劉敦文，蔡才武，唐 宇，楊學(xué)成

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083；2.上海隧道工程有限公司，上海 200082)

爆破作為目前主要的高效破巖方式，廣泛應(yīng)用于各項巖體工程開挖中。盡管爆炸釋放的大量能量可以有效完成破巖工作，但是如何高效利用爆炸產(chǎn)生的能量始終是困擾工程界的難題。如何采取合理方式將爆炸能量在致裂作用和粉碎作用時進(jìn)行分配，需要視具體工程而定。如：地下采礦工程中，需要保證破碎塊度，滿足出礦要求，希望盡可能將爆炸能量用于巖石的破碎與拋擲；而在巷道掘進(jìn)時，只要將巖體破碎到滿足就地裝載出渣即可，過度破碎帶來的大量能量損耗，降低了破巖效率。因此，爆炸產(chǎn)生的能量利用情況直接影響著施工效率和成本，在爆破過程中，有必要對其能量進(jìn)行合理分配和控制。

爆炸能量分配直接影響爆破效果，各國專家對此開展了大量研究。Brinkman J R.[1]利用炮孔套管法將沖擊波和爆炸產(chǎn)物的作用分離，得出爆炸總能量的10%～20%可轉(zhuǎn)化為沖擊波有效破巖，50%～60%的能量轉(zhuǎn)化為爆生氣體膨脹做功輔助破巖，其余能量則轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或動能間接損失掉。宗琦[2]對巖石耦合柱狀裝藥爆破的研究結(jié)果也得到了相似結(jié)論，爆腔擴(kuò)展過程中的能量消耗占炸藥爆炸總能量的10%左右。Ouchterlony Finn等[3]系統(tǒng)性地測試了爆破時的能量損耗，得出巖體過度破碎能量的損失占20%～40%，拋擲動能占10%～20%，地震能占5%～10%，破碎能占0.1% ～0.2%。吳亮等[4]通過對同種炸藥在不同巖性中耦合裝藥的爆破能量分布計算，得出埋深在臨界深度以下時，爆炸沖擊波作功能量約占爆炸總能量的40%，剩余爆生氣體能量中用于擴(kuò)腔和擴(kuò)展主要裂隙的能量約占總能量的23%，剩余大約37%的能量基本損失掉了。謝和平等[5]在研究煤體爆炸破裂時發(fā)現(xiàn)，裂隙擴(kuò)展伴隨著斷裂面的增加，導(dǎo)致應(yīng)力波能量轉(zhuǎn)化為破巖區(qū)形成新表面所需的表面能，能量產(chǎn)生耗散。以上研究表明，由于爆破過程本身的特性，在爆破作業(yè)中，有較多的爆破能量損耗在了巖體的粉碎和過度破壞上，使遠(yuǎn)離爆源區(qū)的巖石致裂效果降低，這對于破碎程度需求不高的開挖工程來說，爆炸能量只有少部分用于有效破巖，能量利用率低。

針對爆炸能量利用率低的問題，在各項能量消耗理論計算的研究基礎(chǔ)上，開展了大量工程實(shí)踐應(yīng)用。其中，通過改變裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定向斷裂爆炸能量控制技術(shù)，如切縫藥包裝藥破巖[6]，雙聚能光面爆破技術(shù)[7]得到了廣泛應(yīng)用，并且在開挖輪廓面的成型控制中，取得了較好的破巖效果和經(jīng)濟(jì)效益。但是要實(shí)現(xiàn)對炸藥能量分配的完全控制，仍然具有很大的難度。因此，多向聚能爆破作為一種新的破巖思路在此時被提出，并有部分研究者進(jìn)行了一些初步的探索工作。羅文[8]提出一種利用深孔切槽和多向聚能藥柱爆破技術(shù)來提高爆破塊石料獲得率的設(shè)想；任廣學(xué)等[9]進(jìn)行了多向聚能爆破與常規(guī)爆破的爆破漏斗體積對比試驗，結(jié)果表明多向聚能爆破提高了炸藥利用率；周巍煒[10]在某礦運(yùn)巷道開挖工作面上采用多向聚能爆破技術(shù)掘進(jìn)，提高了進(jìn)尺和巷道斷面精度。以上研究在多向聚能爆破破巖方面取得了一定進(jìn)展，積累了研究經(jīng)驗，但對于多向聚能裝置的能量利用效率，爆破裂紋控制及擴(kuò)展規(guī)律的研究，仍需更多細(xì)致的工作予以豐富和補(bǔ)充。

