中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用研究

鲁军纪 褚怀保 叶红宇

(1.湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司，湖南 娄底417000;2.中南大学软件学院，湖南 长沙410083;3.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作454000)

在矿井建设过程中，爆破法依然是目前掘进破岩的主要手段。试验和实践表明，炸药爆炸释放的能量在实现掘进岩石破碎和破裂的同时有很大一部分不可避免地消耗在爆破有害效应的转化中，即不可避免的对围岩造成一定的损伤［1-3］。这种损伤影响主要体现在两个方面:一是对岩石力学性能的劣化，使围岩的强度降低;二是在围岩内形成新的裂隙或者促使围岩中原裂纹进一步扩展，降低围岩的完整性。最终两者必将影响围岩的稳定性，增加巷道支护难度和后期运营过程中的维修维护成本。

在目前采掘矛盾日益凸显的状况下，增加炮孔深度全断面一次起爆的中深孔全断面爆破技术在巷道掘进中得到了越来越广泛的应用，但在现有的爆破技术条件下，往往存在炮孔利用率低、循环进尺小、矸石堆积在工作面、根底残留严重、巷道成型质量差、围岩扰动损伤大等问题，严重影响巷道掘进速度，在下山巷道爆破掘进过程中这些问题更为突出［4-5］。因此，提高巷道掘进速度，对保证矿井正常接续和生产具有非常重要的现实意义。

为了提高下山巷道的掘进速度，控制爆破对围岩的扰动损伤，在定向断裂爆破理论分析的基础上提出切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术，并进行现场中深孔全断面爆破应用，为切缝管定向断裂爆破技术在岩巷快速掘进中的推广应用提供理论和应用基础。

1 切缝管定向断裂爆破裂纹的形成与扩展

切缝管定向断裂爆破是定向断裂控制爆破技术的一种，是将炸药装入具有一定强度和密度的管内，在管壳上开不同角度、数量和形状的切缝，调控炸药爆炸能量的释放方向，控制介质中爆破裂纹的形成位置和扩展过程。

1.1 切缝管定向断裂爆破初始裂纹的形成

切缝管的存在使炮孔内壁介质波阻抗发生改变，改变应力波的传播规律。药包在切缝管内不耦合装药时，药包爆炸瞬间转化为高温高压的爆轰产物，爆轰产物膨胀挤压周围空气产生空气冲击波，空气冲击波向外传播，在切缝管处作用于切缝管产生冲击波，传播至管壳与岩石分界面发生反射和透射，透射波作用于岩石介质;在切缝处空气冲击波直接作用于岩石介质。药包在切缝管内耦合装药时，爆轰产物膨胀挤压管壳在管壳内产生冲击波，传播至管壳与岩石分界面发生反射和透射，透射波作用于岩石介质;在切缝处爆轰产物直接挤压炮孔壁，在岩石中产生冲击波。

式中，σI，σR，σT分别为入射、反射和透射应力，Pa;ρ1c1，ρ2c2分别为2 种介质的波阻抗，MPa·s/m。

岩石介质的波阻抗大于切缝管的波阻抗，由式(1)可知，炸药爆炸后作用于切缝处炮孔内壁上的透射应力大于切缝管内壁的透射应力，同时，切缝管是一种可塑性材料，其塑性变形会吸收一部分冲击波能量，使非定向方向的冲击能量得到衰减。由于切缝宽度很小，所以，切缝方向炮孔壁可认为是受线性分布力σ1，非定向方向由于切缝管的存在承受均布面力σ2，则有σ1＞σ2。从切缝处取单元体，其受力情况如图1 所示。

图1 切缝孔壁处力学模型Fig.1 Mechanics mode of cut holes wall

单元体在σ1和σ2形成的压力差下发生剪切破坏，在炮孔壁上形成初始裂纹，而且，在切缝处有较强的应力集中，应力强度因子为非定向方向的3.75 ～5.4 倍，也促使切向方向的初始裂纹形成。

1.2 切缝管定向断裂爆破裂纹扩展

初始裂纹形成后，切缝方向裂纹的扩展可分为3个阶段:切向拉伸应力作用下的扩展、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展、爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展。

