管偉明，南森林，齊 琦，張軍輝

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)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(xué)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(fù)雜互層狀態(tài)的覆巖在準(zhǔn)東、烏魯木齊等諸多大型露天開(kāi)采礦區(qū)出現(xiàn)頻繁，在爆破過(guò)程中由于互層巖體各巖層的力學(xué)差異性較大，致使爆破能量分布不均，進(jìn)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(wèn)題出現(xiàn)[1-3]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)層狀巖體的爆破技術(shù)及機(jī)理研究較早，ASH[4]最先闡明了層狀巖體在爆炸應(yīng)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(gòu)面延展還能向自由面方向新生；MARGOLIN[5]在此基礎(chǔ)上以油頁(yè)巖為研究對(duì)象給出了具體的裂縫延展方向的判據(jù)及長(zhǎng)度的計(jì)算方法；OZCELIK[6]進(jìn)一步細(xì)致研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面內(nèi)的充填物會(huì)大幅影響應(yīng)力波的衰減速度，由此也證明了軟弱夾層是影響應(yīng)力波分布的重要因素。我國(guó)學(xué)者王玉杰等[7]和李夕兵[8]揭示了爆破應(yīng)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(jī)理，奠定了互層巖體爆破技術(shù)研究的理論基礎(chǔ)；郝亞飛[9]在上述理論基礎(chǔ)上在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對(duì)含軟弱夾層順層巖體進(jìn)行了不同裝藥結(jié)構(gòu)的模擬研究，發(fā)現(xiàn)裝藥位置距離軟弱夾層越遠(yuǎn)，巖體的順層滑動(dòng)效應(yīng)越??；韓新平等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)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(tái)階爆破效果最重要的因素。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究可見(jiàn)，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(yīng)力波的傳播路徑，能量在軟弱層處作用過(guò)多使得此處巖層產(chǎn)生了過(guò)粉碎及飛石等問(wèn)題，而硬巖處應(yīng)力波未能充分作用而產(chǎn)生大塊、根底等問(wèn)題?，F(xiàn)有的研究也證明解決上述問(wèn)題的最佳方法是改變炮孔內(nèi)的裝藥結(jié)構(gòu)，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(yīng)用中最為關(guān)鍵的是需要準(zhǔn)確把握爆破臺(tái)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(shè)計(jì)具體的爆破參數(shù)。然而在實(shí)際的施工過(guò)程中常常會(huì)遇到含有一層或多層力學(xué)性質(zhì)及層厚相差不大的復(fù)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(jìn)，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(zhǔn)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(duì)上述問(wèn)題，本文在前人的研究基礎(chǔ)上擬從互層巖體臺(tái)階爆破能量分布特征著手，通過(guò)分析主控巖層對(duì)最小抵抗線的改變機(jī)理，闡明應(yīng)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(gòu)建一種考慮臺(tái)階整體單耗及各巖層局部能耗分布特征的分級(jí)方法，為互層巖體臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 主控巖層對(duì)炸藥能量分布特征的影響機(jī)理

為了探明互層巖體中主控巖層對(duì)炸藥能量分布的影響規(guī)律，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)手冊(cè)設(shè)計(jì)了如圖1所示的10 m臺(tái)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(yè)巖，各巖層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

