预裂爆破中节理走向角度对预裂缝贯通性的影响

刘际飞 璩世杰

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

预裂爆破中节理走向角度对预裂缝贯通性的影响

刘际飞 璩世杰

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

自然岩体往往是含有节理、裂隙、断层等地质结构面的不连续介质，岩体的这种不连续性对预裂爆破时应力波的传播和预裂缝的形成都具有重要影响。为了研究节理走向角度对预裂缝贯通程度的影响，对一次预裂爆破所生成的预裂缝进行分段爆破振动测试试验，通过不同段的节理走向角度与降振率的结果发现：炮孔间节理走向角度对预裂成缝的影响显著，预裂爆破所在位置的节理走向角度越大，该位置上所产生预裂缝的降振率越高，表明预裂缝的贯通程度随节理走向角度的增大而提高。观察现场预裂爆破效果也发现：当节理面走向角度接近90°时，预裂缝的贯通性与平整度最好，与理论分析基本一致。

预裂爆破 预裂缝 节理岩体 节理面走向角度 分段降振试验

在露天矿山邻近边帮处，为避免应力波直接传播至边坡岩体内，危害边坡的稳定，甚至诱发滑坡等现象的出现，需要采取缓冲预裂爆破措施。预裂爆破所产生的预裂缝可以有效“屏蔽”主爆区炮孔产生的爆破振动效应，改善了爆破开挖过程中地震波对边帮的破坏影响[1]，从而保证岩体边坡的稳固平整。所以预裂爆破的成缝效果，预裂缝的平整度以及贯通性对工程质量影响重大。

国内外学者也就这一问题进行了深入的研究，杨文敬等[2]对预裂爆破装药径向不耦合系数进行研究，得出在不同材质下的不耦合系数最佳取值。戴兵等[3]通过数值模拟，对预裂爆破的孔间距、线装药密度、炮孔直径参数进行分析，推导出线装药密度公式。但这些研究把岩体作为均值连续的介质来考虑，与实际情况有一定差异。近年来，岩体中节理在爆破中的作用越来越引起学者的关注，Zhu[4-5]对不同节理产状、入射角、间距以及刚度等参数条件下，应力波的传播规律进行了理论研究。谢冰[6]运用UDEC软件从节理倾角、间距两方面入手，对预裂成缝的影响进行了数值模拟研究。

虽然对预裂成缝的研究已有先例，但由于现场试验条件的限制，基于预裂爆破中节理对预裂缝成缝影响的现场实验研究较少。本研究首先通过对预裂爆破所在位置进行节理统计，根据节理与炮孔连线夹角即走向面角度的区别对预裂缝进行分段，其次对爆破后所产生的各段预裂缝进行爆破振动测试试验，采用试验结果与节理统计结果对比分析的研究方法就节理面走向角对预裂缝贯通性的影响进行研究。

1 节理面走向角度对预裂缝开裂影响的理论研究

预裂缝的形成是应力波和爆生气体共同作用的结果，由于采用了不耦合装药，炸药爆炸时产生的气体作用在孔壁上的压力小于岩体的动态抗压强度，不会在孔壁周围产生压碎区。

预裂孔内的炸药爆炸时产生的径向压缩应力波在抵达相邻炮孔孔壁处时产生的切向拉伸应力集中，如图1所示。切向拉伸应力大于岩体的动态抗拉强度，促使炮孔连心线上孔壁岩体首先产生开裂，后继炮轰气体楔入裂纹后在裂纹尖端形成拉应力集中，促使裂纹扩展贯通，形成一定宽度的预裂缝。

图1 预裂爆破孔间切向拉伸应力分布及孔壁拉伸应力集中示意图

预裂爆破旨在2炮孔连线方向上产生1条贯穿的预裂缝，由于节理的存在必将影响爆炸应力波的传播，使2炮孔连线方向难以形成有效的拉应力，进而导致预裂缝的成缝效果不佳。影响成缝效果的因素很多，如节理的走向、倾向、节理厚度、节理填充强度、节理间距、节理抗拉强度、内摩擦角等都会对预裂缝的形成起着至关重要的作用。其中节理的几何结构特征对应力波传播的影响最大，即节理的几何产状对预裂成缝的影响起关键作用。若综合考虑这些因素，理论分析难度较大，所以本研究仅对不同走向角的节理面对预裂缝成型的影响进行研究。如图2所示，2预裂炮孔连线与节理法向夹角为α，节理面上一点B与炮孔中心连线与节理面法向夹角为β，在B点取单元体进行应力分析，如图3所示，根据张奇[7]和谢冰[6]的研究可知，单元体的受力平衡条件由式(1)给出。

