束状孔爆破增强岩石损伤试验

陈 何，万串串，彭啸鹏

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

爆破对岩石产生的损伤程度，一般通过测定爆破前后岩石声波速度的变化来确定[4-5]。考虑岩体完整性对爆破破坏的影响，多次爆破产生的岩石中累积损伤作用，也通过测定岩石中声波速度变化的方法来进行研究[6-7]。定向断裂控制爆破及空孔的定向断裂控制作用[8-9]，对组合爆破机理研究具有借鉴意义。

1 爆破损伤试验设计

1.1 试验参数

试验地点为铜坑矿92#矿体455水平T213采场202-1#线探矿巷。92#矿体的赋矿岩石由硅质岩、硅质页岩、泥质硅质岩、钙质硅质岩组成。稳固性好，属I～II级坚固岩石，矿岩石凿岩性差，爆破性好。

为研究爆破对岩体的损伤作用，设计为岩体内部的爆破，药包埋深均大于临界埋深。由初期爆破试验，临界埋深为2.1 m。当量大孔直径D0=90 mm。每个当量大孔装药重量均为3.6 kg的乳化炸药，装药长度为600 mm，炮泥堵塞。

每束炮孔由4个小孔组成，炮孔间距为250 mm，孔径d0=45 mm，孔深为2.5 m。束间距分别为1、1.5、2、2.5 m。每个炮孔装药重量均为0.9 kg乳化炸药，装药长度为600 mm。在束孔组及当量大孔组间布置上下检测孔，在一侧布置水平检测孔；垂直单个当量大孔和单个束孔布置5个检测孔，检测孔间隔0.5 m，孔深2.5 m。检测孔孔径45 mm。

试验炮孔及检测孔布置如图1和图2所示。

图1 束状孔组布置(单位：m)Fig.1 Layout of bunch-holes groups(Unit：m)

图2 束状孔与当量大孔布置(单位：m)Fig.2 Layout of bunch-holes and ELH(Unit：m)

采用SY-1型数字化声波测试仪，双孔孔中测定法测试。测量爆破前后两束状孔之间及一侧的岩体裂隙扩展及破坏情况。

1.2 试验编组

爆破试验编组见表1。测试的每组数据均由四个数字进行编号。前两个数字表示：01为束状孔组1，02为束状孔组2，03为束状孔组3，04为束状孔组4，05为束状孔组5；06为当量大孔组6，07为当量大孔组7，08为当量大孔组8，09为当量大孔组9，10为当量大孔组10。后两个数字表示：01为束状孔之间，02为当量大孔之间，03为上下探测孔之间爆破前的测试数据；04为上下探测孔之间，05为水平探测孔之间爆破后的测试数据；第3个数字4、5、6、7、8为垂直单个当量大孔和单束孔的检测孔的编号。45、56、67、78为检测孔之间爆破后的测试数据。

表1 爆破试验数据编组Table 1 Data grouping of blasting test

2 试验结果

试验声波速度测试数据见表2。由于试验处裂隙发育及炮孔堵塞不良等原因，0504、0645、0704组爆破破坏了测试孔，未能测得相关数据。

表 2 声波速度测试数据汇总 Table 2 Summary of acoustic test data /(m · s-1)

3 试验结果分析

3.1 束状孔与当量大孔爆破岩体波速特征

束间距、当量大孔间距均为1.0 m条件下，根据当量大孔与束状孔爆破后药包外侧岩体波速数据，绘制波速与深度关系，如图3所示。

图3 爆破后岩体波速-深度关系Fig.3 Relationship between wave velocity and depth in rock mass after blasting

受爆破作用，原有岩体中裂隙进一步发育，岩体波速整体降低。由爆破机理可知，爆破后以药包中心向外延伸，依次会形成爆破粉碎区、爆破裂隙区和爆破震动区[5]。对应声波波速值即波速谷值区，波速震荡区和其他区域。

