王亞強(qiáng) 楊海濤 李 晨 馬海洋 李二寶

（1.中國(guó)黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；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.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000）

臨幫控制爆破是維護(hù)邊坡穩(wěn)定的重要技術(shù)措施，預(yù)裂爆破在降低爆破振動(dòng)、保護(hù)邊坡穩(wěn)定方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。預(yù)裂爆破是使預(yù)裂孔在主爆孔之前起爆，在待爆區(qū)域與后方保護(hù)邊坡之間形成一條預(yù)裂縫，達(dá)到阻斷應(yīng)力波傳播、降低爆破振動(dòng)、保護(hù)邊坡完整性的目的。合理的預(yù)裂縫寬度對(duì)于降低爆破振動(dòng)具有重要作用，近年來(lái)，許多學(xué)者從不同角度針對(duì)預(yù)裂爆破及預(yù)裂縫進(jìn)行了研究，成果豐碩［1-4］。吳波等［5］采用數(shù)值模擬方法對(duì)聚能預(yù)裂效應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：聚能預(yù)裂爆破方案可使襯砌各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和振速分別降低50%和45%以上；楊仁樹(shù)等［6-8］基于數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)，分析了預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫對(duì)爆生裂紋和原生裂紋動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響，認(rèn)為預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫可以阻擋爆生裂紋向保留巖體內(nèi)擴(kuò)展，加劇被爆巖體的損傷；張建華等［9］利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了臺(tái)階—預(yù)裂縫隧洞模型，對(duì)不同預(yù)裂縫深度、長(zhǎng)度及預(yù)裂縫與爆源距離條件下的單孔爆破進(jìn)行了模擬，得出預(yù)裂縫深度超過(guò)3 m后方可起到顯著的減震效果。

上述研究從不同角度闡述了預(yù)裂縫與減振效應(yīng)、巖體保護(hù)等方面的關(guān)系，但對(duì)預(yù)裂縫寬度與預(yù)裂孔裝藥參數(shù)之間的關(guān)系缺乏深入研究，預(yù)裂縫寬度及其對(duì)露天主爆破炮孔爆炸能量的減振效應(yīng)等方面涉及較少。為此，本研究首先通過(guò)理論計(jì)算得出預(yù)裂孔孔壁開(kāi)裂時(shí)、預(yù)裂縫貫通時(shí)的線裝藥密度臨界值；在此基礎(chǔ)上，選取4種取值進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出預(yù)裂爆破線裝藥密度與預(yù)裂成縫寬度之間的回歸公式；最后，開(kāi)展試驗(yàn)礦山現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破試驗(yàn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)情況分析預(yù)裂縫寬度形成情況，得出預(yù)裂縫成縫寬度與減振效應(yīng)之間的作用規(guī)律。

1 礦山概況

烏山銅鉬礦為特大型露天金屬礦山，采用露天開(kāi)采工藝，年采剝總量達(dá)3 500萬(wàn)m3，平均每天炮次為6～8次，頻繁的生產(chǎn)爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大。試驗(yàn)礦山臺(tái)階設(shè)計(jì)高度15 m，礦山采用φ140 mm潛孔鉆機(jī)穿孔，炸藥主爆破炮孔采用易普力抗硫乳化炸藥，起爆藥為0.5 kg中繼起爆具，采用逐孔微差起爆技術(shù)，臨幫預(yù)裂孔傾角一般為65°，預(yù)裂孔采用φ45 mm中密度震源藥柱，單節(jié)質(zhì)量600 g，裝藥采用竹竿捆扎工藝；礦山主要受次斜長(zhǎng)花崗斑巖及其圍巖接觸帶構(gòu)造控制，圍巖主要有3種巖性，即黑云母花崗巖、次英安質(zhì)角礫熔巖、次斜長(zhǎng)花崗斑巖。

臨幫爆破預(yù)裂面成型情況調(diào)查分析顯示：預(yù)裂面上存在大量的傘巖、掛幫現(xiàn)象（圖1）。由于預(yù)裂縫不貫通、爆破應(yīng)力波傳播途徑?jīng)]有被完全切斷，應(yīng)力波波陣面沿傘巖、聯(lián)結(jié)巖體傳播引起保留邊坡強(qiáng)烈的爆破振動(dòng)，導(dǎo)致礦山臨幫出現(xiàn)多處滑坡現(xiàn)象（圖2）。