图2 预裂孔与孔间节理裂隙关系示意图

图3 B点单元体应力状态

(1)

当节理走向角与节理面上的应力满足式(2)时，岩体将沿炮孔连线方向产生光滑裂缝[8]。

(2)

式中，σt为岩体动态抗拉强度；φ为节理内摩擦角；C为节理黏聚力。

当节理面与炮孔连线夹角不满足式(2)时，岩体将沿节理面方向开始破裂，开裂的节理面不再承受应力波加载的拉应力，从而使节理面上的应力重新分布。如图4所示，层状节理与断裂控制面相交，夹角为α+90°。

图4 含层状节理岩体开裂位置

在结构面受拉破裂之前，节理面方向上的应力状态如式(1)所示，当节理面产生破裂之后，受力状态改变[9-10]。结合摩尔库伦准则可知，节理法向方向上发生剪切破裂的条件是[11]

(3)

式中，C′，φ′分别为岩石黏聚力的内摩擦角。

由于tanα≥0，结合σt=C′/tanφ′可知，σθ≥σt，可知当结构面破裂后，节理法向方向剪切应力超过岩石抗拉应力，故会在节理法相方向附近形成裂缝。如图4所示，在台阶预裂爆破中，随α角度的增大，2炮孔于结构面所产生的平行裂缝距离越近，当α为90°时，2条裂缝与炮孔方向重合，更易形成完整预裂缝。故节理面与炮孔连线方向夹角越大预裂缝越容易贯通。

2 节理面走向角度对预裂缝开裂影响的试验研究

对一次预裂爆破所产生预裂缝的降振率进行分段测试，通过降振率的差异验证各段预裂缝的贯通程度，并对比各段预裂缝所在位置的节理走向角度，以此验证节理走向角对预裂缝贯通程度的影响。

2.1 节理走向角度统计

应用台阶坡面照相法对预裂爆破所在边坡进行节理产状统计，台阶坡面照相法即使用相机拍摄边坡断面获取节理裂隙产状原始材料，把每张照片中的边坡图像进行网格划分，如图5所示，测量每条网格线实际长度，记录与网格线相交的节理裂隙数量，并就各条节理裂隙的倾角、走向角以及间距等几何因素进行统计。

图5 节理统计网格图

由于坡面法统计的数据为各条节理的离散数据，为得到边坡中优势节理的产状，把所统计的节理数据输入DIPS软件，利用软件统计边坡中的优势节理组，如图6所示。

图6 赤平投影分析结果

由DIPS软件分析生成各个优势节理组的走向角、倾角和节理条数，由式(4)可求得节理间距d[12]：

(4)

式中，λ1为剖面测线上的节理线密度；α为优势节理的倾角。

由软件得出各图像的优势节理组数据，根据节理组走向角角度的差异可把预裂缝分为4段，各段的节理几何产状具体数据见表1所示。

表1 预裂爆破各段边坡中优势节理组参数Table 1 The main set of joints parameters of each section side slope of the pre-splitting blasting

2.2 预裂爆破技术参数

矿区地层岩性主要为黑云变粒岩、砂岩、石英砂岩、白云岩、赤铁矿，预裂爆破试验位置矿岩条件主要为中风化的砂岩，其物理力学参数见表2。

表2 试验位置岩体物理力学参数Table 2 Rock mass physical and mechanical parameters at the testing location

预裂爆破中预裂孔与缓冲孔布置如图7所示，预裂孔为直线排列，具体参数与每孔装药量见表3、表4。

图7 起爆网路示意

项 目施工工艺及参数孔径/mm115孔网参数孔距1m,与前方缓冲孔距离2.5m炸药单耗/(kg/m3)0.6炸药种类32mm/200g胶乳管药装药结构竹板条绑胶乳药管,孔底加强6卷/m,上部2卷/m起爆方法孔内、孔外均采用双股导爆索起爆炮孔倾斜/(°)75填塞长度/m2孔深/m15

缓冲孔共13个，孔内采用5段传爆导爆管雷管，孔外均采用1段传爆导爆管雷管；预裂孔共计43个，预裂孔内外均采用双股导爆索起爆。

缓冲孔参数见表5，装药结构为混合装药，装药长度7 m。依孔内水深确定装药结构，当孔内水深时，7 m内全部为乳化炸药；当孔内水浅时，下部装乳化炸药，上部装铵油炸药；干孔时，7 m内全部为铵油炸药，如图8所示。

