陳 何，萬(wàn)串串，彭嘯鵬

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

爆破對(duì)巖石產(chǎn)生的損傷程度，一般通過測(cè)定爆破前后巖石聲波速度的變化來(lái)確定[4-5]?？紤]巖體完整性對(duì)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(cè)定巖石中聲波速度變化的方法來(lái)進(jìn)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(duì)組合爆破機(jī)理研究具有借鑒意義。

1 爆破損傷試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)地點(diǎn)為銅坑礦92#礦體455水平T213采場(chǎng)202-1#線探礦巷。92#礦體的賦礦巖石由硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)巖組成。穩(wěn)固性好，屬I～I(xiàn)I級(jí)堅(jiān)固巖石，礦巖石鑿巖性差，爆破性好。

為研究爆破對(duì)巖體的損傷作用，設(shè)計(jì)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(yàn)，臨界埋深為2.1 m。當(dāng)量大孔直徑D0=90 mm。每個(gè)當(dāng)量大孔裝藥重量均為3.6 kg的乳化炸藥，裝藥長(zhǎng)度為600 mm，炮泥堵塞。

每束炮孔由4個(gè)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(gè)炮孔裝藥重量均為0.9 kg乳化炸藥，裝藥長(zhǎng)度為600 mm。在束孔組及當(dāng)量大孔組間布置上下檢測(cè)孔，在一側(cè)布置水平檢測(cè)孔；垂直單個(gè)當(dāng)量大孔和單個(gè)束孔布置5個(gè)檢測(cè)孔，檢測(cè)孔間隔0.5 m，孔深2.5 m。檢測(cè)孔孔徑45 mm。

試驗(yàn)炮孔及檢測(cè)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(dāng)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(cè)試儀，雙孔孔中測(cè)定法測(cè)試。測(cè)量爆破前后兩束狀孔之間及一側(cè)的巖體裂隙擴(kuò)展及破壞情況。

1.2 試驗(yàn)編組

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

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

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)聲波速度測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。由于試驗(yàn)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(cè)試孔，未能測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 束狀孔與當(dāng)量大孔爆破巖體波速特征

束間距、當(dāng)量大孔間距均為1.0 m條件下，根據(jù)當(dāng)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(jìn)一步發(fā)育，巖體波速整體降低。由爆破機(jī)理可知，爆破后以藥包中心向外延伸，依次會(huì)形成爆破粉碎區(qū)、爆破裂隙區(qū)和爆破震動(dòng)區(qū)[5]。對(duì)應(yīng)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(dāng)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(duì)應(yīng)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(dāng)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(duì)值，對(duì)應(yīng)當(dāng)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(dòng)區(qū)，特別是深2.5～3.3 m區(qū)域，束狀孔波速增長(zhǎng)速率低于當(dāng)量大孔。可知束狀孔裂隙區(qū)裂隙擴(kuò)展情況優(yōu)于當(dāng)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(yīng)力衰減速率低于當(dāng)量大孔應(yīng)力衰減速率的結(jié)論相同[3]。

3.2 爆破對(duì)巖石的損傷作用

若裂紋的形成與擴(kuò)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?yàn)閹r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(dāng)量大孔的爆破損傷

爆破孔編號(hào)為束狀孔組1、當(dāng)量大孔組1。測(cè)孔垂直爆破孔布置。測(cè)孔孔口距炮孔深2.5 m，測(cè)孔孔底與炮孔鄰近。測(cè)孔6垂直藥包中心。

根據(jù)表1聲波速度測(cè)試數(shù)據(jù)，由式2計(jì)算單束孔與當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(shí)，藥包徑向范圍，束狀孔為0.52 m(5.78D0)，當(dāng)量大孔為0.50 m(5.56D0)；中等損傷(D=0.25)時(shí)，藥包徑向范圍，束狀孔為0.87 m(9.67D0)，當(dāng)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(dāng)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(dāng)量大孔D=0.2x-1.05R2=0.947 4

