莊又軍，薛 峰，張 衛(wèi)，高敬東，林玉璽，解孝華，楊秉真,張 浩

(1.山東東山新驛煤礦有限公司，山東 濟寧 272116；2.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

在巖石爆破技術(shù)中，深孔預(yù)裂爆破廣泛應(yīng)用于煤層瓦斯抽采防治、硬煤層及夾矸弱化、工作面或巷道遇硬巖致裂等工程，其目的是充分增加煤層或巖層中的裂隙，以滿足工程需求。深孔預(yù)裂爆破因其特殊的爆破形式，仍沿用傳統(tǒng)的爆破參數(shù)計算理論，缺乏適用性。實際工程中爆破參數(shù)的確定往往通過工程經(jīng)驗類比獲得，由于缺乏理論依據(jù)，采用該方法確定可靠的爆破參數(shù)一般需要大量的試驗，不利于施工開展。

深孔預(yù)裂爆破參數(shù)中孔深、孔徑等參數(shù)一般由工程需求和既有鉆孔設(shè)備規(guī)格來確定，鉆孔間距的選取可通過裂隙區(qū)理論[1]計算或分析孔間裂隙貫通規(guī)律進行推導(dǎo)，但針對深孔預(yù)裂爆破裝藥量的計算方法研究較少。LANGEFORS等[2]分析實驗數(shù)據(jù)得到了受限自由面爆破裝藥量的公式；李啟月等[3]針對LANGEFORS裝藥量公式計算結(jié)果與實際裝藥量存在的誤差，借助計算軟件進行重新擬合；邵曉亮等[4]針對深孔爆破對鮑列斯柯夫計算公式進行合理的調(diào)整變形。但上述研究成果在深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用中缺乏適用性。

本文針對深孔預(yù)裂爆破技術(shù)特點，分析現(xiàn)有裝藥量計算方法弊端，提出適用于深孔預(yù)裂爆破的裝藥量計算方法；為提高預(yù)裂爆破效果，基于水壓爆破致裂機理，優(yōu)化爆破裝藥結(jié)構(gòu)；通過開展深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)場試驗，借助鉆孔成像儀及聲波測試儀，評價爆破效果，確定裝藥參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)合理性。

1 裝藥量計算方法優(yōu)化

深孔預(yù)裂爆破采用柱狀不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，實際工程中對裝藥參數(shù)進行確定時，考慮的是炸藥單耗和爆破破碎范圍關(guān)系的體積法，如鮑列斯柯夫公式[5](式(1))。該公式的推導(dǎo)依據(jù)是裝藥量與爆破漏斗的體積成正比，然而，深孔預(yù)裂爆破底部基本不形成錐形爆破漏斗，但也需要完成頂部巖石的裂隙。

Q=(0.4+0.6n3)qW3

(1)

式中：n為爆破作用指數(shù)；q為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗單位耗藥量，kg/m3；W為最小抵抗線，m。

深孔柱狀裝藥爆破后，波陣面在裝藥徑向范圍內(nèi)以柱面波的形式向外傳播，裝藥兩端會以球面波的形式向外傳播，裝藥底端和裝藥中部的應(yīng)力波會衰減傳播至無限巖體中，均發(fā)生在巖石內(nèi)部，屬于內(nèi)部作用，而裝藥頂端應(yīng)力波傳播至自由面后會形成反射拉伸波，進行促進頂部巖石形成裂隙，屬于外部作用?；谏鲜隼碚摲治?，建立深孔預(yù)裂爆破柱狀裝藥簡化計算模型，如圖1所示。將柱狀裝藥的爆破作用劃分為外部作用和內(nèi)部作用，柱狀藥包等效成球形裝藥Ls和柱形裝藥Lc兩部分，并認為球形裝藥對應(yīng)外部作用，球形藥包長度取Ls=5d(d為炮孔直徑)。其作用是爆破破壞頂部巖石，柱形裝藥作用是增加裂隙區(qū)裂隙。

圖1 深孔預(yù)裂爆破柱狀裝藥簡化計算模型Fig.1 Simplified calculation model of charge for deep hole pre-splitting blasting

對于柱形裝藥，爆破效果表現(xiàn)為內(nèi)部作用下巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，根據(jù)體積法計算原則，修正裝藥量計算方法見式(2)。