铵油和乳化混合装药的缓冲孔，沿药柱底端至顶端方向上，分3段分别设置起爆药包；仅装有铵油炸药的缓冲孔，只在药柱顶端设置起爆药包。如图8，起爆药包由导爆管雷管与乳化药卷组成，孔内延时为5段传爆导爆管，孔外延时为1段传爆导爆管。

表4 预裂孔各孔装药量及孔深Table 4 The explosive load and depth of each pre-splitting holes

表5 缓冲孔各项参数Table 5 The parameters of cushion holes

2.3 预裂缝降振试验分析

预裂爆破形成的预裂缝，可以起到降低主爆区爆破震动对边坡岩体的震动破坏的作用。为了更准确的检验预裂缝的贯通性，以降振率的大小对预裂缝贯通性进行量化描述。测试降振率的方法是： 在预裂爆破作业之后，实测在矿山中爆破作业所产生的爆破震动数据，对比预裂缝两侧的测震数据，即可确定预裂爆破的降震效果和预裂缝的质量。

图8 缓冲孔装药结构示意

如图9所示，分别在4个不同分段预裂缝前后设置1#、2#振动测试仪，由于震动测试仪数量有限，故每次只能测试一个分段的预裂缝降振率，对每个分段进行2次测试，测试结果见表6。

图9 预裂爆破形成预裂缝的爆破震动测试试验布置

测试位置仪器序号炸 药总消耗/t最大段药 量/kg距离/m合成振速/(cm/s)ξ/%各分段降振率/%第一分段1#测试12#第一分段1#测试22#第二分段1#测试12#第二分段1#测试22#第三分段1#测试12#第三分段1#测试22#第四分段1#测试12#第四分段1#测试22#12.596501059.53.24909255.6490789.55.64901137.78.334901329.77.465301259.56.553089511.265011231.160.650.760.471.320.910.950.720.120.070.240.160.750.681.761.544438.231.124.241.733.49.912.541.127.6537.511.2

将测震仪的传感器分别布置在预裂缝的两侧，爆破作业后，提取传感器记录的质点震动速度，然后根据结果计算降震率的大小[13]：

(5)

式中，ξ为降震率；V1为预裂缝前质点振动速度的最大值，cm/s；V2为预裂缝后质点振动速度的最大值，cm/s。

分别对预裂缝4个不同分段位置进行2次爆破震动测试，通过式(5)求出各段平均降振率值汇总于表6。在预裂边坡节理统计中，各分段位置节理倾角与间距差异不大，只有走向角度变化较明显，故试验中只考虑表1中走向角度的变化，结合表6中所计算的降振率绘制出图10。

图10 节理面走向角度与预裂缝降振率关系

由图10可知，降振率随节理面走向角角度的增大而增大，这是由于岩石更容易在垂直节理方向产生裂缝[6]，节理走向角度越大岩石开裂方向越趋于炮孔连线方向，形成的预裂缝更加平整，且更易贯通，故应力波通过预裂缝的降振率变大。实验结果表明节理面走向角度越大，预裂缝的贯通性越好，此结论与前述理论研究结果相同。

3 结 论

(1)预裂爆破生成的连续裂缝可具有良好的降振作用。对预裂爆破生成预裂缝的降振率进行分段测试的结果表明：各段预裂缝使岩体中的爆破振动均有一定程度的下降，其中节理面走向角度接近90°时的预裂缝降振率约为44%。

(2)岩体中节理的存在对预裂爆破效果有显著影响。当2炮孔之间存在节理时，预裂缝由炮孔向外延伸接近节理时，裂缝沿垂直节理方向开裂，随即与破坏的节理破碎带连通，形成锯齿形的预裂缝。

(3)对一条预裂缝的不同分段进行降振试验，结果表明：预裂缝的贯通程度与节理面走向角度有关。随着节理面走向角度的增大，岩石开裂方向越趋于炮孔连线，所形成的预裂缝更加平整，预裂缝的贯通性更好。当走向角度为90°时，预裂成缝效果最好，无锯齿现象产生，预裂面为一平整贯穿裂缝。

[1] 郑炳旭，张光权，宋锦泉，等.露天金属矿山边坡缓冲爆破技术优化研究与应用[J].爆破，2013，30(2)：7-11. Zheng Bingxu，Zhang guangquan，Song Jinquan，et al.Optimization research and application of slope cushion blasting technology in open-pit iron mine [J].Blasting,2013,30(2):7-11.