綜上所述，為了進(jìn)一步研究多向聚能爆破作用下的巖石裂紋擴(kuò)展特征和破壞規(guī)律，獲得更多的聚能爆破參數(shù)，基于聚能爆破破巖理論，結(jié)合裝藥結(jié)構(gòu)對爆炸能量分配的影響，提出了一種帶有多向聚能槽的裝藥結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合微風(fēng)化花崗巖的爆破裂紋分布情況和爆破效果，分析該多向聚能裝藥爆破能量的控制作用，通過對比多向聚能爆破與常規(guī)爆破在破巖方面的優(yōu)劣，為爆破工程高效破巖提供參考。

1 多向聚能爆破基本理論

1.1 多向聚能爆破破巖特征

聚能爆破是利用一定的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計出特定的聚能藥包對爆破介質(zhì)實(shí)現(xiàn)定向致裂[11]，該方法具有能量集中、方向性強(qiáng)、穿透力大、能量密度高的特點(diǎn)。

以花崗巖爆破試驗為例，分析帶“V”形槽的多向聚能裝藥爆破破巖機(jī)理。多向聚能藥柱在炮孔引爆后，爆炸沖擊波首先在聚能槽方向卸載，5個聚能槽附近的炸藥均產(chǎn)生高溫、高壓、高速、高能量密度的聚能射流，聚能射流強(qiáng)大的侵徹作用在孔壁上“切割”巖體形成切槽(見圖1)。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，炸藥的爆破能在切槽的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時，切槽失穩(wěn)擴(kuò)展，隨著切槽越深其強(qiáng)度應(yīng)力因子越大，應(yīng)力集中越明顯，切槽裂紋進(jìn)一步向前延伸。隨后爆生氣體進(jìn)入裂紋，在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下驅(qū)動裂紋迅速擴(kuò)展成5條主裂縫。而爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力將兩相鄰主裂紋之間的巖石拉裂形成環(huán)向裂紋，裂紋相互貫穿切割，使巖石發(fā)生破裂破碎，殘余的氣體壓力將巖塊向外拋擲與母巖分離。

圖1 多向聚能藥柱射流侵徹巖體
Fig.1 Multi-direction cumulative jet penetrates rock mass

1.2 多向聚能爆破破巖能量分析

破裂區(qū)作為巖體破碎崩落的主體，其范圍大小和巖石破碎程度決定了爆破破巖的效果。在多向聚能爆破中，由于聚能侵徹作用，爆炸能量在巖石作用區(qū)域的分配比例發(fā)生變化，能量集中在炮孔近中區(qū)特定的方向，從而減少了粉碎區(qū)的消耗，有效地控制了破裂區(qū)巖石的致裂情況。同時由于聚能管外殼消耗了瞬時爆炸的部分能量，起到了緩沖峰值壓力保護(hù)孔壁的良好作用，延長了作用時間，爆生氣體促使裂紋擴(kuò)展更遠(yuǎn)，擴(kuò)大了巖體破碎范圍[12]。與常規(guī)爆破相比，多向聚能爆破能量集中，減少了沖擊波對炮孔壁整體的壓縮作用，縮小了粉碎區(qū)的范圍，使更多的能量轉(zhuǎn)化為巖石的有效破碎能。

2 試驗方案

2.1 多向聚能管參數(shù)確定

采用帶“V”形槽的多向聚能管進(jìn)行爆破試驗，對破巖效果影響最大的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是聚能槽的錐角和數(shù)目。