Qz=qLLcπR2

(2)

式中：qL為預(yù)裂爆破炸藥單耗，kg/m3；Lc為等效柱形裝藥長度，m；R為裂隙區(qū)計算半徑，m。

對于球形裝藥，爆破效果表現(xiàn)為外部作用下自由面附近巖石產(chǎn)生裂隙，可以認為是減弱爆破漏斗作用，得到修正鮑列斯柯夫計算公式，見式(3)。

Qq=(0.4+0.6n3)qK(LP+Ls)πR2

(3)

式中：n為減弱爆破作用指數(shù)，n<1；qK為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗，kg/m3；LP為封堵長度，m；Ls為等效球形裝藥長度，m。

對于大直徑不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，實際工程中采用多節(jié)藥柱并列捆綁的方式，線裝藥量沿裝藥長度均勻分布，上述分段計算方法不符合條件，因此將其整合得到式(4)。

Q=Ks(0.4+0.6n3)qLLπR2

(4)

式中：L為炮孔深度；Ks為預(yù)裂爆破修正系數(shù)，見式(5)。

(5)

對于預(yù)裂爆破修正系數(shù)Ks，在采用鮑列斯夫公式計算爆破漏斗裝藥量時，q為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗單位耗藥量，堅固性系數(shù)f=6時，取1.3～1.6 kg/m3，預(yù)裂爆破單位耗藥量為0.55～0.60 kg/m3，因此修正系數(shù)Ks>1。

2 水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 水壓爆破作用機理分析

炮孔裝藥不耦合介質(zhì)的改變會引起炮孔中能量分布及傳播規(guī)律的改變[6-7]。以水作為不耦合介質(zhì)時，受爆轟波和高溫高壓爆生氣體產(chǎn)物的沖擊壓縮作用，炸藥爆炸在水介質(zhì)中激起爆炸沖擊波，由于水的物理力學(xué)性質(zhì)與空氣不一樣，爆炸對巖石的作用機理也不相同。

1) 水的可壓縮性遠小于空氣，且密度高，具有較大的流動黏度，爆破時水中爆炸沖擊波對孔壁的作用強度和作用時間得到增強，爆轟產(chǎn)物的膨脹速度變慢，形成了高壓力、持續(xù)時間的“水楔效應(yīng)”，使得巖體中爆破裂縫擴展密度、范圍增加。

2) 水的波阻抗值是空氣的約3 500倍，能量傳遞效率高，使得爆破能量均勻平緩作用于孔壁周圍巖石，減輕對圍巖損傷及爆破振動；炮孔內(nèi)水介質(zhì)經(jīng)爆炸作用后會大量揮發(fā)為水蒸氣，黏結(jié)空氣中粉塵顆粒，降低粉塵量。

2.2 深孔預(yù)裂水耦合爆破裝藥結(jié)構(gòu)

深孔預(yù)裂爆破炮孔深度可達10 m以上，常用裝藥方法是利用炮棍將捆綁好的條形藥包頂入炮孔底部，再填塞足夠的炮泥，主要弊端在于：①填塞炮泥段長，一般需選擇5～10 m的炮棍進行封堵，勞動強度大，反復(fù)裝填炮泥易搗壞雷管連接線；②發(fā)生拒爆、殘藥處理困難，由于炸藥安置位置深、炮泥封孔量大，利用高壓水槍沖出炸藥費時費力；③含水巖層堵孔困難，由于巖層水從孔內(nèi)涌出，完全封閉炮孔時水壓作用下易沖出炮泥，形成裸露爆破。

針對上述深孔裝藥問題，借助水壓爆破優(yōu)勢，提出一種新型裝藥結(jié)構(gòu)(圖2)，將該裝藥結(jié)構(gòu)劃分為裝藥段和封堵段。

圖2 深孔預(yù)裂水耦合爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure of deep hole pre-splitting water coupled blasting

1) 裝藥段：選擇與孔徑相當(dāng)?shù)腜VC管，炸藥交錯捆綁于PVC管內(nèi)；設(shè)置三只雷管串聯(lián)，兩只雷管插入孔底兩節(jié)藥卷，一只雷管插入炸藥頂端一節(jié)藥卷，即正向及反向聯(lián)合起爆方式；PVC管連接一根鐵絲，引出孔外。

