D=0.45，束狀孔與當量大孔比較，其范圍更大；沿炮孔軸向，損傷程度更平均。

爆破巖石的損傷在炮孔孔口方向較孔底方向的范圍更大。

密集裂隙(D=0.45)時，藥包徑向范圍，束狀孔為0.52 m(5.78D0)，當量大孔為0.50 m(5.56D0)；中等損傷(D=0.25)時，藥包徑向范圍，束狀孔為0.87 m(9.67D0)，當量大孔為0.79 m(8.79D0)；藥包軸向底部范圍，束狀孔為0.10 m(1.11D0)，當量大孔為0.05 m(0.56D0)。

藥包中心線處，隨與藥包距離x的增加，爆破的損傷變量D有：

束狀孔D=0.214 6x-0.949R2=0.954 8

當量大孔D=0.2x-1.05R2=0.947 4

如圖6所示，束狀孔與當量大孔爆破損傷變量均按指數(shù)規(guī)律衰減，當量大孔損傷變量值較束狀孔衰減更快。在爆破近區(qū)(D≥0.45)，當量大孔損傷變量值較束狀孔高；在爆破中遠區(qū)(D=0.25～0.45)時，束狀孔損傷變量值較當量大孔高。

圖6 束狀孔當量大孔爆破巖石損傷變量DFig.6 Rock damage variable D of bunch-holesELH blasting

藥包徑向上一般損傷(D=0.25時)的范圍，束狀孔為0.80 m(8.89D0)，當量大孔為0.75 m(8.33D0)。

在爆破近區(qū)由于爆破沖擊壓力的作用占主導地位，束狀孔中心密集裂隙區(qū)(范圍5.78D0)發(fā)育情況略優(yōu)于當量大孔炮孔(范圍5.56D0)，且密集裂隙區(qū)范圍更大；在一般損傷(D=0.25時)范圍的爆破中遠區(qū)，由于爆生氣體作用比重增加，束狀孔爆破在中遠區(qū)的裂隙區(qū)更發(fā)育，過渡更平緩。

藥包軸向底部范圍，束狀孔為0.10 m(1.11D0)，當量大孔為0.05 m(0.56D0)。束狀孔損傷范圍為當量大孔的2倍。

2)不同束間距、當量大孔間距下爆破對巖石損傷的影響

不同束狀孔/當量大孔間距時，根據(jù)表1聲波速度測試數(shù)據(jù)，由式2計算兩束狀孔/當量大孔間的巖石損傷變量(記為中線處的值)。

由于藥包爆破的端部作用，束狀孔與當量大孔在測線處的深部巖體與淺部巖體的爆破損傷變量值較藥包對應的中部巖體的低。

束間距為2.5(束孔組2)、2.0(束孔組3)、1.5 m(束孔組4)時，束狀孔組爆破對束間巖石損傷的影響見圖7。爆破對巖石的平均損傷變量D分別為0.274、0.285、0.371。巖石的平均損傷變量D隨束間距的減小而增大。束狀孔爆破深部最大影響范圍0.56 m(6.22D0)，淺部最大影響范圍0.45 m(5.00D0)。

圖7 不同束間距的束狀孔爆破巖石損傷變量D隨深度的變化Fig.7 Variation of damage variable D with a depth of bunch-holes blasting in different bunch-holes spacings

當量大孔間距為2.0(大孔組8)、1.5(大孔組9)、1.0 m(大孔組10)時，當量大孔組爆破對當量大孔間巖石損傷的影響見圖8。爆破對巖石的平均損傷變量D分別為0.287、0.359、0.379，巖石的平均損傷變量D隨當量大孔間距的減小而增大。當量大孔爆破深部最大影響范圍0.85 m(9.44D0)，淺部最大影響范圍0.60 m(6.67D0)。

圖8 不同孔間距當量大孔組爆破損傷變量D隨深度的變化Fig.8 Variation of damage variable D with a depth of ELHs blasing in different ELHs spacings

間距對束狀孔與當量大孔爆破損傷影響對比：

間距為1.5、2.0 m時，不同測深時束狀孔與當量大孔爆破損傷對比見圖9和圖10。

圖9 間距1.5 m時，束狀孔/當量大孔爆破損傷變量D隨深度的變化Fig.9 Variation of damage variable D with a depth of bunch-holes/ELH blasting in spacing 1.5 m