如圖6所示，束狀孔與當(dāng)量大孔爆破損傷變量均按指數(shù)規(guī)律衰減，當(dāng)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(dāng)量大孔損傷變量值較束狀孔高；在爆破中遠(yuǎn)區(qū)(D=0.25～0.45)時(shí)，束狀孔損傷變量值較當(dāng)量大孔高。

圖6 束狀孔當(dāng)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(shí))的范圍，束狀孔為0.80 m(8.89D0)，當(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(shí))范圍的爆破中遠(yuǎn)區(qū)，由于爆生氣體作用比重增加，束狀孔爆破在中遠(yuǎn)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(dāng)量大孔為0.05 m(0.56D0)。束狀孔損傷范圍為當(dāng)量大孔的2倍。

2)不同束間距、當(dāng)量大孔間距下爆破對(duì)巖石損傷的影響

不同束狀孔/當(dāng)量大孔間距時(shí)，根據(jù)表1聲波速度測(cè)試數(shù)據(jù)，由式2計(jì)算兩束狀孔/當(dāng)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(dāng)量大孔在測(cè)線處的深部巖體與淺部巖體的爆破損傷變量值較藥包對(duì)應(yīng)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(shí)，束狀孔組爆破對(duì)束間巖石損傷的影響見圖7。爆破對(duì)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(dāng)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(shí)，當(dāng)量大孔組爆破對(duì)當(dāng)量大孔間巖石損傷的影響見圖8。爆破對(duì)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(dāng)量大孔間距的減小而增大。當(dāng)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(dāng)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(duì)束狀孔與當(dāng)量大孔爆破損傷影響對(duì)比：

間距為1.5、2.0 m時(shí)，不同測(cè)深時(shí)束狀孔與當(dāng)量大孔爆破損傷對(duì)比見圖9和圖10。

圖9 間距1.5 m時(shí)，束狀孔/當(dāng)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(shí)，束狀孔/當(dāng)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(dāng)量大孔間距2.0 m(22.22D0)時(shí)，束狀孔爆破巖石損傷變量與當(dāng)量大孔基本相等；束狀孔/當(dāng)量大孔間距1.5 m(16.67D0)時(shí)，束狀孔爆破巖石損傷變量大于當(dāng)量大孔爆破的巖石損傷變量。

束狀孔組、當(dāng)量大孔組，單個(gè)束狀孔、單個(gè)當(dāng)量大孔爆破巖石損傷變量對(duì)比，見表3。

表3 束狀孔、當(dāng)量大孔爆破巖石損傷變量對(duì)比Table 3 Comparison of rock damage variables of bunch-holes and ELH blasting

束狀孔/當(dāng)量大孔間距1.5(16.67D0)、2.0 m(22.22D0)爆破時(shí)，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(duì)束狀孔與當(dāng)量大孔外側(cè)巖石損傷的影響

外側(cè)測(cè)孔距相鄰束狀孔或當(dāng)量大孔的距離為0.5、1.0 m。測(cè)線中心距束狀孔或當(dāng)量大孔的距離為0.75 m。爆破對(duì)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(dāng)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(duì)應(yīng)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(dāng)量大孔的高。

當(dāng)量大孔間距1.0 m時(shí)，外側(cè)的損傷變量值D=0.423～0.639，當(dāng)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(cè)孔(空孔)平行爆破孔，距離僅0.5 m，因空孔效應(yīng)，增加了巖石的破壞程度。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，對(duì)比研究束狀孔與當(dāng)量大孔的爆破作用，揭示了束狀孔爆破增強(qiáng)巖石損傷規(guī)律。

1)單束孔或單個(gè)當(dāng)量大孔爆破時(shí)，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(dāng)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(dāng)量大孔損傷變量值較束狀孔高。在爆破中遠(yuǎn)區(qū)(x≥5.56D0)時(shí)，束狀孔損傷變量值較當(dāng)量大孔高。

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

2)束狀孔組與當(dāng)量大孔組爆破時(shí)，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(dāng)量大孔損傷變量值。束狀孔/當(dāng)量大孔間距1.5(16.67D0)、2.0 m(22.22D0)爆破時(shí)，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(dāng)量大孔組爆破時(shí)，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(yīng)，外側(cè)巖石的損傷變量值較組間的高。

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