2 預(yù)裂縫成縫機(jī)理及預(yù)裂孔裝藥參數(shù)選擇

假設(shè)所研究的巖體為各向同性的彈塑性體，預(yù)裂爆破震源藥柱由導(dǎo)爆索引爆后，通過(guò)炮孔空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)將炸藥能量作用于孔壁。當(dāng)作用于孔壁的壓力滿足下列判據(jù)時(shí)［10-12］，孔壁巖石將出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

式中，σr為預(yù)裂孔壁受到的最大徑向壓應(yīng)力，MPa；σT為預(yù)裂孔連心線上巖體受到的切向最大拉應(yīng)力，MPa；σ壓為巖石極限抗壓強(qiáng)度，MPa；σ拉為巖石極限抗拉強(qiáng)度，MPa。

為了使藥柱爆炸能量作用于預(yù)裂孔間連線方向，σr還必須滿足不發(fā)生傾斜方向剪切破壞的條件，即需滿足以下判據(jù)：

式中，St為巖體動(dòng)態(tài)單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；C為巖體的動(dòng)態(tài)黏聚力，MPa；φ為巖體動(dòng)態(tài)內(nèi)摩擦角，（°）。

藥柱能量作用于孔壁使其開(kāi)裂后，在爆炸沖擊波及爆生氣體聯(lián)合作用下，預(yù)裂縫沿開(kāi)裂處擴(kuò)展，逐漸延長(zhǎng)直至貫通。根據(jù)已有研究結(jié)果［13-16］，空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)在炮孔孔壁處產(chǎn)生的應(yīng)力大小為

式中，Cf為空氣沖擊波及增壓系數(shù)，取1.2～1.3；P0為爆生氣體的初始平均壓力，MPa，；ρe為炸藥密度，kg/m3；k為炸藥絕熱等熵指數(shù)，通常取3；D為炸藥爆速，m/s；Kd為炮孔不耦合系數(shù)。

炮孔不耦合系數(shù)與體積裝藥密度存在如下?lián)Q算關(guān)系：

式中，qv為炮孔內(nèi)炸藥的體積裝藥密度，表示炮孔每單位體積所裝填的炸藥體積，kg/m3；l為裝藥長(zhǎng)度，m；L為炮孔長(zhǎng)度，m；de為藥卷直徑，m；db為炮孔直徑，m。

根據(jù)試驗(yàn)礦山具體條件，預(yù)裂炮孔孔徑為0.14 m，炮孔截面積為0.015 m2，則炮孔線裝藥密度與體積裝藥密度的關(guān)系可表示為

式中，Δ為預(yù)裂孔的線裝藥密度，kg/m；S為炮孔截面面積，m2。

根據(jù)式（3）至式（5），炮孔孔壁壓力與線裝藥密度的關(guān)系可表示為

根據(jù)式（2），得出巖體滿足開(kāi)裂條件時(shí)的炮孔壁壓力計(jì)算公式：

則預(yù)裂孔壁開(kāi)始開(kāi)裂時(shí)的線裝藥密度可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

隨著預(yù)裂縫不斷擴(kuò)展，炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量逐漸衰減，當(dāng)σr衰減至某一限定值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)止裂現(xiàn)象，在理想情況下，此時(shí)炮孔間預(yù)裂縫形成。

根據(jù)已有研究［17］：σr隨距離增加的衰減關(guān)系可描述為

結(jié)合式（2），在預(yù)裂孔間形成貫通預(yù)裂縫時(shí)存在如下關(guān)系：

結(jié)合式（6）和式（10），可得出形成貫通預(yù)裂縫時(shí)的線裝藥密度計(jì)算公式：

對(duì)礦山典型巖性黑云母花崗巖進(jìn)行取樣，并進(jìn)行了巖石動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果顯示：?jiǎn)屋S動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度測(cè)試值為4.02 MPa。結(jié)合試驗(yàn)礦山所用爆破器材、穿孔參數(shù)及巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，應(yīng)用式（8）對(duì)典型巖性進(jìn)行計(jì)算分析，得到炮孔開(kāi)裂時(shí)的線裝藥密度為0.196 kg/m。應(yīng)用式（11）計(jì)算得到預(yù)裂縫貫通時(shí)的線裝藥密度為0.528 kg/m。

