微风化花岗岩多向聚能爆破破岩试验研究

刘敦文，蔡才武，唐 宇，杨学成

(1.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083；2.上海隧道工程有限公司，上海 200082)

爆破作为目前主要的高效破岩方式，广泛应用于各项岩体工程开挖中。尽管爆炸释放的大量能量可以有效完成破岩工作，但是如何高效利用爆炸产生的能量始终是困扰工程界的难题。如何采取合理方式将爆炸能量在致裂作用和粉碎作用时进行分配，需要视具体工程而定。如：地下采矿工程中，需要保证破碎块度，满足出矿要求，希望尽可能将爆炸能量用于岩石的破碎与抛掷；而在巷道掘进时，只要将岩体破碎到满足就地装载出渣即可，过度破碎带来的大量能量损耗，降低了破岩效率。因此，爆炸产生的能量利用情况直接影响着施工效率和成本，在爆破过程中，有必要对其能量进行合理分配和控制。

爆炸能量分配直接影响爆破效果，各国专家对此开展了大量研究。Brinkman J R.[1]利用炮孔套管法将冲击波和爆炸产物的作用分离，得出爆炸总能量的10%～20%可转化为冲击波有效破岩，50%～60%的能量转化为爆生气体膨胀做功辅助破岩，其余能量则转化为内能或动能间接损失掉。宗琦[2]对岩石耦合柱状装药爆破的研究结果也得到了相似结论，爆腔扩展过程中的能量消耗占炸药爆炸总能量的10%左右。Ouchterlony Finn等[3]系统性地测试了爆破时的能量损耗，得出岩体过度破碎能量的损失占20%～40%，抛掷动能占10%～20%，地震能占5%～10%，破碎能占0.1% ～0.2%。吴亮等[4]通过对同种炸药在不同岩性中耦合装药的爆破能量分布计算，得出埋深在临界深度以下时，爆炸冲击波作功能量约占爆炸总能量的40%，剩余爆生气体能量中用于扩腔和扩展主要裂隙的能量约占总能量的23%，剩余大约37%的能量基本损失掉了。谢和平等[5]在研究煤体爆炸破裂时发现，裂隙扩展伴随着断裂面的增加，导致应力波能量转化为破岩区形成新表面所需的表面能，能量产生耗散。以上研究表明，由于爆破过程本身的特性，在爆破作业中，有较多的爆破能量损耗在了岩体的粉碎和过度破坏上，使远离爆源区的岩石致裂效果降低，这对于破碎程度需求不高的开挖工程来说，爆炸能量只有少部分用于有效破岩，能量利用率低。

针对爆炸能量利用率低的问题，在各项能量消耗理论计算的研究基础上，开展了大量工程实践应用。其中，通过改变装药结构实现定向断裂爆炸能量控制技术，如切缝药包装药破岩[6]，双聚能光面爆破技术[7]得到了广泛应用，并且在开挖轮廓面的成型控制中，取得了较好的破岩效果和经济效益。但是要实现对炸药能量分配的完全控制，仍然具有很大的难度。因此，多向聚能爆破作为一种新的破岩思路在此时被提出，并有部分研究者进行了一些初步的探索工作。罗文[8]提出一种利用深孔切槽和多向聚能药柱爆破技术来提高爆破块石料获得率的设想；任广学等[9]进行了多向聚能爆破与常规爆破的爆破漏斗体积对比试验，结果表明多向聚能爆破提高了炸药利用率；周巍炜[10]在某矿运巷道开挖工作面上采用多向聚能爆破技术掘进，提高了进尺和巷道断面精度。以上研究在多向聚能爆破破岩方面取得了一定进展，积累了研究经验，但对于多向聚能装置的能量利用效率，爆破裂纹控制及扩展规律的研究，仍需更多细致的工作予以丰富和补充。

综上所述，为了进一步研究多向聚能爆破作用下的岩石裂纹扩展特征和破坏规律，获得更多的聚能爆破参数，基于聚能爆破破岩理论，结合装药结构对爆炸能量分配的影响，提出了一种带有多向聚能槽的装药结构。在现场试验的基础上，结合微风化花岗岩的爆破裂纹分布情况和爆破效果，分析该多向聚能装药爆破能量的控制作用，通过对比多向聚能爆破与常规爆破在破岩方面的优劣，为爆破工程高效破岩提供参考。