1)聚能槽錐角。錐角的大小決定著聚能射流的速度和質(zhì)量，角度過小時聚能射流形成不穩(wěn)定，角度過大時則影響定向裂紋深度。通過建立聚能裝藥爆炸分析模型，求解有效聚能炸藥邊界方程可得最佳錐角[13]，結(jié)合聚能爆破開挖工程實(shí)踐，一般線性聚能槽錐角為60°～75°[14-15]時聚能效應(yīng)最好，本設(shè)計聚能槽錐角選取為60°。

2)聚能槽數(shù)目。爆破時裂縫擴(kuò)展速度和長度受應(yīng)力大小的影響，在爆炸能量一定的條件下，聚能射流產(chǎn)生的應(yīng)力集中隨著聚能槽數(shù)目的增加而減小。裂端應(yīng)力過小時，會限制裂縫擴(kuò)展的長度，因此適宜的定向裂縫數(shù)量影響著巖石整體的致裂范圍?，F(xiàn)有研究的4～6向聚能爆破在一定程度上均能改善爆破效果，本次探究放射狀定向致裂巖體的破巖效果，力求取得理想的破巖深度，所以設(shè)計5個聚能槽。

2.2 多向聚能管制作

設(shè)計的多向聚能管采用高強(qiáng)度紅鋼紙制成，密度約1.4 g/cm3，厚度為0.12 cm，內(nèi)徑3.5 cm，長度由試驗的裝藥量而定。紅鋼紙是一種堅硬度很高的加工制品，強(qiáng)度接近鋁，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，以此確保聚能射流的形成。多向聚能管的5個“V”型槽均勻分布在管內(nèi)壁，徑向長度0.8 cm，聚能槽錐角為60°。多向聚能管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多向聚能管實(shí)物與斷面
Fig.2 Physical and sectional of multi-directional cumulative tube

2.3 試驗設(shè)計

試驗在某在建高速公路開挖邊坡上進(jìn)行，該邊坡圍巖主要為微風(fēng)化花崗巖，質(zhì)硬脆，圍巖等級為Ⅲ級,在巖石伺服液壓試驗機(jī)上測得該類型巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σc=125 MPa，抗拉強(qiáng)度σt=5.44 MPa。在該邊坡上選取圍巖較完整，節(jié)理裂隙較不發(fā)育的部分作為試驗區(qū)域。

用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)在邊坡鉆6個水平孔，炮孔編號為1#～6#，孔徑均為42 mm，孔深均為60 cm，為避免各炮孔之間的影響，相鄰炮孔間距設(shè)定為2.5 m，逐孔爆破。使用標(biāo)準(zhǔn)2號巖石乳化炸藥，規(guī)格為φ32 mm×200 mm，每卷200 g，試驗用炸藥質(zhì)量分別為50、100、200 g。將裝藥結(jié)構(gòu)與藥量不同的6個炮孔分為3組進(jìn)行對比試驗(見表1)。

表1 試驗分組

2.4 試驗步驟

1)用膠帶將多向聚能管一端平封，從另一端口將50 g乳化炸藥擠入管內(nèi)。

2)用砂與黏土合制的炮泥填塞聚能管上端口，與管口平齊時，用膠帶將端口平封。

3)將導(dǎo)爆管雷管插入藥包底部中心位置，采用反向起爆。

4)藥管用炮棍輕輕送入炮孔底部，用炮泥將炮孔充分填塞。

5)孔口前放置一捆樹枝防止碎石飛濺，在坡面上鋪設(shè)一張彩條布用來收集爆堆。

6)將雷管引線與起爆器連接，在安全距離外引爆。

7)待爆破結(jié)束確認(rèn)安全后進(jìn)入爆破現(xiàn)場，測量爆破的可見裂紋和殘孔尺寸等參數(shù)。

8)其余2組根據(jù)試驗設(shè)計改變裝藥量的情況下重復(fù)步驟1～7。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 破巖試驗效果與分析

