周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究

满 轲，刘晓丽

(1. 北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点试验室，北京 100084)

瑞典自20 世纪50 年代，率先研究一种能按设计轮廓线爆破岩体，使开挖壁面相对平整的控制爆破技术，即光面爆破技术。由于该技术能够有效控制围岩损伤，并且实现高效破岩，因此该施工技术获得了大量的推广，被越来越多的应用于工程实际中。其中，爆破参数如何选取至关重要，国内外学者对此基于不同的研究出发点，以及不同的爆破机理分析方法，进行了大量的分析与研究[1 − 10]。尤以光面爆破和预裂爆破应用更为广泛，因为无论是光面爆破还是预裂爆破，此两种工法均能够更好的保持围岩的开挖稳定，实现良好的爆破效果[11 − 17]。尤其以爆破周边眼空孔数目的选择与空孔位置的分布是研究与施工的热点与难点[18 − 20]。付佳佳等[21]采用理论与数值结合的方法分析了“空孔效应”对光面爆破效果的影响，其比较了普通光面爆破和带空孔的光面爆破两种方式下岩石中的应力场，“空孔效应”使得炮孔附近的应力增大，且切向拉应力的极大值出现在孔心连线方向，从而有利于该部分岩石的拉开、脱离和抛掷。另外，在“空孔效应”作用下的拉伸破坏范围要明显大于普通光面爆破的拉伸破坏范围，有利于平滑轮廓面的形成。在岩石破碎过程中，陈秋宇等[22]为改善爆破效果，使岩体的完整性降低，采用空孔控制裂纹的扩展，同时利用空孔补偿岩石的位移。关于空孔的研究，目前较多的是在掌子面的掏槽孔中含有空孔的情况下着眼，研究如何使掏槽孔中的空孔更有效掏槽的空孔效应问题，而在实施爆破过程中，对周边眼中含有空孔效应的问题研究不是很多。岳中文等[23]采用数字激光动态焦散线试验系统，对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。段卫东等[24]针对岩体爆破单孔的爆破参数与装药孔和邻近空孔的理论炮眼间距计算，认为破裂区和空孔周边的应力集中区重合时为炸药最大利用率，由此获得了空孔的理论最优间距。但研究成果仍较少，获得的部分结论尚需进一步的验证。

甘肃北山坑探设施作为我国高放废物地质处置的工程技术型研究设施，与其它地下工程的显著区别是其对开挖质量要求很高，周边围岩损伤必须控制在尽量小的范围内，确保地下工程建成后，能够保持数万年的长期安全，核素不会从工程围岩迁移至自然界，因此，对围岩的爆破施工技术提出了更高的要求。本文针对甘肃北山坑探设施爆破试验现场实际工况，设计了钻爆法试验的爆破参数，并侧重在周边孔布设了若干间距的空孔予以间隔，进而研究爆破试验下的空孔效应，寻求其能否达到更为良好的爆破效果，是否有利于核废料处置工程的建设。鉴于此，本文从“空孔效应”研究的角度出发，对该区域花岗岩体的周边孔间距这一爆破参数进行分析、设计、试验与探讨。

1 空孔效应的破岩机理

实现爆破的周边孔分为两类，分别是装药孔和空孔。装药孔是通过其孔内装载的炸药破碎岩石，充分发挥炸药的冲击爆热性能，利用其冲击波、发热及爆生气体的共同作用破碎岩石并抛掷岩渣。

空孔一般是平行于装药孔，孔内不装炸药或者在孔底装少量的炸药，主要是为了提供自由面给装药孔，更有利于邻近装药孔的爆破实施。并且，空孔给岩石的破碎提供了一个补偿空间，爆破产生的岩石可以挤压在空孔内，有利于巷道周边轮廓的爆破形态，形成更好的半孔率。空孔和装药孔一般布置是间隔布置，既能充分发挥炸药性能，又能产生空孔效应，起到良好的爆破效果，并节省火工消耗。特别是针对坚硬的岩石，空孔的布设更有必要。

