切缝药包在露天控制爆破中的应用研究

田应祥，张义平，金桑桑，罗 毅，万嗣鹏

(贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025)

传统预裂爆破与光面爆破运用在边坡开挖与巷道掘进中，爆破后保护区岩体的损伤依旧较为严重、巷道轮廓成形效果并没有得到明显改善[1-2]。为了解决这个问题，研究人员引入了切缝药包定向断裂爆破技术以提高预裂爆破或光面爆破效果。切缝药包是指在普通药包外加一个切缝管，通过切缝控制爆破应力在切缝方向形成应力集中并增强该方向爆生气体的气楔作用，从而达到增强爆破能量对切缝方向破坏作用的目的。目前，切缝药包在露天边坡开挖与井巷掘进的预裂爆破、光面爆破中被逐渐推广应用，为使该技术更好地应用与发展，大量专家学者对其作用机理、影响因素及工程应用等进行了各方面的研究。

张志呈等[3]、罗勇等[4]对切缝药包定向断裂爆破原理及参数进行了综合分析与讨论，并以现场应用结果，证明了该技术的优越性。杨仁树等[5]、李清等[6]通过模型实验研究切缝药包爆破作用机理，并阐释其爆炸应力波、爆生气体如何促使爆炸裂纹的扩展。戴俊等[7]运用弹性及弹塑性理论分析切缝药包控制爆破裂缝形成机理，提出了适合于弹塑性条件下初始裂缝形成的应力强度因子。杨仁树等[8]将切缝药包运用到巷道掘进中，使得炮孔利用率达到90%以上；其与普通光面爆破相比，在同孔距情况下，装药量减少了16.7%；同药量情况下，周边孔间距扩大了100 mm。单仁亮等[9]通过混泥土模型实验，得到切缝药包理想的不耦合系数和切缝宽度，在大雁矿区软岩巷道中进行试验获得了半眼痕率大于83%，超欠挖小于100 mm的好成绩。 岳中文等[10]、杨国梁等[11]和黄其冲[12]分别运用模型实验、数值模拟研究不同切缝药包装药结构的爆破效应，得出轴向不耦合系数在1.5～2.0之间爆破效果较好，当不耦合系数为1.5，切缝宽度为10 mm时切缝药包聚能效果较好。金桑桑[13]设计使用圆环居中装置将以往偏心装药改为同心装药方式，发现其可提高预裂爆破效果，且比传统竹片装药方式更加经济、高效。从已有研究资料可知，专家学者多使用理论分析、模型实验及数值模拟对切缝药包的作用机理和影响因素进行相关研究，相对缺乏工程实践研究，其研究成果在实际应用中还存在许多不足之处，为此，应加强切缝药包工程应用方面的研究。

本文在切缝药包与预裂爆破作用原理的基础上，根据现场实际施工情况进行爆破方案设计与优化试验，把切缝药包运用在露天边坡开挖的预裂爆破中。该技术提高了爆破能量的利用率、减少了爆破产生的危害、降低了施工成本、取得了良好的工程爆破效果、可为相关爆破工程参数设计提供参考。

1 切缝药包预裂爆破破岩理论分析

1.1 作用原理分析

切缝药包预裂爆破是一种通过改进传统普通药包预裂爆破(简称传统预裂爆破)的装药结构，从而使得药包爆炸时的能量更集中地作用于预定方向的技术。其作用机理是通过调整药包切缝方向与预裂孔中心连线方向一致，当切缝药包爆炸时，在切缝方向，切缝口对爆轰产物传递的导流作用，使其形成高速射流，加快了孔壁初始裂纹的形成，增强了破岩的效果。此外，切缝管的约束作用，使爆轰气体破岩作用时间得以延长，从而增加了切缝方向裂缝的扩展长度；而在非切缝方向，因爆破能量经过切缝管和空气介质的双重削弱后才作用于孔壁，所以减弱了爆破能量对该方向孔壁的破坏作用。由此可知，把切缝药包运用在预裂爆破中，可有效改善定向断裂效果并减小被保护岩体的破坏程度。切缝药包作用原理如图1所示。

图1 切缝药包作用原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the action principleof slit cartridge

1.2 裂纹扩展条件与长度理论分析

根据岩石断裂力学理论可知，当裂纹端部的应力强度因子KI大于岩石的断裂韧性KIC时，裂纹继续扩展，反之扩展停止，即裂纹起裂条件为：KI≥KIC。其中,KI计算见式(1)。

(1)

式中：P为孔壁所受压力值；F为应力强度因子修正系数，F=[(rb+al)/rb]；rb为炮孔半径；al为裂纹扩展长度。将起裂条件代入式(1)得裂纹继续扩展的临界力P，见式(2)。