3 預(yù)裂縫形成規(guī)律模擬分析

3.1 模型建立及試驗(yàn)方案

在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，進(jìn)行線裝藥密度與預(yù)裂成縫寬度之間的關(guān)系分析。構(gòu)建了如圖3所示的預(yù)裂炮孔簡(jiǎn)化二維模型，巖體模型尺寸為17 m×3 m×0.01 m（長(zhǎng)×寬×高），巖石采用黑云母花崗巖參數(shù)，炸藥選擇礦山現(xiàn)場(chǎng)振源藥柱參數(shù)，其中預(yù)裂孔深17 m，空氣填塞段長(zhǎng)2.5 m，兩側(cè)及底側(cè)設(shè)置無(wú)反射邊界，上部為自由面。

結(jié)合理論計(jì)算得出的預(yù)裂縫貫通時(shí)的線裝藥密度值，選取線裝藥密度0.50、0.54、0.57、0.60 kg/m 4種取值方案，分析不同的線裝藥密度（通過(guò)改變震源藥柱裝藥支數(shù)實(shí)現(xiàn)）與預(yù)裂縫寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

提取同一線裝藥密度不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖及炮孔間巖體單元失效刪除情況，其中采用m-s-Pa單位制，見(jiàn)圖4。藥柱爆炸后首先出現(xiàn)擴(kuò)腔運(yùn)動(dòng)，炮孔內(nèi)炸藥能量向外傳播，爆炸能量作用至孔壁，當(dāng)爆炸壓力超過(guò)巖體破壞判據(jù)時(shí)，巖體開(kāi)始破壞，預(yù)裂縫形成，隨著預(yù)裂縫逐漸擴(kuò)展，在預(yù)裂孔連線中心處貫通。

為研究不同線裝藥密度下預(yù)裂成縫規(guī)律，提取不同時(shí)刻有限元的失效情況（圖5），將預(yù)裂縫寬度與線裝藥密度之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到預(yù)裂縫寬度與不同線裝藥密度之間的回歸關(guān)系式（圖6）。分析表明：線裝藥密度在0.5～0.6 kg/m范圍內(nèi)，預(yù)裂成縫寬度與線裝藥密度呈指數(shù)關(guān)系：y=-172x2+213x-60（R2=0.98）；隨著爆炸能量傳播，預(yù)裂縫寬逐漸增大，當(dāng)預(yù)裂縫貫通且爆炸作用終止后，4種線裝藥密度方案的最終預(yù)裂縫寬度為2.83～5.26 cm。根據(jù)前人研究［18-20］，預(yù)裂縫寬度為2～5 cm時(shí)，預(yù)裂縫為完全貫通裂縫。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算得出的線裝藥密度與通過(guò)數(shù)值模擬得出的線裝藥密度相符。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案設(shè)置

為驗(yàn)證上述理論分析的準(zhǔn)確性，選取試驗(yàn)礦山黑云母花崗巖區(qū)域典型巖石開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破試驗(yàn)研究。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破工藝參數(shù)為：預(yù)裂孔徑及主爆孔孔徑140 mm，孔距1.4 m，空氣填塞段長(zhǎng)度2.5 m。在預(yù)裂線后方30 m處布置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中，第1次試驗(yàn)開(kāi)展無(wú)預(yù)裂爆破試驗(yàn)，第2、3、4、5次試驗(yàn)開(kāi)展預(yù)裂爆破試驗(yàn)，線裝藥密度分別為0.60、0.57、0.50、0.54 kg/m，試驗(yàn)方案參數(shù)見(jiàn)表1。