从爆破机理分析，由于空孔的存在，沿着空孔和装药孔之间的岩石受力情况并不仅仅是传统意义上的冲击波和爆生气体共同作用，而是岩石的拉伸破坏作用起主导作用，其改变了爆破作用下岩石的破坏机理。对于岩石这种准脆性材料，其抗压强度远远大于其抗拉伸强度，至少为一个数量级的差异。其抗压强度一般为数百兆帕，而抗拉强度一般为数十兆帕。因此，如想高效的破坏或者破碎岩石，需要尽可能的使其产生拉伸受力状态。空孔炮孔壁面裂纹的起裂主要是由于壁面岩体质点受到切向应力而引起的，并且裂纹的扩展行为除了受到爆炸应力波之外，爆生气体亦起到了裂纹扩展的主要驱动作用。

无论是室内岩石的单轴压缩、三轴压缩，还是直接拉伸或者间接拉伸试验，其破坏机理要么是拉伸破坏，要么是压剪破坏[25 − 32]。在炸药起爆作用下，单纯的靠冲击波以及应力波的压力传导至岩石的压力，是纯粹的压应力，只有当波传递至自由面的时候，发生了反射，产生了拉伸卸载波，才会产生拉伸应力，有利于岩石的剥裂。但是在靠近装药孔的岩壁上，产生的是压缩破坏，岩壁被爆炸波破损为岩粉。由于空孔的存在，其在岩体中产生了一个自由面，爆炸应力波在此会产生应力集中现象，此处的应力远远大于其它处岩石中的应力，并且在空孔与装药孔之间的岩石受到的不仅有冲击压力，还有拉伸应力。根据文献[33 − 34]的研究成果，特别是在周边装药孔与空孔的连线方向上，是最大拉应力产生的地方，使得装药孔与空孔之间产生裂纹，并且互相贯通，更易发生由拉伸应力导致的岩石破坏。

同时，空孔致使其周围易于产生应力集中，爆炸应力波与爆生气体在空孔处能量聚集与释放会更为充分，沿着装药孔与空孔之间的连线方向更易发生贯通破坏，空孔起到了很好的导向作用。

因此，在爆破破坏过程中，空孔的存在使得装药孔与空孔之间裂纹贯通，起到了很好的导向作用，有利于发挥炸药的性能。

2 空孔参数的设计

本文拟定以空孔效应的研究作为钻爆工程施工过程参数优化的选项之一。

对炮眼间距，分别采取理论计算和半经验半理论分析方法对其进行了量化。巷道岩石坚固性系数取f=8，纵波波速cp=3500 m/s；周边眼使用乳化炸药，将每节药卷平均剪成4 段，采用空气间隔不耦合装药，空气柱La=0.2 m，炸药密度ρ0=1000 kg/m3，爆速为D=4000 m/s，药卷直径为dc=3.2×10−2m，炮眼直径db=4.2×10−2m，炮孔长度为2.0 m，岩石泊松比µ=0.25。

图1 装药孔与空孔平面布置图Fig. 1 Schematic of empty hole and charging

根据弹性理论，空孔附近P点处的应力状态可表示为[13]：

图1 中，A为装药孔，B为空孔，P点在装药孔与空孔之间连线的某位置处，距离装药孔A为r，距离空孔B为R。rB为空孔半径， θ为任意方向与炮孔间连线方向的夹角，装药孔与空孔间距为E。

装药炮孔与空孔间区域岩石质点破坏采用的是最小拉应力破坏准则，同时该准则采用了岩石动态拉伸强度值。

其中，裂隙区半径Tk及装药孔与空孔间距E计算公式为[21]：

当岩石的动抗拉强度与空孔附近的抗拉强度一致时，破碎区面积最大，孔壁裂纹起裂扩展充分，空孔与装药孔之间的裂纹相互贯通，炸药利用最为高效。根据上述公式计算，可得到空孔和装药孔之间的间距约为300 mm。

3 周边空孔间隔装药爆破试验

在爆破现场，根据实地岩石工程地质情况，采用改变周边眼间距的方法，验证不同爆破参数下光面爆破的效果。可借助于巷道超欠挖、周边孔半孔率等进行衡量当次的爆破效果。其中，对周边孔的左侧进行了空孔效应的研究，装药孔与空孔间隔布置，52、54、56、58 作为空孔不装药。而在右侧周边眼全部装药，周边眼间距为298 mm(约为300 mm)。图2 为本次光面爆破的炮眼布置图，表1 为相应的爆破参数。具体试验论述如下。