2) 封堵段：選擇一個“L”形PVC細管作為限流水管，設(shè)計圖和實物圖如圖3所示，孔口封堵1.0～1.5 m炮泥，限流水管穿過炮泥，使得水可以從管內(nèi)流動。對于含水巖層，限流水管起到排水功能，避免孔內(nèi)水壓過大使得炮泥沖出炮孔；對于非含水巖層，限流水管起到輸水功能，灌入水流直至水從限流水管排出。

圖3 限流水管設(shè)計圖和實物圖Fig.3 Restricted water pipe structure design and materials

在應(yīng)用上述裝藥結(jié)構(gòu)時，若發(fā)生拒爆問題，可將孔底兩只雷管與裝藥頂端一只雷管并聯(lián)設(shè)計，重新起爆；若仍出現(xiàn)拒爆問題，利用高壓水槍沖出孔口炮泥，拽動鐵絲將炸藥拖出，重新制作炮頭并封堵起爆。該裝藥結(jié)構(gòu)滿足水壓爆破裝藥特征，極大減少了封泥長度，設(shè)置限流水管后，不僅解決了含水巖層堵孔難題，還充分借助地質(zhì)條件特點，發(fā)揮水壓爆破優(yōu)勢；設(shè)置三只起爆雷管，提高炸藥成功起爆率，有效克服拒爆問題。

3 綜掘硬巖深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程概況

新驛煤礦-280 m南翼集中膠帶巷開門層位位于山西組砂巖中，屬于含水地層，自煤倉聯(lián)絡(luò)巷定點位置開始掘進，按方位角196°0′0″，+3‰上山施工1 233 m，巷道斷面為直墻半圓拱，尺寸為4.2 m×3.2 m。巷道采用EBZ260H型綜掘機掘進。

巷道掘進過程中遇堅硬砂巖，堅固性系數(shù)6～7，綜掘機切割速度慢、截齒消耗大幅度增加，切割時巖石呈粉末狀落下，與水混合形成稀泥，影響出矸和掘進工作面作業(yè)。計劃采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，預(yù)先弱化巷道硬巖，幫助綜掘機高效掘進。

3.2 深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計

1) 布孔設(shè)計：根據(jù)巷道斷面尺寸以及巖石堅硬穩(wěn)固的特點，設(shè)計單孔爆破試驗(圖4)，炮孔布置于斷面中部，距底板1.5 m，根據(jù)礦區(qū)鉆機設(shè)備條件，設(shè)計炮孔直徑89 mm，炮孔深度20 m，垂直于掘進斷面。

圖4 巷道斷面炮孔布置方案Fig.4 Blasting hole layout scheme of roadway section

2) 裝藥參數(shù)：裝藥方式為徑向不耦合裝藥，選用煤礦許用二級乳化炸藥，規(guī)格：直徑27 mm，長度200 mm，0.15 kg/卷。根據(jù)式(4)和式(5)計算，裝藥量為62.3 kg，其中n取0.9，R取0.8 m，實際單孔裝藥量60 kg。裝藥時每五節(jié)藥卷緊密捆綁方式增加藥包直徑，PVC管內(nèi)裝藥及正向反向聯(lián)合起爆。

3) 封堵方式：鉆孔后含水砂巖存在孔內(nèi)涌水現(xiàn)象，依據(jù)含水條件采用水耦合封堵方式，即水+炮泥聯(lián)合封堵，實現(xiàn)水壓爆破形式，其中封堵長度6 m，炮泥長度1 m。

4) 爆破防護：為減輕巷道爆破近區(qū)爆破飛石、爆炸沖擊波的危害，采用兩層防護措施，①在爆破孔口處搭設(shè)擋孔木板及擋孔炮被，②在距離孔口3 m處掛設(shè)炮被，防護措施如圖5所示。

圖5 爆破斷面防護措施布置Fig.5 Layout of protective measures for blasting section

3.3 爆破效果檢測與評價

為觀測爆破前后炮孔內(nèi)部裂紋發(fā)育、巖石損傷情況，科學(xué)評價爆破效果，爆破前后采用鉆孔窺視儀及聲波測試儀對爆破孔進行檢測。

1) 圖6(a)和圖6(b)為爆破前孔內(nèi)窺視結(jié)果，可以看出爆破前孔壁光滑，無明顯裂隙，孔內(nèi)源源不斷有水流出。爆破后封堵段巖石出現(xiàn)輕量裂隙，且存在少量水流出，如圖7(a)和圖7(b)所示；隨著窺視深度的增加，裝藥段環(huán)向、徑向爆破裂隙交錯，裂縫寬度逐漸增大，孔壁剝落巖塊增多，孔內(nèi)不再觀測到水流，其原因應(yīng)是水從爆破裂隙中流失，如圖7(c)和圖7(d)所示。