試驗共獲得3組不同裝藥結(jié)構(gòu)下的爆炸破巖效果，當(dāng)裝藥量為50 g時，未觀測到巖石有效宏觀損傷；當(dāng)裝藥量為100 g和200 g時，爆后炮孔內(nèi)壁裂隙及巖石表面的宏觀裂紋擴(kuò)展較明顯。以裝藥量為100 g炮孔內(nèi)壁裂隙情況和200 g的巖石表面致裂情況為例，對比常規(guī)爆破和多向聚能爆破產(chǎn)生的效果。

當(dāng)裝藥量為100 g時，爆破后的圍巖表面未崩落碎石，未見明顯裂隙，只在炮孔壁周圍產(chǎn)生了損傷破壞。采用多向聚能裝藥的4#孔壁在聚能射流方向上出現(xiàn)了刻槽現(xiàn)象，并且進(jìn)一步發(fā)育成了5條主裂紋，其中4條裂紋延伸至炮孔口，炮孔壁其他方向保持相對完整光滑，未受到明顯的破壞(見圖3a)。常規(guī)裝藥的3#孔壁表面整體呈現(xiàn)不規(guī)則破壞，孔內(nèi)出現(xiàn)較多碎石，炮孔壁上只有1條損傷嚴(yán)重且不規(guī)整的裂縫，沿著裂縫方向有較多破碎坑(見圖3b)。由此可知，多向聚能藥柱聚能方向性較強(qiáng)，能產(chǎn)生預(yù)期定向裂紋，證明設(shè)計的多向聚能裝置是可行有效的，為更進(jìn)一步的試驗分析提供了事實(shí)依據(jù)。

圖3 孔壁裂紋擴(kuò)展形態(tài)
Fig.3 Crack growth pattern of hole wall

當(dāng)裝藥量為200 g時，試驗區(qū)域圍巖大部分被崩落，并出現(xiàn)可見裂紋。盡管兩種爆破方式都造成了巖體的崩落，但多向聚能爆破后的破碎面相對平整，巖體崩落量較大，從炮孔中心沿聚能方向產(chǎn)生了5條主裂紋，在各主裂隙之間分布著多條斷續(xù)微小裂紋(見圖4a)；常規(guī)裝藥爆破后的破碎面較為粗糙，巖體崩落量較少，炮孔周圍巖體仍保持相對完整的狀態(tài)，在炮孔周邊出現(xiàn)了2條近似對稱的主裂紋(見圖4b)。

圖4 爆后圍巖形態(tài)與裂紋分布
Fig.4 Shape and crack distribution of surrounding rock after blasting

藥量為200 g時，爆破后常規(guī)爆破殘孔深27 cm，殘孔半徑為26 mm(見圖5a)；多向聚能爆破殘孔深16 cm，殘孔半徑為22.5 mm(見圖5b)。聚能爆破相較于常規(guī)爆破，其殘孔較淺，孔徑變化??；而常規(guī)爆破方法中，其殘孔較深，孔徑有一定程度的擴(kuò)大，殘孔壁上巖石粉碎破壞明顯，且遭遇強(qiáng)烈損傷的碎石顆粒散布在孔內(nèi)。比較二者的殘孔狀態(tài)，可以說明在多向聚能方法下，爆破能量的去向發(fā)生了變化，粉碎區(qū)的破壞程度明顯減小，原先用以粉碎巖石的部分爆破能量轉(zhuǎn)化到了對特定裂隙的擴(kuò)展與巖體剝離中，使得多向聚能爆破條件下炮孔利用率有所提高。

圖5 殘孔尺寸
Fig.5 Residual hole size

將現(xiàn)場實(shí)測殘孔參數(shù)及破巖方量進(jìn)行統(tǒng)計分析，爆破參數(shù)如表2所示。

表2 爆破參數(shù)Table 2 Blasting parameters

由表2可知，與常規(guī)爆破相比，多向聚能爆破炮孔利用率提高了18%，巖渣平均塊度增大了28%，巖石炸藥單耗降低了32.5%，在破巖效率方面多向聚能爆破具有明顯優(yōu)勢。