图2 爆破炮孔布置图Fig. 2 Schematic of boreholes

采用分次起爆方法，按照掏槽眼−崩落眼−帮眼−周边眼−底眼顺序起爆，共有10 段；爆破掏槽采用直眼掏槽，左帮周边眼采取空孔间隔装药，有4 个孔作为空孔不装药，右帮所有周边眼都装药，对爆破后的效果进行比较，图3 为爆破前进行炮孔的定位工作及炮孔打眼情况。

根据爆破后效果，左侧有空孔时，光面爆破的半孔多且长，且无明显的超欠挖现象，爆破效果较好。爆破施工后，爆破掘进面左帮进尺2.2 m，右帮岩石掘进进尺2.1 m；并且左帮岩石半眼率数目更多，半眼长度更长，半眼痕率较高，如图4所示。

由图4 可知，对同一掌子面而言，采用空孔间隔设计周边眼间距时(300 mm)，爆破效果较佳；未采用空孔间隔时，爆破效果一般。此外，未布置空孔的右侧，还浪费了炸药等爆品耗材。需说明的是：本次试验，掌子面内岩石硬度较高。可见，周边眼之间进行空孔间隔施工，不仅可形成有效的导向孔，利于爆破成型，并且还能够节省炸药、雷管、导爆索等耗材，达到合理经济开挖的目的。因此，合理的在周边孔间距中布设空孔对光面爆破效果影响至关重要，特别是在硬岩掘进过程中。

表1 爆破参数表Table 1 Blasting parameters

图4 全断面光面爆破效果图Fig. 4 Photo of blasting effect

图3 实际打眼定位图Fig. 3 Photos of actual boreholes

4 爆破振速与围岩损伤分析

结合上述空孔效应试验，同时进行了爆破振动监测，并在爆破后对周边围岩的损伤予以了监测。通过爆破最大振动速度、主频以及围岩损伤区范围，综合评价空孔间隔装药一侧与正常装药一侧的爆后效果。

4.1 爆破振动速度分析

爆破振动测试可对该次循环的爆破效果进行综合评价，通过振动速度、爆破主频、振动持续时间等参数对爆破效果予以刻画，是爆破工程中常用的监测手段。本次爆破监测选用成都中科测控有限公司生产的TC-4850 爆破振动记录仪，从距爆破掌子面10 m 位置布置测点，在巷道左侧帮部和右侧帮部各设置1 个传感器。

周边孔正常装药与空孔间隔装药的爆破振动信号波形图如图5 所示。

图5 周边孔普通装药和空孔间隔装药时爆破测点信号波形Fig. 5 Vibration waveform of usual charge and empty charge for surrounding holes

通过该次爆破试验获得的空孔间隔装药最大振速，以及上次循环周边眼正常装药时获得的最大爆破振速，对比分析，可得到距离爆源10 m 处，普通装药侧产生的质点最大振动速度为20 cm/s，而空孔间隔装药侧所监测到的最大振动速度为12 cm/s。空孔间隔布置一侧，装药量比普通装药布置一侧的装药量少约1/2，其爆破振速与单段最大装药量密切相关，相应地爆破振速有大幅度的减弱。

周边孔普通装药和空孔间隔装药时的爆破振动信号频谱如图6 所示。可见，正常装药侧爆破信号更为复杂，峰值峰谷变化更为频繁剧烈，不利于工程设施的稳定。

同时，发现周边眼普通装药、周边眼空孔间隔装药爆破振动信号在0 Hz～250 Hz 间的能量占该信号总能量的百分比分别为91.65%、63.08%。对于地下工程而言，爆破振动信号的能量在频域上虽然分布比较广泛，但绝大部分能量集中在0 Hz～500 Hz 间。普通装药时能量主要集中在250 Hz 以内，其中0 Hz～125 Hz 能量占58.11%，125 Hz～250 Hz 能量占33.54%，而空孔间隔装药时能量主要集中在0 Hz～500 Hz 范围内，其中0 Hz～125 Hz能量占13.06%，125 Hz～250 Hz 能量占50.02%，250 Hz～500 Hz 能量占36.92%。