1 多向聚能爆破基本理论

1.1 多向聚能爆破破岩特征

聚能爆破是利用一定的装药结构设计出特定的聚能药包对爆破介质实现定向致裂[11]，该方法具有能量集中、方向性强、穿透力大、能量密度高的特点。

以花岗岩爆破试验为例，分析带“V”形槽的多向聚能装药爆破破岩机理。多向聚能药柱在炮孔引爆后，爆炸冲击波首先在聚能槽方向卸载，5个聚能槽附近的炸药均产生高温、高压、高速、高能量密度的聚能射流，聚能射流强大的侵彻作用在孔壁上“切割”岩体形成切槽(见图1)。根据断裂力学理论，炸药的爆破能在切槽的尖端产生应力集中，当应力强度达到岩石抗拉强度时，切槽失稳扩展，随着切槽越深其强度应力因子越大，应力集中越明显，切槽裂纹进一步向前延伸。随后爆生气体进入裂纹，在爆生气体准静态压力作用下驱动裂纹迅速扩展成5条主裂缝。而爆炸应力波产生的径向拉应力将两相邻主裂纹之间的岩石拉裂形成环向裂纹，裂纹相互贯穿切割，使岩石发生破裂破碎，残余的气体压力将岩块向外抛掷与母岩分离。

图1 多向聚能药柱射流侵彻岩体
Fig.1 Multi-direction cumulative jet penetrates rock mass

1.2 多向聚能爆破破岩能量分析

破裂区作为岩体破碎崩落的主体，其范围大小和岩石破碎程度决定了爆破破岩的效果。在多向聚能爆破中，由于聚能侵彻作用，爆炸能量在岩石作用区域的分配比例发生变化，能量集中在炮孔近中区特定的方向，从而减少了粉碎区的消耗，有效地控制了破裂区岩石的致裂情况。同时由于聚能管外壳消耗了瞬时爆炸的部分能量，起到了缓冲峰值压力保护孔壁的良好作用，延长了作用时间，爆生气体促使裂纹扩展更远，扩大了岩体破碎范围[12]。与常规爆破相比，多向聚能爆破能量集中，减少了冲击波对炮孔壁整体的压缩作用，缩小了粉碎区的范围，使更多的能量转化为岩石的有效破碎能。

2 试验方案

2.1 多向聚能管参数确定

采用带“V”形槽的多向聚能管进行爆破试验，对破岩效果影响最大的装药结构参数主要是聚能槽的锥角和数目。

1)聚能槽锥角。锥角的大小决定着聚能射流的速度和质量，角度过小时聚能射流形成不稳定，角度过大时则影响定向裂纹深度。通过建立聚能装药爆炸分析模型，求解有效聚能炸药边界方程可得最佳锥角[13]，结合聚能爆破开挖工程实践，一般线性聚能槽锥角为60°～75°[14-15]时聚能效应最好，本设计聚能槽锥角选取为60°。

2)聚能槽数目。爆破时裂缝扩展速度和长度受应力大小的影响，在爆炸能量一定的条件下，聚能射流产生的应力集中随着聚能槽数目的增加而减小。裂端应力过小时，会限制裂缝扩展的长度，因此适宜的定向裂缝数量影响着岩石整体的致裂范围。现有研究的4～6向聚能爆破在一定程度上均能改善爆破效果，本次探究放射状定向致裂岩体的破岩效果，力求取得理想的破岩深度，所以设计5个聚能槽。

2.2 多向聚能管制作

设计的多向聚能管采用高强度红钢纸制成，密度约1.4 g/cm3，厚度为0.12 cm，内径3.5 cm，长度由试验的装药量而定。红钢纸是一种坚硬度很高的加工制品，强度接近铝，具有很高的机械强度，以此确保聚能射流的形成。多向聚能管的5个“V”型槽均匀分布在管内壁，径向长度0.8 cm，聚能槽锥角为60°。多向聚能管结构如图2所示。

图2 多向聚能管实物与断面
Fig.2 Physical and sectional of multi-directional cumulative tube

2.3 试验设计

试验在某在建高速公路开挖边坡上进行，该边坡围岩主要为微风化花岗岩，质硬脆，围岩等级为Ⅲ级,在岩石伺服液压试验机上测得该类型岩石的单轴抗压强度σc=125 MPa，抗拉强度σt=5.44 MPa。在该边坡上选取围岩较完整，节理裂隙较不发育的部分作为试验区域。

用YT28型气腿式凿岩机在边坡钻6个水平孔，炮孔编号为1#～6#，孔径均为42 mm，孔深均为60 cm，为避免各炮孔之间的影响，相邻炮孔间距设定为2.5 m，逐孔爆破。使用标准2号岩石乳化炸药，规格为φ32 mm×200 mm，每卷200 g，试验用炸药质量分别为50、100、200 g。将装药结构与药量不同的6个炮孔分为3组进行对比试验(见表1)。