(2)

当裂纹开始扩展后，其扩展长度y主要由爆轰气体压力与岩石的断裂应力因子强度决定，y值可通过式(3)计算得出。

(3)

式中，μ为泊松比，其余符号意义同上。

根据切缝药包预裂爆破作用机理及式(1)～式(3)可知，炮孔装药量、径向装药不耦合系数、切缝管材质、切缝宽度是影响爆破效果的关键因素[14-15]。在进行工程应用时，应运用理论分析结合现场情况，科学、合理地选定爆破参数。

2 工程概况与爆破参数设计

2.1 工程简介

贵州省贵安新区某基地开挖工程项目，其爆区东面300.0 m处有砖木结构瓦房、砖混结构民房，西面距一级重要设施贵安高铁站最近距离为125.0 m。根据爆区与最近保护区的距离及施工生产要求，此次爆区主体选择使用中深孔控制爆破，爆区西面边坡开挖，要尽量保持边坡的完整性与稳定性，同时减小爆破振动对周围构建物的影响，所以决定采用预裂爆破进行边坡开挖。该工程爆区内，岩石种类以灰岩与白云岩为主，岩体为中硬岩或岩体结构较为稳定的岩层，开挖场地稳定性较好，采集岩样进行物理力学性质检测，其结果见表1。

表1 爆区岩石的力学特性Table 1 Mechanical properties of rock in the blast zone

2.2 工程爆破参数设计

1) 主爆区参数是根据工程质量需求与其现场施工实际条件，此次主爆区炮孔直径为115 mm，台阶高度H0=5.5 m，超深h=0.5 m，孔深L=6.0 m，孔距a=3.0 m，排距b=1.5 m，填塞长度l0=3.0 m，单孔药量Q=15 kg。 药卷选用直径为70 mm的2号岩石乳化炸药，采用反向装药。装药结构为孔内连续装药，径向不耦合系数为1.65。布孔方式以梅花形布孔为主，局部矩形布孔。起爆网路采用排间毫秒延时顺序起爆。 使用串-并联网路，排间采用3段非电导爆管连接，孔内采用11段非电导爆管或13段非电导爆管，孔间采用3段非电导爆管连接。

2) 预裂爆破参数：结合以往施工案例和工程爆破方案，取预裂孔直径db=90 mm，钻孔深度H=6.0 m。填塞长度l=1.2 m，预裂孔的径向不耦合系数k根据式(4)计算，再结合现有小直径药卷炸药实际情况，选取药卷直径为32 mm，可得k=2.81。

(4)

式中：lb为炮孔长度,m；le为装药长度,m；在中硬岩中σc=1 200 kg/cm2，u取0.25；其余符号意义同上。

预裂孔孔间距S根据理论公式(式(5))和经验公式(式(6))计算，并结合实际情况取S=0.8 m。预裂孔与主爆区最后一排炮孔间距取0.5a=1.5 m。

S=db(21k-1.4+47k-2.4)

(5)

S=(8-13)db

(6)

线装药密度(一般指正常段)q根据式(7)计算并结合以往施工经验取500 g/m。

(7)

全孔线装药密度(包含底部加强装药段)为q0为600 g/m，装药段长度为4.0 m。装药方式采用间隔装药。预裂孔超前主爆孔100毫秒起爆。炮孔布置如图2所示。

图2 炮孔布置示意图Fig.2 Schematic diagram of gun hole layout

3 工程应用及效果分析

本文为了提高边坡预裂爆破开挖效果，决定改进以往使用的传统预裂爆破技术，研究使用切缝药包预裂爆破，并对比研究两者爆破效果的差异。

3.1 切缝药包预裂爆破参数优化试验研究

本次试验选取PVC做为切缝管材质，且已根据实际施工情况选取预裂孔的线装药密度为500 g/m、装药长度为4.0 m，径向不耦合系数为2.81，而影响爆破效果的关键因素切缝宽度还未得到合理确定。为此，在运用该技术时，有必要对切缝宽度值进行优化试验，选取合理的切缝宽度，以提高爆破效果。

3.1.1 参数优化试验方案

试验选取切缝宽度作为变量，其余参数均为不变量。 根据预裂孔深度、PVC管材质及装药参数等情况，选定每根PVC管的长度为2.0 m，外径为40 mm，内径为36 mm，管体有上下各两条轴对称的切割缝，每条切缝的长度为0.8 m，每个炮孔装两根切缝管。据文献[16]可知当切缝管直径为40 mm时，切缝宽度在6～18 mm范围内，爆破效果较好，由此，分别选取切缝宽度为10 mm和15 mm进行对比试验，以预裂缝宽度、预裂面不平整度及半孔率作为评判切缝药包预裂爆破效果的指标，从中选取较为合理的切缝宽度。为使预裂面更加平整，本次试验选择同心装药的方式，并创新性地设计圆环居中装置固定切缝药包位于炮孔中心，其装置外径为90 mm，内径为40 mm，厚度为1 cm，每根切缝管上下各装配一个，其圆环居中装置如图3所示。考虑到此次试验的科学性和准确性，设计两组试验，见表2，每组做三次重复试验，每次试验钻6个预裂孔。