為精確定量比較破巖效果，通過殘孔尺寸參數(shù)、裂隙長度測量結(jié)果，結(jié)合圖像識別方法，對爆破效果進(jìn)一步分析計算(見圖6)。

在微風(fēng)化花崗巖爆后圍巖的宏觀破壞區(qū)域里，多向聚能爆破后擴(kuò)大的空腔半徑為2.25 cm，面積為15.90 cm2；空腔外是一個由5條主裂隙構(gòu)成的圓環(huán)形裂紋分布區(qū)域，外徑為18.17 cm，面積為1 020.77 cm2，其中主裂隙寬度約2～3 mm，長度分別為：18.8、16.7、12.2、17.3、14.6 cm。常規(guī)爆破后擴(kuò)大的空腔半徑為2.6 cm，面積為21.23 cm2；空腔外的裂紋范圍以2條主裂隙附近的裂紋為邊界，構(gòu)成了一個外徑為20.28 cm，角度為217°的扇形區(qū)域，面積為765.64 cm2，產(chǎn)生的2條主裂隙寬度在2 mm以下，長21.8 cm和19.2 cm。

圖6 圍巖爆破作用分區(qū)
Fig.6 Zone of surrounding rock blasting

對比兩種爆破方式作用下的空腔面積和宏觀裂紋分布區(qū)面積可知，多向聚能爆破粉碎區(qū)的范圍縮小了25.1%，宏觀致裂范圍擴(kuò)大了33.3%。說明在炸藥總能量不變的條件下，多向聚能藥柱把能量集中到了巖石的致裂上，顯著增大了巖石致裂范圍。微風(fēng)化花崗巖中還存在少量原生微小節(jié)理，圖6a中的爆破裂紋區(qū)域內(nèi)除了產(chǎn)生定向主裂隙外，在主裂隙發(fā)育與擴(kuò)展的同時往原生節(jié)理面方向亦產(chǎn)生了衍生裂紋，衍生裂紋的形成消耗了一部分的表面能，影響了定向裂隙的擴(kuò)展，但多向聚能爆破在5個聚能方向上人為產(chǎn)生的高應(yīng)力集中，仍可較充分地利用爆炸能量，對近中區(qū)內(nèi)的圍巖形成了較為明顯的破裂。而圖6b的爆生裂紋集中在原生節(jié)理附近，裂紋區(qū)域外部巖體相對較為致密，也說明在能量水平不高的情況下，常規(guī)爆破在經(jīng)過粉碎區(qū)能量的耗散后，剩下的爆炸能難以對較為完好的圍巖進(jìn)行有效破巖。

3.2 試驗結(jié)果討論

通過分析微風(fēng)化花崗巖破巖試驗結(jié)果，多向聚能爆破相比常規(guī)爆破方法，具有定向致裂和降低炸藥單耗的明顯優(yōu)勢，但該方法的應(yīng)用也有一定的局限性。

1)多向聚能爆破定向致裂的根源在于，聚能射流的存在改變了爆破時炮孔周圍巖石的應(yīng)力場分布，爆破所產(chǎn)生的高能沖擊波往特定方向匯聚，優(yōu)先對聚能方向正對的炮孔壁巖石進(jìn)行強(qiáng)烈沖擊，炮孔壁近中區(qū)巖石發(fā)生急劇的變化，快速產(chǎn)生塑性破壞，繼而在聚能方向最先產(chǎn)生長裂紋；當(dāng)爆生氣體滲入到長裂紋時，其他短裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI變?yōu)樨?fù)值，此時短裂紋將發(fā)生閉合，不能再擴(kuò)展[16]，而長裂紋則在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下進(jìn)一步的延伸加長。試驗2中，4#孔壁上聚能方向有較為明顯的宏觀裂隙產(chǎn)生，周邊其余部分則較為完好，也印證了文獻(xiàn)[16]關(guān)于爆生氣體對巖石裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究。