圖7 爆破后孔壁觀測結(jié)果Fig.7 Observation results of hole wall after blasting

圖6 爆破前孔壁觀測結(jié)果Fig.6 Observation results of hole wall before blasting

2) 利用聲波測試儀進行測試，爆前測試孔深為15 m，爆后測試深度為9 m，每間隔1 m進行一次測量讀數(shù)，得到爆破前后爆破孔孔內(nèi)巖石完整性系數(shù)與孔深關(guān)系，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[8]，按巖體的完整性指數(shù)Kv，將巖體的完整性分為5類，見表1。

表1 巖體完整程度Table 1 Rock integrity

對照表1和圖8可以看出，爆破前隨著測試深度的增加，巖石完整性緩慢降低，但完整性系數(shù)達到0.5以上，均表現(xiàn)較完整；爆破后由于孔內(nèi)剝落巖塊堵塞，測取了9 m聲波數(shù)據(jù)，其中0～6 m封堵段巖石完整性系數(shù)平均0.3～0.5，表現(xiàn)為較破碎，6～9 m裝藥段巖石完整系數(shù)平均0.1，表現(xiàn)為極破碎。

圖8 爆破前后炮孔聲波檢測結(jié)果Fig.8 Test results of hole acoustic wave before and after blasting

檢測結(jié)果表明:巖體內(nèi)裂隙的發(fā)育程度與裝藥參數(shù)密切相關(guān)，采用大直徑深孔預(yù)裂爆破技術(shù)能大量增加巖體裂隙，通過裝藥量公式優(yōu)化，結(jié)合水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)，使得爆炸應(yīng)力波和爆生氣體作用時間較長，爆炸能量利用率高，大大降低了巖石完整性?，F(xiàn)場爆破施工未出現(xiàn)大塊巖石崩落，孔口有少量飛石被防護裝置攔下，隨著綜掘機的推進，可以觀測炮孔周圍0.8 m范圍內(nèi)形成明顯裂隙，破碎區(qū)域綜掘機切割速度加快。從單孔爆破效果可以看出裂隙區(qū)范圍0.8 m，根據(jù)巷道斷面尺寸后續(xù)調(diào)整設(shè)計三孔爆破方案，如圖9所示，應(yīng)用后爆破掘進速度提高30%～50%，封堵段截齒消耗減少20%，裝藥段截齒消耗減少50%。

圖9 三孔爆破方案布置方式Fig.9 Arrangement of three-hole blasting scheme

4 結(jié) 論

1) 針對深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)有裝藥量計算方法的不足，建立柱狀裝藥簡化計算模型，將柱形裝藥劃分為球形藥包和柱形藥包，基于體積法計算原則，提出了一種深孔預(yù)裂爆破裝藥量計算方法。

2) 分析了水壓爆破作用機理，比較水耦合介質(zhì)與空氣耦合介質(zhì)爆破作用差異，提出了一種深孔預(yù)裂水耦合爆破裝藥結(jié)構(gòu)，該裝藥結(jié)構(gòu)封堵勞動量少，能有效解決含水巖層堵孔難題，發(fā)揮水壓爆破優(yōu)勢，確保炸藥成功起爆。

3) 以新驛煤礦硬巖巷道為工程背景，發(fā)揮含水地層地質(zhì)條件特點，采用優(yōu)化后的裝藥量計算方法及水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)，開展了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)現(xiàn)場試驗。借助鉆孔窺視儀、聲波測試儀對爆破前后進行檢驗，結(jié)果表明，爆破后孔內(nèi)巖石大量裂隙增加，巖石完整性下降，封堵段巖石完整性系數(shù)下降至0.3～0.5，裝藥段下降至0.1，綜掘機推進過程中爆破區(qū)域推進速度增加，驗證了裝藥量計算方法及裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。