(1)爆炸应力波作用下切向拉伸应力作用下的裂纹扩展。初始裂纹形成后，爆炸冲击波迅速衰减为压缩应力波，爆炸应力波作用下，岩石表现为强脆性，可用纯脆性损伤断裂准则作为应力波作用下岩石的损伤断裂判据，根据Lematire 等效应力概念［7］，当等效应力σe达到岩石的动态断裂应力σu时岩石断裂，裂纹扩展。岩石发生切向拉伸破坏，径向裂隙进一步扩展。

(2)爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展。爆炸应力波进一步衰减后，切向拉伸应力不能使岩石介质发生拉伸破坏，爆炸应力波作用下裂纹扩展终止。高温高压的爆生气体随机充满炮孔及形成的裂纹内，对于岩石内部的爆破问题，可简化为二维轴对称平面应变问题来分析，假设在所有裂纹内爆生气体的流动规律相同，在不具体考虑裂纹间的相互影响下以平均效应代替，且将此裂纹扩展看做是I 型裂纹扩展问题，则岩石中裂纹的稳态失稳条件为切向应力等于岩石动态抗拉强度［6，8］。

(3)爆生气体压力场作用下的宏观裂纹扩展。σθ≥σd后初始裂纹稳态扩展，随后爆生气体充满到初始形成的径向裂隙中，在近区以气体驱动的模式使裂纹扩展，由应力强度因子准则来确定裂纹扩展区域。当应力场强度因子KI大于等于岩石断裂韧度KIC时裂纹会进一步扩展［9］。

1.3 切缝管定向断裂爆破参数

(1)炮孔间距。利用切缝管定向断裂爆破时，为实现只在炮孔之间连线方向形成贯通裂纹，而在炮孔壁的其余方向不出现拉伸裂纹，可将切缝缝口朝向炮孔之间连线方向上，根据文献，当裂尖应力强度因子KI≥KIC时，裂纹开始起裂［10］。令

最终没能改变阿花的决定，景花厂宣布倒闭。阿花说她最难过的是对不起员工们，他们跟随自己这么多年，金融危机来了，没能在她的树荫下躲过这场雨，而树倒猢狲散了。所以景花厂倒了，一定要给员工们一个交代。她想好了具体的方案：一是向林强信妥协，让大发厂来的员工再回大发厂；二是请业务单位帮忙，安置熟手；三是把设备低价处理给员工，让他们自己接活加工；四是剩下的员工最大限度地予以赔偿。阿花安排我去大发厂和林强信交谈，她跑其他业务单位。

式中，r 为切缝外爆破裂纹长度;r0为炮孔半径;P 为炮孔压力，MPa;b 为侧压力系数，b = μ/(1 － μ);μ为岩石泊松比;σt为岩石动态抗拉强度，MPa。取P= γσt/b，γ = 0.8 ～0.9 。由此求得与岩石性质和炮孔半径r0有关的裂纹长度r 的表达式为

所以炮孔间距

(2)光爆层厚度。为保证光爆层效果，应根据岩石性质选择炮眼密集系数m，一般取m= 0.8 ～1.0，其中硬岩取大值，软岩取小值。这样光爆层厚度W为

注意切缝管定向断裂爆破炮孔密集系数m 的取值在这里有所不同。

(3)线装药系数和线装药密度。在计算炮孔线装药系数和线装药密度时假定炮孔采用不耦合装药，炮孔内爆轰产物膨胀过程遵循以下规律［11］:

其中，Pc为爆轰产物平均压力;ρ0为炸药密度;D 为炸药爆速;PK为爆轰产物膨胀时的临界压力，一般取100 MPa;Vb为炮孔体积;Vc为装药体积;M 为低压阶段(PK≥P)的爆轰产物膨胀指数，取M =1.4;N为高压阶段(PK≤P)的爆轰产物膨胀指数，取N=3.0。