由图3可知，当量大孔爆破密集裂隙区即谷值区位于深1.8～2.7 m处，对应于药包的埋设范围(1.9～2.5 m)。束状孔爆破密集裂隙区位于深1.8～2.5 m处。当量大孔爆破密集裂隙区大于束状孔爆破密集裂隙区，且范围更大一些。考虑波速绝对值，对应当量大孔爆破药包中心处的岩石波速比束状孔爆破波速低。

药包端部的波速振动区，特别是深2.5～3.3 m区域，束状孔波速增长速率低于当量大孔。可知束状孔裂隙区裂隙扩展情况优于当量大孔端部区域，且过渡更加平缓。这与均质介质中，束状孔应力衰减速率低于当量大孔应力衰减速率的结论相同[3]。

3.2 爆破对岩石的损伤作用

若裂纹的形成与扩展，使岩体的横截面积A减小到有效承载面积A*，则损伤变量D[5]：

D=1-A*/A

(1)

因为岩石损伤前后密度变化不大，可得用波速表示的损伤变量：

(2)

式中：VP为爆破后岩石的声波速度，m/s；V0为岩石爆破前的声波波速，m/s。

1)单束孔与当量大孔的爆破损伤

爆破孔编号为束状孔组1、当量大孔组1。测孔垂直爆破孔布置。测孔孔口距炮孔深2.5 m，测孔孔底与炮孔邻近。测孔6垂直药包中心。

根据表1声波速度测试数据，由式2计算单束孔与当量大孔爆破的岩石损伤变量见图4和图5。

图4 单束状孔爆破岩石损伤变量DFig.4 Rock damage variable D of single bunch-holes blasting

图5 当量大孔爆破岩石损伤变量DFig.5 Rock damage variable D of ELH blasting

在相同爆破损伤程度下，如D=0.45，束状孔与当量大孔比较，其范围更大；沿炮孔轴向，损伤程度更平均。

爆破岩石的损伤在炮孔孔口方向较孔底方向的范围更大。

密集裂隙(D=0.45)时，药包径向范围，束状孔为0.52 m(5.78D0)，当量大孔为0.50 m(5.56D0)；中等损伤(D=0.25)时，药包径向范围，束状孔为0.87 m(9.67D0)，当量大孔为0.79 m(8.79D0)；药包轴向底部范围，束状孔为0.10 m(1.11D0)，当量大孔为0.05 m(0.56D0)。

药包中心线处，随与药包距离x的增加，爆破的损伤变量D有：

束状孔D=0.214 6x-0.949R2=0.954 8

当量大孔D=0.2x-1.05R2=0.947 4

如图6所示，束状孔与当量大孔爆破损伤变量均按指数规律衰减，当量大孔损伤变量值较束状孔衰减更快。在爆破近区(D≥0.45)，当量大孔损伤变量值较束状孔高；在爆破中远区(D=0.25～0.45)时，束状孔损伤变量值较当量大孔高。

图6 束状孔当量大孔爆破岩石损伤变量DFig.6 Rock damage variable D of bunch-holesELH blasting

药包径向上一般损伤(D=0.25时)的范围，束状孔为0.80 m(8.89D0)，当量大孔为0.75 m(8.33D0)。

在爆破近区由于爆破冲击压力的作用占主导地位，束状孔中心密集裂隙区(范围5.78D0)发育情况略优于当量大孔炮孔(范围5.56D0)，且密集裂隙区范围更大；在一般损伤(D=0.25时)范围的爆破中远区，由于爆生气体作用比重增加，束状孔爆破在中远区的裂隙区更发育，过渡更平缓。