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

針對(duì)該模型采用了連續(xù)裝藥和間隔裝藥兩種裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)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(shí)爆破后速度場(chǎng)分布情況，其中箭頭代表質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。從速度在各層的分布來(lái)看，連續(xù)裝藥時(shí)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(diǎn)速度差異很大；間隔裝藥時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速度沒(méi)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(gòu)巖體質(zhì)點(diǎn)速度場(chǎng)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(huì)沿著該方向傳播，但互層巖體臺(tái)階爆破最顯著的特點(diǎn)是臺(tái)階內(nèi)各巖層工程特性差異較大，在此條件下爆炸應(yīng)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(shè)計(jì)需求。應(yīng)力波在不同介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)生反射和透射，當(dāng)主控巖層的波阻抗較小時(shí)，相當(dāng)于在臺(tái)階內(nèi)形成了一個(gè)弱自由面，因此，會(huì)影響到臺(tái)階內(nèi)最小抵抗線的方向。如圖3所示，在連續(xù)裝藥時(shí)，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(dāng)有了主控巖層形成的弱自由面時(shí)，最小抵抗線可能會(huì)根據(jù)弱自由面有所變化，此時(shí)形成了新的抵抗線方向(雙點(diǎn)劃線)，具體方向和主控巖層的波阻抗、厚度及位置有關(guān)，因此，炸藥能量的傳遞方向也會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(yīng)盡可能的使藥柱中心位置距離軟弱夾層遠(yuǎn)些，以此減小主控巖層對(duì)爆破效果的影響，對(duì)比連續(xù)裝藥和間隔裝藥可見(jiàn)間隔裝藥時(shí)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(duì)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(yīng)力波的傳遞方向和分布特征，且主控巖層的力學(xué)特性、幾何特征及空間位置對(duì)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(guān)鍵技術(shù)，但在間隔裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中須準(zhǔn)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(shí)際臺(tái)階內(nèi)各巖層的厚度、傾角、力學(xué)參數(shù)等有多種多樣的組合方式，臺(tái)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(qiáng)，這對(duì)快速準(zhǔn)確判斷主控巖層的位置帶了一定的難度。

2 基于能耗分級(jí)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(yīng)是力學(xué)性質(zhì)差異較大且具有一定厚度的巖層，而波阻抗是反應(yīng)巖性與爆破能耗關(guān)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(biāo)準(zhǔn)，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(jí)劃分區(qū)間；然后，根據(jù)波阻抗和厚度百分比計(jì)算各層能耗及累加總體能耗，將總能耗與5級(jí)區(qū)間對(duì)比確定臺(tái)階整體能耗等級(jí)，以此預(yù)測(cè)炸藥單耗量；最后，計(jì)算各巖層能耗等級(jí)與臺(tái)階總體能耗等級(jí)間的絕對(duì)級(jí)差和能耗百分比的乘積值，最大值的巖層作為該臺(tái)階的主控巖層。具體步驟如下所述。

2.1 巖層波阻抗等級(jí)劃分區(qū)間的構(gòu)建

首先，通過(guò)取樣測(cè)試獲取各巖層的密度和縱波速，并根據(jù)Ri=ρiCi計(jì)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(tái)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(jì)算出5個(gè)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(jí)依據(jù)。

2.2 臺(tái)階整體炸藥單耗量的預(yù)測(cè)

巖石的波阻抗Ri反應(yīng)了應(yīng)力波在巖體中傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生單位速度所需要的擾動(dòng)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(dòng)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(jiàn)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(duì)于整個(gè)臺(tái)階需要的載荷功率可表述為R1×V1+R2×V2+…+Ri×Vi(單位：W)，則臺(tái)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(tái)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(duì)值，僅做定性比較使用，因此，可考慮在單個(gè)炮孔的控制范圍內(nèi)，各個(gè)巖層的體積Vi與其厚度Di幾乎成正比例關(guān)系，臺(tái)階整體體積同樣也與臺(tái)階高度H成正比例關(guān)系，因此，可將臺(tái)階功率密度Pw的表述簡(jiǎn)化為式(2)，對(duì)式(2)進(jìn)行量綱分析可知Pw與波阻抗R單位相同，臺(tái)階功率密度即為臺(tái)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(tái)階整體的炸藥單耗，可將計(jì)算得到的臺(tái)階波阻抗Pw值與2.1節(jié)中構(gòu)建的波阻抗5級(jí)區(qū)間進(jìn)行對(duì)比，確定該爆破臺(tái)階的整體炸藥單耗等級(jí)，由此可以根據(jù)以往同類巖石爆破的單耗經(jīng)驗(yàn)得到該臺(tái)階的炸藥單耗量。