2)本試驗設(shè)計的多向聚能爆破相比常規(guī)爆破方法，避免了大量隨機(jī)裂紋的產(chǎn)生和炮孔壁的均勻受力耗散爆破能量，巖石炸藥單耗降低了32.5%，有效提高了炸藥能量利用率。聚能結(jié)構(gòu)所形成的射流具有強(qiáng)大的侵徹作用，從而保證了孔壁徑向主裂紋只按預(yù)定方向起裂和擴(kuò)展。而孔壁周圍其余部位應(yīng)變峰值大幅度減小，一方面使爆破的能量優(yōu)先擴(kuò)展已形成的弱面裂隙，增大了巖石的致裂范圍，有助于提高爆破開挖效率；另一方面粉碎區(qū)和過度破碎的減少有利于降低爆破粉塵，加快后續(xù)的通風(fēng)出渣工作，能進(jìn)一步提高工作效率。

3)工程研究表明，地質(zhì)條件是獲得預(yù)期爆破效果的重要考慮因素。對節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石，巖體易沿原生節(jié)理面開裂，當(dāng)高能射流與節(jié)理面交匯時，射流的侵徹作用和弱結(jié)構(gòu)面的層裂相互抑制，裂紋的擴(kuò)展長度減小；對于軟巖巖體，爆破能量易沿孔壁原生裂隙發(fā)生沖楔作用，聚能效果較差[17]。因此，該多向聚能爆破方法適用于節(jié)理裂隙較不發(fā)育的硬巖開挖。

現(xiàn)場試驗進(jìn)一步揭示了多向聚能爆破技術(shù)的破巖機(jī)理，在相同條件下，綜合對比兩種破巖方式爆后圍巖的破裂深度、破巖方量、炮孔利用率等數(shù)據(jù)，證明了在破巖效率上，多向聚能爆破技術(shù)要優(yōu)于常規(guī)爆破，其應(yīng)用于工程爆破生產(chǎn)實(shí)踐中，有望減少炮孔數(shù)、降低炸藥單耗、提高巖石致裂塊度，為現(xiàn)場高效爆破破巖提供了新途徑。

4 結(jié)論

1)聚能爆破利用聚能射流侵徹巖體實(shí)現(xiàn)定向致裂，基于此原理設(shè)計了一種帶“V”形槽的多向聚能裝置，該裝藥結(jié)構(gòu)理論上可增加巖石的破裂范圍，降低爆炸粉碎區(qū)和過度破碎的能耗，提高破裂區(qū)的能量利用率。

2)試驗2中，討論了小藥量爆破作用下微風(fēng)化致密花崗巖裂紋擴(kuò)展分布形式，在炮孔壁上多向聚能爆破產(chǎn)生了5個聚能方向的定向裂紋，而常規(guī)爆破產(chǎn)生隨機(jī)裂紋，呈現(xiàn)不規(guī)則破壞，驗證了本文所述的多向聚能藥柱設(shè)計是可行有效的。

3)試驗3中，在巖質(zhì)堅硬、微節(jié)理裂隙的花崗巖條件下，多向聚能爆破產(chǎn)生了明顯的宏觀定向破裂區(qū)，有效破裂面積1 020.77 cm2，巖渣平均塊度為0.32 m，炸藥單耗1.06 kg/m3；常規(guī)爆破下的破裂區(qū)域不明顯，有效破裂面積765.64 cm2，巖渣平均塊度為0.25 m，炸藥單耗1.57 kg/m3；相比于常規(guī)爆破，多向聚能爆破粉碎區(qū)的范圍縮小了25.1%，宏觀破裂區(qū)的破裂范圍擴(kuò)大了33.3%，巖渣平均塊度增大了28%，炸藥單耗降低了32.5%。