4.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

預(yù)裂縫是否貫通對(duì)預(yù)裂爆破的隔振作用具有直接關(guān)系。鑒于試驗(yàn)預(yù)裂縫現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量困難，本研究通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的爆破振動(dòng)速度大小反映現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線裝藥密度參數(shù)取值是否合理、預(yù)裂縫是否貫通，其中1～5次試驗(yàn)均在預(yù)裂線后方30 m處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第5次試驗(yàn)在預(yù)裂線后方30 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上添加對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)照測(cè)點(diǎn)布置在預(yù)裂線一側(cè)，與預(yù)裂線的垂直距離為30 m，第5次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)減振效果分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析表明：第2次試驗(yàn)（線裝藥密度0.6 kg/m）測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度為14.45 cm/s，較第1次試驗(yàn)（無(wú)預(yù)裂線）測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度21.45 cm/s，降振率達(dá)32.6%；第3次試驗(yàn)（線裝藥密度0.57 kg/m）、第4次試驗(yàn)（線裝藥密度0.5 kg/m）、第5次試驗(yàn)（線裝藥密度0.54 kg/m，預(yù)裂線中部后方30 m）測(cè)點(diǎn)降振率分別為31.6%、27%、31.3%，其中第1次試驗(yàn)（無(wú)預(yù)裂線）與第5次試驗(yàn)（爆區(qū)側(cè)方測(cè)點(diǎn)）振動(dòng)速度相差0.6%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：形成貫通預(yù)裂縫試驗(yàn)（試驗(yàn)2、3、5）減振率達(dá)31.3%以上，而未形成貫通預(yù)裂縫的試驗(yàn)（試驗(yàn)4）存在沾幫聯(lián)結(jié)現(xiàn)象，減振率較貫通預(yù)裂縫試驗(yàn)降低了4.3%～5.6%；當(dāng)預(yù)裂縫貫通后，對(duì)比試驗(yàn)5與試驗(yàn)2，線裝藥密度增加0.06 kg/m，降振率增加1.3%。分析認(rèn)為：當(dāng)預(yù)裂縫完全貫通后，繼續(xù)增大線裝藥密度對(duì)降振效果的提升意義不明顯（圖9、表2）。

5 結(jié) 論

（1）假設(shè)所研究的巖體對(duì)象為各向同性的彈塑性體，從巖體不發(fā)生傾斜方向剪切破壞的角度出發(fā)，根據(jù)巖體炸藥能量在炮孔壁中產(chǎn)生的壓力計(jì)算公式及爆炸壓力衰減規(guī)律，通過(guò)理論推導(dǎo)，得出炸藥能量作用于孔壁使其開(kāi)裂及預(yù)裂孔貫通時(shí)的線裝藥密度計(jì)算公式。結(jié)合試驗(yàn)礦山典型巖石黑云母花崗巖的單軸動(dòng)態(tài)抗拉試驗(yàn)值3.98 MPa，得出巖體在預(yù)裂孔壁出現(xiàn)開(kāi)裂及預(yù)裂孔貫通時(shí)的線裝藥密度計(jì)算值分別為0.196 kg/m、0.528 kg/m。

（2）在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，選取線裝藥密度取值0.50、0.54、0.57、0.60 kg/m 4種方案，通過(guò)數(shù)值模擬及回歸分析手段，研究了線裝藥密度與預(yù)裂爆破成縫寬度之間的關(guān)系。結(jié)果表明：線裝藥密度為0.5～0.6 kg/m時(shí)，預(yù)裂縫寬度與線裝藥密度存在如下指數(shù)關(guān)系：y=-172x2+213x-60（R2=0.98），且預(yù)裂縫隨著線裝藥密度的增加而增大。

（3）在試驗(yàn)礦山黑云母花崗巖區(qū)域開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了0.50、0.54、0.57、0.60 kg/m 4種線裝藥密度試驗(yàn)方案，結(jié)果表明：貫通的預(yù)裂縫后方30 m處綜合減振率達(dá)31.3%以上；未貫通的預(yù)裂縫存在沾幫聯(lián)結(jié)現(xiàn)象，且減振效果明顯降低，相對(duì)于預(yù)裂縫完全貫通時(shí)，減振率降低了4.3%～5.6%；當(dāng)預(yù)裂縫貫通后，線裝藥密度增加0.06 kg/m，降振率增加1.3%。分析認(rèn)為：當(dāng)預(yù)裂縫完全貫通后，繼續(xù)增大線裝藥密度對(duì)于提升降振效果意義不明顯。

（4）本研究克服了以往靠經(jīng)驗(yàn)選取爆破參數(shù)的不足，可為露天礦山靠幫預(yù)裂爆破參數(shù)選取提供參考，但在預(yù)裂縫寬度精確測(cè)量方面還有很大不足，且預(yù)裂爆破受巖性影響較大，故選取多個(gè)露天礦山的多種巖性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是下一步的工作方向。