结合P = γσt/b，可得炮孔线装药密度和线装药系数

式中，q 为线装药密度;ζ 为线装药系数;db为炮孔直径;dc为装药直径。

2 中深孔全断面切缝管定向断裂爆破技术应用

某下山巷道掘进断面宽4 400 mm，边墙高2 200 mm，拱部开挖高度1 467 mm，开挖断面14.77 m2，坡度15%。巷道岩石普氏系数f =8 ～10;YTP －28 型风钻人工抱钻打眼，全断面中深孔爆破掘进，锚喷网支护，选用柳工ZL50C(ZL40B)轮式装载机和8 t 自卸汽车装运工作面废石，利用分段联道岔口作装碴点。但爆破效果不够理想，炮孔利用率仅为60% ～70%;周边孔成形质量较差，炮孔半孔率仅为60%左右，且半孔痕分布严重不均;钻孔工作量大;同时循环总药量过大，爆破掘进施工对巷道围岩的损伤过大，严重影响巷道围岩的稳定性，致使后期巷道运营过程中的维修和维护费用提高，矿井采掘矛盾日益突出。因此，如何提高岩巷掘进速度，实现矿井高效快速掘进生产目标成了亟待解决的问题。

为改善爆破效果，提高掘进速度，提出了中深孔全断面切缝管定向断裂爆破方案，掏槽孔采用二级楔形耦合药包切缝管定向断裂爆破，周边孔采用不耦合药包切缝管定向断裂爆破。切缝管定向断裂楔形掏槽爆破是在掘进工作面布置两阶楔形掏槽孔，一阶掏槽孔装入相应材质的切缝管，切缝宽度0.5 mm，切缝沿上下排炮孔连心线方向对称开设，两端炮孔内切缝管切缝垂直开设，如图2 和图3 所示。

图2 中深孔楔形切缝药包定向断裂掏槽爆破炮孔布置Fig.2 Layout of directional fracture cut blasting holes of middle-deep hole wedge joint-cutting cartridge

图3 一级楔形掏槽孔定向断裂装药结构Fig.3 Directional fracture charging constitution of level-1 wedge cut hole

周边孔中提出采用定向断裂周边光面爆破技术，周边孔装药结构如图4 所示，切缝管长0.5 m，水泡泥填塞，剩余炮孔用黄土炮泥填塞。

图4 周边孔切缝管定向断裂装药结构Fig.4 Directional fracture charging constitution of cut tube in peripheral holes

3 现场应用爆破效果

在定向断裂爆破裂纹扩展机理基础上，对爆破参数进行优化设计，周边孔间距500 mm，光爆层厚度500 mm(确保周边孔爆破后光爆层岩石可充分破碎，以降低周边孔装药爆炸后产生的应力波发射对围岩的扰动损伤);一级掏槽孔孔口距800 mm，二级掏槽孔孔口距1 400 mm，同时中间的直孔布置为2 个，爆破器材选32 mm ×200 mm 乳化炸药，1 ～5 段3 m脚线非电毫秒雷管，反向连续装药，磁电雷管、专用启爆器实行长距离引爆，联线方式为分组并联方式，放炮母线选用铝芯塑胶线，放炮安全距离不小于200 m。斜坡道炮孔布置如图5 所示。

图5 斜坡道炮眼布置Fig.5 Layout of blastholes at ramp

现场效果:通过利用提出的切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术使炮眼利用率达到90%以上，每循环进尺达2.5 m，大大提高了巷道掘进速度;眼痕率85%以上，爆破成形规整，有效控制了损伤，确保了围岩稳定性，为后期支护创造了良好条件;爆后岩块均匀，大块率低，提升了爆后装岩速度。

4 结 论

(1)初始裂纹的形成是切缝处应力集中和压力差所致，而后的裂纹扩展过程包括切向拉伸应力作用下的扩展、爆生气体驱动压力作用下裂纹稳态扩展和爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展3 个阶段。

(2)切缝管药包定向断裂复合楔形掏槽爆破和周边孔切缝管药包定向断裂爆破技术可提高炮孔利用率和眼痕率，改善掏槽爆破效果，有益于提高巷道掘进速度;对周边围岩扰动损伤较少，使周边围岩裂隙少、整体性高，巷道周边和迎头面成型较好;且后期修边支护工作量大大减少，维护维修费用降低。

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