2.3 主控巖層位置的判別

在獲取臺(tái)階爆破炸藥單耗后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)單個(gè)炮孔內(nèi)的裝藥量，但對(duì)于互層巖體還需針對(duì)主控巖層設(shè)計(jì)間隔裝藥結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步確定主控巖層的位置。在復(fù)雜互層條件下定位主控巖層需準(zhǔn)確掌握軟硬巖層在臺(tái)階內(nèi)的空間分布特征，可根據(jù)巖石波阻抗進(jìn)行分級(jí)，將爆破臺(tái)階內(nèi)各個(gè)巖層的波阻抗Ri與波阻抗5分級(jí)區(qū)間進(jìn)行匹配，獲取臺(tái)階自由坡面上巖層波阻抗等級(jí)的空間分布特征。主控巖層應(yīng)為波阻抗等級(jí)相對(duì)差異性較大，且具有一定厚度的巖層，因此，可以先計(jì)算各層波阻抗等級(jí)與臺(tái)階整體波阻抗等級(jí)間的絕對(duì)級(jí)差|N|(例如，高級(jí)和中級(jí)間相差較低和較高2級(jí)，則|N|=2)，然后按式(3)計(jì)算各個(gè)巖層的波阻抗在臺(tái)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(jì)算的基礎(chǔ)上按式(4)計(jì)算主控巖層位置判別系數(shù)Km，并選取最大值對(duì)應(yīng)的巖層作為主控巖層即可。

Km=Pi×|N|

(4)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程還可根據(jù)以往同一礦區(qū)的同類巖石的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行波阻抗的確定，以此提高工作效率。此外，應(yīng)力波在巖體中的傳播不但與巖石自身的波阻抗相關(guān)，還與巖體中的裂隙、結(jié)構(gòu)面等巖體完整性正相關(guān)，因此炸藥單耗量還應(yīng)結(jié)合巖體的具體情況進(jìn)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(chǎng)驗(yàn)證

3.1 主控巖層的判別過(guò)程

為了驗(yàn)證上述判別方法在復(fù)雜互層巖體臺(tái)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(jìn)行了應(yīng)用，并設(shè)置對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。如圖4所示，根據(jù)臺(tái)階內(nèi)巖體的巖性實(shí)際分布情況可將巖層分為6層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、取樣和室內(nèi)測(cè)試得到了各層厚度、密度及縱波速值，計(jì)算可得到各層的波阻抗值具體見(jiàn)表2的Ri波阻抗一列，由此可知臺(tái)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(jì)算得到波阻抗分級(jí)區(qū)間，具體見(jiàn)表3。

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

依次將1～6號(hào)巖層在表3中進(jìn)行對(duì)比分級(jí)，可得到臺(tái)階內(nèi)巖層波阻抗等級(jí)的空間分布特征，具體見(jiàn)表2的巖層波阻抗等級(jí)一列，再將各巖層等級(jí)與臺(tái)階整體波阻抗等級(jí)(中級(jí))相減取絕對(duì)值得到絕對(duì)級(jí)差|N|。

圖4 臺(tái)階巖層分布特征Fig.4 Bench blasting strata distribution

表2 主控巖層判別計(jì)算Table 2 Discrimination calculation of main control stratum

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

按式(3)計(jì)算得到各層的波阻抗占比Pi，再結(jié)合絕對(duì)級(jí)差|N|按式(4)計(jì)算可得到判別系數(shù)Km，由表2的Km列可見(jiàn)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(chǎng)試驗(yàn)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(shè)計(jì)了連續(xù)裝藥和間隔裝藥結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示為此次爆區(qū)的布置情況，其中圈定區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)組炮孔區(qū)域采用間隔裝藥，其他部分作為對(duì)照組采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)；圖5(b)為爆破過(guò)程，明顯可見(jiàn)試驗(yàn)組區(qū)域少有沖孔現(xiàn)象，這是由于間隔裝藥結(jié)構(gòu)減少了藥量，降低了不必要的能量浪費(fèi)，降低了爆破成本。

圖5 爆破過(guò)程沖孔情況對(duì)比Fig.5 Comparison of punching conditions during blasting

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

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

4 結(jié) 論

1) 數(shù)值模擬試驗(yàn)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(gòu)能有效改善炸藥能量分布不均的問(wèn)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(tái)階內(nèi)部形成弱自由面，影響了原本指向臺(tái)階坡面自由面的最小抵抗線的分布方向，進(jìn)而使得爆破效果偏離預(yù)期需求；

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

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