图6 周边孔普通装药和空孔间隔装药时爆破信号频谱Fig. 6 Blasting signal spectra of usual charge and empty charge for surrounding holes

相比于空孔间隔装药条件下，周边孔均为普通装药时，频率在主振带上分布更为集中。这主要是因为在临空面较好的条件下，空孔间隔装药爆炸的能量在空孔约束较弱的方向上会快速释放，而普通药包最后一段雷管单段爆破减小了地震波的相互干扰，从而导致信号更加集中于低频段的主振频带。两种装药形式所在测点离爆源的距离均相同，周边眼普通药包情况下其频带能量最大值却远超过了空孔装药条件下，这表明在爆破的近区，空孔装药降振效果明显。

4.2 围岩损伤分析

爆破振动监测表明爆破扰动对近区围岩的力学属性改变明显。但是，对该次爆破循环，左右两侧周边孔不同的装药结构，决定了左右两侧围岩的损伤是不一致的。鉴于此，开展了围岩损伤监测，通过雷达测试法和声波测试法，用以评价爆破后岩体的损伤特性及范围。

采用美国生产的GSSI 1.5 GHz 高频空气耦合天线雷达测试设备，用高频天线圈定高度损伤区EDZ 的范围，并对测线圈定的EDZ 深度进行统计，如图7 所示为其中一次探地雷达测试结果。

图7 高频1.5 GHz 雷达测试结果Fig. 7 Test result of ground penetrating radar of 1.5 GHz

通过高频雷达探测结果，发现对于空孔间隔装药的左侧，其EDZ 平均厚度为22 cm，而其右侧普通药包处，EDZ 平均厚度为27 cm。需要说明的是，空孔间隔布置一侧，装药量比普通装药布置一侧的装药量少约1/2，其爆破振速和EDZ值亦有较大程度的减弱。

进一步的，通过单孔波速及跨孔波速测试，对围岩损伤特性予以佐证。声波层析成像结果显示：在距离开挖面30 cm 范围内波速降低为原岩的10%，该范围内裂隙密度显著高于未扰动岩体，认为该区域为围岩爆破损伤区。据此，我们可拟定该次爆破试验围岩未产生明显损伤的范围不超过30 cm。这与上述高频探地雷达的测试结果(分别为22 cm 和27 cm)保持一致，也充分说明了空孔效应对爆破的有益效果，降低了围岩损伤范围。

5 结论

本文设计了甘肃北山坑探设施项目光面爆破施工的爆破参数，并研究了周边孔在空孔间隔情况下的炮眼布置方案，通过理论分析及现场爆破试验，获得了如下结论：

(1)基于光面爆破原理，对甘肃北山坑探设施项目进行了光面爆破的爆破参数设计，特别是结合空孔效应原理，在同一断面的周边孔中，间隔布设了若干数量的空孔，用以研究空孔效应。

(2)从爆破原理出发，结合岩石爆破拉伸破坏的强度判据，计算了本实施项目的装药孔与空孔炮眼间距值为30 cm 时较为适宜。并进一步实施了在同一巷道掌子面情况下，于不同左、右帮部位置处空孔间隔的光面爆破试验，根据爆破效果，验证了上述方法计算得到的空孔间距是合理的，具有空孔的时候较未布置空孔的情况下光爆效果更佳。

(3)通过爆破振动监测和围岩损伤测试，进一步的衡量爆破效果。爆破振动测试结果显示，空孔间隔时的最大振速(12 cm/s)小于普通药包时的最大振速(20 cm/s)。并且围岩损伤测试亦表明，空孔间隔装药的左帮爆破导致的围岩损伤范围(22 cm)也较普通药包处小(27 cm)。

值得指出的是，钻爆施工涵盖多种不同的爆破参数，影响因素众多。本文爆破试验获取数据限于本实施工程，并且试验次数亦有限，本研究成果是对空孔效应的初步探索，可对后续工程开挖提供相应的试验数据与理论支撑，其对于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置，有一定的理论指导意义。