圖10 間距2.0 m時，束狀孔/當量大孔爆破損傷變量D隨深度的變化Fig.10 Variation of damage variable D with a depth of bunch-holes/ELH blasting in spacing 2.0 m

束狀孔/當量大孔間距2.0 m(22.22D0)時，束狀孔爆破巖石損傷變量與當量大孔基本相等；束狀孔/當量大孔間距1.5 m(16.67D0)時，束狀孔爆破巖石損傷變量大于當量大孔爆破的巖石損傷變量。

束狀孔組、當量大孔組，單個束狀孔、單個當量大孔爆破巖石損傷變量對比，見表3。

表3 束狀孔、當量大孔爆破巖石損傷變量對比Table 3 Comparison of rock damage variables of bunch-holes and ELH blasting

束狀孔/當量大孔間距1.5(16.67D0)、2.0 m(22.22D0)爆破時，在組間疊加破壞作用較單孔損傷變量值增加30%～40%。

3)不同束間距、孔間距爆破對束狀孔與當量大孔外側(cè)巖石損傷的影響

外側(cè)測孔距相鄰束狀孔或當量大孔的距離為0.5、1.0 m。測線中心距束狀孔或當量大孔的距離為0.75 m。爆破對外側(cè)巖石的損傷變量見圖11和圖12。

圖11 不同束間距爆破束狀孔外側(cè)巖石損傷變量D隨深度的變化Fig.11 Variation of damage variable D with a depth of different bunch-holes spacings at the outside

圖12 不同孔間距爆破當量大孔外側(cè)巖石損傷變量D隨深度的變化Fig.12 Variation of damage variable D with a depth of different ELHs spacings at the outside

外側(cè)損傷變量在藥包埋設(shè)對應的范圍內(nèi)較高。損傷變量隨束間距、大孔間距的加大而減小?？傮w上束狀孔爆破的損傷變量較當量大孔的高。

當量大孔間距1.0 m時，外側(cè)的損傷變量值D=0.423～0.639，當量大孔間的損傷變量值D=0.314～0.459。外側(cè)的損傷變量值較組間的高。其主要原因是測孔(空孔)平行爆破孔，距離僅0.5 m，因空孔效應，增加了巖石的破壞程度。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場爆破試驗，對比研究束狀孔與當量大孔的爆破作用，揭示了束狀孔爆破增強巖石損傷規(guī)律。

1)單束孔或單個當量大孔爆破時，藥包側(cè)面爆破損傷范圍較兩端大，巖石的縱波速度較低。隨距藥包的距離增加，損傷變量值呈指數(shù)下降，當量大孔損傷變量值較束狀孔下降更快。在爆破近區(qū)(x<5.56D0)，當量大孔損傷變量值較束狀孔高。在爆破中遠區(qū)(x≥5.56D0)時，束狀孔損傷變量值較當量大孔高。

與束狀孔爆破相比，當量大孔集中裝藥爆破沖擊壓力更高，對近區(qū)巖石的過粉碎更大，在爆破中遠區(qū)爆破效果較差。

2)束狀孔組與當量大孔組爆破時，組間距增加，組間巖石的損傷變量值下降。相同間距條件下，束狀孔間巖石的爆破損傷變量值大于或等于當量大孔損傷變量值。束狀孔/當量大孔間距1.5(16.67D0)、2.0 m(22.22D0)爆破時，在組間疊加破壞作用較單孔損傷變量值增加30%～40%。

組間巖石的損傷為相鄰炮孔爆破作用的疊加產(chǎn)生。由于巖石破壞的塑性變形性質(zhì)，這種疊加作用為非線性。組間巖石的破壞仍以單束孔或單孔的爆破作用為主。

3)束狀孔組與當量大孔組爆破時，炮孔外側(cè)巖石的損傷規(guī)律與組間的一致。但因空孔效應，外側(cè)巖石的損傷變量值較組間的高。

4)在爆破中遠區(qū)及組間，束狀孔爆破的巖石損傷變量較當量大孔高，其具有更高的破巖效率。