表1 试验分组

2.4 试验步骤

1)用胶带将多向聚能管一端平封，从另一端口将50 g乳化炸药挤入管内。

2)用砂与黏土合制的炮泥填塞聚能管上端口，与管口平齐时，用胶带将端口平封。

3)将导爆管雷管插入药包底部中心位置，采用反向起爆。

4)药管用炮棍轻轻送入炮孔底部，用炮泥将炮孔充分填塞。

5)孔口前放置一捆树枝防止碎石飞溅，在坡面上铺设一张彩条布用来收集爆堆。

6)将雷管引线与起爆器连接，在安全距离外引爆。

7)待爆破结束确认安全后进入爆破现场，测量爆破的可见裂纹和残孔尺寸等参数。

8)其余2组根据试验设计改变装药量的情况下重复步骤1～7。

3 试验结果与讨论

3.1 破岩试验效果与分析

试验共获得3组不同装药结构下的爆炸破岩效果，当装药量为50 g时，未观测到岩石有效宏观损伤；当装药量为100 g和200 g时，爆后炮孔内壁裂隙及岩石表面的宏观裂纹扩展较明显。以装药量为100 g炮孔内壁裂隙情况和200 g的岩石表面致裂情况为例，对比常规爆破和多向聚能爆破产生的效果。

当装药量为100 g时，爆破后的围岩表面未崩落碎石，未见明显裂隙，只在炮孔壁周围产生了损伤破坏。采用多向聚能装药的4#孔壁在聚能射流方向上出现了刻槽现象，并且进一步发育成了5条主裂纹，其中4条裂纹延伸至炮孔口，炮孔壁其他方向保持相对完整光滑，未受到明显的破坏(见图3a)。常规装药的3#孔壁表面整体呈现不规则破坏，孔内出现较多碎石，炮孔壁上只有1条损伤严重且不规整的裂缝，沿着裂缝方向有较多破碎坑(见图3b)。由此可知，多向聚能药柱聚能方向性较强，能产生预期定向裂纹，证明设计的多向聚能装置是可行有效的，为更进一步的试验分析提供了事实依据。

图3 孔壁裂纹扩展形态
Fig.3 Crack growth pattern of hole wall

当装药量为200 g时，试验区域围岩大部分被崩落，并出现可见裂纹。尽管两种爆破方式都造成了岩体的崩落，但多向聚能爆破后的破碎面相对平整，岩体崩落量较大，从炮孔中心沿聚能方向产生了5条主裂纹，在各主裂隙之间分布着多条断续微小裂纹(见图4a)；常规装药爆破后的破碎面较为粗糙，岩体崩落量较少，炮孔周围岩体仍保持相对完整的状态，在炮孔周边出现了2条近似对称的主裂纹(见图4b)。

图4 爆后围岩形态与裂纹分布
Fig.4 Shape and crack distribution of surrounding rock after blasting

药量为200 g时，爆破后常规爆破残孔深27 cm，残孔半径为26 mm(见图5a)；多向聚能爆破残孔深16 cm，残孔半径为22.5 mm(见图5b)。聚能爆破相较于常规爆破，其残孔较浅，孔径变化小；而常规爆破方法中，其残孔较深，孔径有一定程度的扩大，残孔壁上岩石粉碎破坏明显，且遭遇强烈损伤的碎石颗粒散布在孔内。比较二者的残孔状态，可以说明在多向聚能方法下，爆破能量的去向发生了变化，粉碎区的破坏程度明显减小，原先用以粉碎岩石的部分爆破能量转化到了对特定裂隙的扩展与岩体剥离中，使得多向聚能爆破条件下炮孔利用率有所提高。

图5 残孔尺寸
Fig.5 Residual hole size

将现场实测残孔参数及破岩方量进行统计分析，爆破参数如表2所示。

表2 爆破参数Table 2 Blasting parameters

由表2可知，与常规爆破相比，多向聚能爆破炮孔利用率提高了18%，岩渣平均块度增大了28%，岩石炸药单耗降低了32.5%，在破岩效率方面多向聚能爆破具有明显优势。

为精确定量比较破岩效果，通过残孔尺寸参数、裂隙长度测量结果，结合图像识别方法，对爆破效果进一步分析计算(见图6)。

在微风化花岗岩爆后围岩的宏观破坏区域里，多向聚能爆破后扩大的空腔半径为2.25 cm，面积为15.90 cm2；空腔外是一个由5条主裂隙构成的圆环形裂纹分布区域，外径为18.17 cm，面积为1 020.77 cm2，其中主裂隙宽度约2～3 mm，长度分别为：18.8、16.7、12.2、17.3、14.6 cm。常规爆破后扩大的空腔半径为2.6 cm，面积为21.23 cm2；空腔外的裂纹范围以2条主裂隙附近的裂纹为边界，构成了一个外径为20.28 cm，角度为217°的扇形区域，面积为765.64 cm2，产生的2条主裂隙宽度在2 mm以下，长21.8 cm和19.2 cm。