表2 参数优化试验分组Table 2 Parameters optimization test group

图3 圆环居中装置Fig.3 Ring centering device

3.1.2 参数优化试验结果与分析

经过两组不同切缝宽度参数的切缝药包预裂爆破试验，得到试验结果见表3。由表3可知，10 mm切缝宽度比15 mm的预裂爆破效果显然更好。根据切缝药包作用机理及岩石断裂力学对两者爆破效果差异进行分析，当切缝宽度过大时，爆炸冲击波与爆生气体在切缝处产生较强的绕流作用，致使切缝方向爆破能量分散严重，从而不利于切缝方向孔壁初始裂纹的定向发展并减弱了爆生气体对裂缝的扩展作用，同时会伴随许多径向伴生裂缝出现。所以采用过大的切缝宽度进行切缝药包预裂爆破后，反而会出现预裂缝宽度减小、预裂面平整度下降及半孔率降低的现象。

表3 切缝药包预裂爆破参数优化结果Table 3 Optimizing results of pre-splitting blastingparameters of slitting cartridge

3.2 不同药包预裂爆破的工程应用研究

3.2.1 工程应用对比方案

在同一边坡开挖地段，控制其他预裂爆破相关参数不变，在切缝药包预裂爆破参数优化试验的基础上，将切缝药包预裂爆破与传统普通药包预裂爆破进行两组工程应用对比，每次爆破钻24个预裂孔。爆破效果由预裂缝宽度、预裂面不平整度、半孔率及保护区爆破振动强度这四个指标进行综合评判。

3.2.2 结果及分析

通过两组不同药包预裂爆破的工程应用，得到结果见表4。由表4可得，切缝药包预裂爆破效果比传统普通药包预裂爆破更好，其爆破后预裂面平整度分别如图4和图5所示。通过分析可知，切缝药包预裂爆破后预裂缝宽度平均值为4.45 cm，是传统普通药包预裂爆破预裂缝宽度平均值2.10 cm的2.12倍；前者预裂面不平整度平均值为5.90 cm，相比后者预裂面不平整度平均值12.50 cm减少了52.8%；前者半孔率平均值为87%，相比后者半孔率平均值66%提高了21%；前者的振动速度峰值平均值为0.886 5 cm/s，相比后者的振动速度峰值平均值1.249 0 cm/s降低了29.02%。

表4 不同药包预裂爆破的应用效果Table 4 Application effect of pre-split blastingwith different drug packs

图4 预裂面1(切缝药包)Fig.4 Pre-crack surface 1(slit cartridge)

图5 预裂面2(传统药包)Fig.5 Pre-crack surface 2(traditional cartridge)

工程应用结果表明，采用切缝药包预裂爆破时，因切缝管对爆破能量的引导效应和对爆生气体作用时间的延长，既加强了爆破能量对切缝方向的破岩能力又削弱了爆破能量对非切缝方向的破坏作用，使得预裂爆破后可在预裂孔中心连线上(切缝方向)形成一条较宽的预裂缝和平整的预裂面，以阻隔主爆区爆破能量向保护区传递，从而极大地降低了爆破振动传播的振速，减少了爆破能量对保留边坡与周边构建筑物的损害，为后期的边坡维护提供了有利条件。

4 结 论

1) 本文切缝药包预裂爆破参数优化现场试验表明：当爆区岩性属于中硬岩，采用90 mm直径预裂孔、32 mm直径药卷并搭配外径40 mm、内径36 mm、切缝长度0.8 m、切缝宽度为10 mm的PVC切缝管进行切缝药包预裂爆破，其预裂爆破效果较好。

2) 切缝药包预裂爆破与传统预裂爆破相比，其爆破后预裂缝宽度增加了1.12倍，预裂面不平整度降低了52.8%，半孔率提高了21%，振动速度峰值降低了29.02%，体现了切缝药包在预裂爆破中的优越性。

3) 在露天边坡开挖中，使用切缝药包预裂爆破比传统预裂爆破更加有效地减少爆破能量对保留边坡与周围构建筑物的损害，其利于边坡维护、保证施工进度、可较好地满足施工质量标准并降低开挖成本。