[2] 杨文敬，王志亮.岩体中EPS泡沫不耦合爆破响应数值研究[J].煤炭学报，2011，36(S2)：425-430. Yang Wenjing,Wang Zhiliang.Study on response value of decoupled blasting of EPS bubble in rocks[J].Journal of Coal Science Society,2011,36(1):425-430.

[3] 戴 兵，赵国彦.基于预裂成缝对爆破参数拟合的数值模拟分析[J].爆破,2012，29(1)：10-14. Dai Bing，Zhao Guoyan.Analysis of numerical simulation of blasting parameters fitting based on Pre-splitting [J].Blasting,2012,29(1):10-14.

[4] Zhu J B，Zhao J.Obliquely incident wave propagation across rock joints with virtual wave source method[J].Journal of Applied Geophysics，2013，88：23-30.

[5] Zhu J B，Zhao X B，Wu W，et al.Wave propagation across rock joints filled with viscoelastic medium using modified recursive method[J].Journal of Applied Geophysics，2012，86：82-87.

[6] 谢 冰，李海波，王长柏，等.节理几何特征对预裂爆破效果影响的数值模拟[J].岩土力学,2011，32(12)：3812-3820. Xie Bing，Li Haibo，Wang Changbai，et al.Numerical simulation of presplit blasting influenced by geometrical characteristics of joints [J].Rock and Soil Mechanics,2011(12)：3812-3820.

[7] 张 奇.层状岩体内光面爆破断裂过程的研究[J].东北煤炭技术,1989，31(2)：29-33. Zhang Qi.Research on the fracture process of blasting of smooth surfaces in layered rocks [J].Coal Technology of Northeast China,1989,31(2):29-33.

[8] 于学馥.地下工程围岩稳定分析[M].北京：煤炭工业出版社，1983. Yu Xuefu.Analysis of Surrounding Rock Stability in Underground Engineering [M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1983.

[9] 夏才初，孙宗颀.工程岩体节理力学[M].上海：同济大学出版社，2002. Xia Caichu，Sun Zongqi.Mechanical Engineering of Jointed Rock Mass [M].Shanghai：Tongji University Press，2002.

[10] 唐春安.岩石破裂过程的灾变[M].北京：煤炭工业出版社，1993. Tang Chun′an.Catastrophe in Rock Unstable Failuer[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1993.

[11] 丁黄平.节理裂隙岩体隧道爆破成型效果研究[D].长春：吉林大学，2009. Ding Huangping.Study on the Shaping Effect of Jointed Rock Mass under Blasting in Tunnel[D].Changchun：Jilin University，2009.

[12] 周 楠，王德胜，常建平，等.基于综合赋权聚类分析的岩石爆破性分区评价[J].岩石力学与工程学报,2013，32(S1)：2817-2824. Zhou Nan，Wang Desheng，Chang Jianping，et al.An appraisement for zoning of blasting compliance of rock based on clustering analysis of decide weight comprehensively [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(S1)：2817-2824.

[13] 许文耀，王湘桂.邻帮预裂爆破在司家营铁矿的应用研究[J].金属矿山，2012(12)：20-23. Xu Wenyao，Wang Xianggui.Application research of pre-split blasting near final slope at Sijaying Iron Mine [J].Metal Mine,2012(12)：20-23.

(责任编辑 石海林)

Effect of Angle of Joint Strike on the Pre-cracking Penetrating during Pre-splitting Blasting

Liu Jifei Qu Shijie

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Natural rock mass usually contains discontinuous medium in geological structural planes such as joints，fissuring，faults etc.The discontinuity of rock mass has both important influences on the spread of stress wave and the formation of pre-cracking during the pre-splitting blasting.In order to investigate the effect of angle of joints strike on the cut-through degree of the pre-crackings，the segmented blasting vibration tests for the pre-crackings generated are made during once pre-splitting blasting.It has been found through the angle of joints strike and the decreasing vibration rate of different sections that the angle of joints strike between blast holes has a significant influence on pre-cracking；the bigger the angle of joints strike in the location of the pre-splitting blasting，the higher the decreasing vibration rate of the generated pre-cracking at that location.The cut through degree is increased as the angle of joints strike increases.Through observing the effect of pre-splitting blasting on site，it is clear that when the angle of strike of joints plan gets close to 90°，the pre-cracking will have a best penetrating and flatness，which is almost consistent with the theoretical analysis.

Pre-splitting blasting，Pre-cracking，Jointed rock mass，Joint surface angle of strike，Segmented decreasing vibration test

2013-12-22

刘际飞(1985—)，男，博士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-04-006-06