图6 围岩爆破作用分区
Fig.6 Zone of surrounding rock blasting

对比两种爆破方式作用下的空腔面积和宏观裂纹分布区面积可知，多向聚能爆破粉碎区的范围缩小了25.1%，宏观致裂范围扩大了33.3%。说明在炸药总能量不变的条件下，多向聚能药柱把能量集中到了岩石的致裂上，显著增大了岩石致裂范围。微风化花岗岩中还存在少量原生微小节理，图6a中的爆破裂纹区域内除了产生定向主裂隙外，在主裂隙发育与扩展的同时往原生节理面方向亦产生了衍生裂纹，衍生裂纹的形成消耗了一部分的表面能，影响了定向裂隙的扩展，但多向聚能爆破在5个聚能方向上人为产生的高应力集中，仍可较充分地利用爆炸能量，对近中区内的围岩形成了较为明显的破裂。而图6b的爆生裂纹集中在原生节理附近，裂纹区域外部岩体相对较为致密，也说明在能量水平不高的情况下，常规爆破在经过粉碎区能量的耗散后，剩下的爆炸能难以对较为完好的围岩进行有效破岩。

3.2 试验结果讨论

通过分析微风化花岗岩破岩试验结果，多向聚能爆破相比常规爆破方法，具有定向致裂和降低炸药单耗的明显优势，但该方法的应用也有一定的局限性。

1)多向聚能爆破定向致裂的根源在于，聚能射流的存在改变了爆破时炮孔周围岩石的应力场分布，爆破所产生的高能冲击波往特定方向汇聚，优先对聚能方向正对的炮孔壁岩石进行强烈冲击，炮孔壁近中区岩石发生急剧的变化，快速产生塑性破坏，继而在聚能方向最先产生长裂纹；当爆生气体渗入到长裂纹时，其他短裂纹的应力强度因子KI变为负值，此时短裂纹将发生闭合，不能再扩展[16]，而长裂纹则在爆生气体准静态压力作用下进一步的延伸加长。试验2中，4#孔壁上聚能方向有较为明显的宏观裂隙产生，周边其余部分则较为完好，也印证了文献[16]关于爆生气体对岩石裂纹扩展规律的研究。

2)本试验设计的多向聚能爆破相比常规爆破方法，避免了大量随机裂纹的产生和炮孔壁的均匀受力耗散爆破能量，岩石炸药单耗降低了32.5%，有效提高了炸药能量利用率。聚能结构所形成的射流具有强大的侵彻作用，从而保证了孔壁径向主裂纹只按预定方向起裂和扩展。而孔壁周围其余部位应变峰值大幅度减小，一方面使爆破的能量优先扩展已形成的弱面裂隙，增大了岩石的致裂范围，有助于提高爆破开挖效率；另一方面粉碎区和过度破碎的减少有利于降低爆破粉尘，加快后续的通风出渣工作，能进一步提高工作效率。

3)工程研究表明，地质条件是获得预期爆破效果的重要考虑因素。对节理裂隙发育的岩石，岩体易沿原生节理面开裂，当高能射流与节理面交汇时，射流的侵彻作用和弱结构面的层裂相互抑制，裂纹的扩展长度减小；对于软岩岩体，爆破能量易沿孔壁原生裂隙发生冲楔作用，聚能效果较差[17]。因此，该多向聚能爆破方法适用于节理裂隙较不发育的硬岩开挖。

现场试验进一步揭示了多向聚能爆破技术的破岩机理，在相同条件下，综合对比两种破岩方式爆后围岩的破裂深度、破岩方量、炮孔利用率等数据，证明了在破岩效率上，多向聚能爆破技术要优于常规爆破，其应用于工程爆破生产实践中，有望减少炮孔数、降低炸药单耗、提高岩石致裂块度，为现场高效爆破破岩提供了新途径。

4 结论

1)聚能爆破利用聚能射流侵彻岩体实现定向致裂，基于此原理设计了一种带“V”形槽的多向聚能装置，该装药结构理论上可增加岩石的破裂范围，降低爆炸粉碎区和过度破碎的能耗，提高破裂区的能量利用率。

2)试验2中，讨论了小药量爆破作用下微风化致密花岗岩裂纹扩展分布形式，在炮孔壁上多向聚能爆破产生了5个聚能方向的定向裂纹，而常规爆破产生随机裂纹，呈现不规则破坏，验证了本文所述的多向聚能药柱设计是可行有效的。

3)试验3中，在岩质坚硬、微节理裂隙的花岗岩条件下，多向聚能爆破产生了明显的宏观定向破裂区，有效破裂面积1 020.77 cm2，岩渣平均块度为0.32 m，炸药单耗1.06 kg/m3；常规爆破下的破裂区域不明显，有效破裂面积765.64 cm2，岩渣平均块度为0.25 m，炸药单耗1.57 kg/m3；相比于常规爆破，多向聚能爆破粉碎区的范围缩小了25.1%，宏观破裂区的破裂范围扩大了33.3%，岩渣平均块度增大了28%，炸药单耗降低了32.5%。