药包轴向底部范围，束状孔为0.10 m(1.11D0)，当量大孔为0.05 m(0.56D0)。束状孔损伤范围为当量大孔的2倍。

2)不同束间距、当量大孔间距下爆破对岩石损伤的影响

不同束状孔/当量大孔间距时，根据表1声波速度测试数据，由式2计算两束状孔/当量大孔间的岩石损伤变量(记为中线处的值)。

由于药包爆破的端部作用，束状孔与当量大孔在测线处的深部岩体与浅部岩体的爆破损伤变量值较药包对应的中部岩体的低。

束间距为2.5(束孔组2)、2.0(束孔组3)、1.5 m(束孔组4)时，束状孔组爆破对束间岩石损伤的影响见图7。爆破对岩石的平均损伤变量D分别为0.274、0.285、0.371。岩石的平均损伤变量D随束间距的减小而增大。束状孔爆破深部最大影响范围0.56 m(6.22D0)，浅部最大影响范围0.45 m(5.00D0)。

图7 不同束间距的束状孔爆破岩石损伤变量D随深度的变化Fig.7 Variation of damage variable D with a depth of bunch-holes blasting in different bunch-holes spacings

当量大孔间距为2.0(大孔组8)、1.5(大孔组9)、1.0 m(大孔组10)时，当量大孔组爆破对当量大孔间岩石损伤的影响见图8。爆破对岩石的平均损伤变量D分别为0.287、0.359、0.379，岩石的平均损伤变量D随当量大孔间距的减小而增大。当量大孔爆破深部最大影响范围0.85 m(9.44D0)，浅部最大影响范围0.60 m(6.67D0)。

图8 不同孔间距当量大孔组爆破损伤变量D随深度的变化Fig.8 Variation of damage variable D with a depth of ELHs blasing in different ELHs spacings

间距对束状孔与当量大孔爆破损伤影响对比：

间距为1.5、2.0 m时，不同测深时束状孔与当量大孔爆破损伤对比见图9和图10。

图9 间距1.5 m时，束状孔/当量大孔爆破损伤变量D随深度的变化Fig.9 Variation of damage variable D with a depth of bunch-holes/ELH blasting in spacing 1.5 m

图10 间距2.0 m时，束状孔/当量大孔爆破损伤变量D随深度的变化Fig.10 Variation of damage variable D with a depth of bunch-holes/ELH blasting in spacing 2.0 m

束状孔/当量大孔间距2.0 m(22.22D0)时，束状孔爆破岩石损伤变量与当量大孔基本相等；束状孔/当量大孔间距1.5 m(16.67D0)时，束状孔爆破岩石损伤变量大于当量大孔爆破的岩石损伤变量。

束状孔组、当量大孔组，单个束状孔、单个当量大孔爆破岩石损伤变量对比，见表3。

表3 束状孔、当量大孔爆破岩石损伤变量对比Table 3 Comparison of rock damage variables of bunch-holes and ELH blasting

束状孔/当量大孔间距1.5(16.67D0)、2.0 m(22.22D0)爆破时，在组间叠加破坏作用较单孔损伤变量值增加30%～40%。

3)不同束间距、孔间距爆破对束状孔与当量大孔外侧岩石损伤的影响

外侧测孔距相邻束状孔或当量大孔的距离为0.5、1.0 m。测线中心距束状孔或当量大孔的距离为0.75 m。爆破对外侧岩石的损伤变量见图11和图12。

图11 不同束间距爆破束状孔外侧岩石损伤变量D随深度的变化Fig.11 Variation of damage variable D with a depth of different bunch-holes spacings at the outside

图12 不同孔间距爆破当量大孔外侧岩石损伤变量D随深度的变化Fig.12 Variation of damage variable D with a depth of different ELHs spacings at the outside

外侧损伤变量在药包埋设对应的范围内较高。损伤变量随束间距、大孔间距的加大而减小。总体上束状孔爆破的损伤变量较当量大孔的高。

当量大孔间距1.0 m时，外侧的损伤变量值D=0.423～0.639，当量大孔间的损伤变量值D=0.314～0.459。外侧的损伤变量值较组间的高。其主要原因是测孔(空孔)平行爆破孔，距离仅0.5 m，因空孔效应，增加了岩石的破坏程度。

4 结论

通过现场爆破试验，对比研究束状孔与当量大孔的爆破作用，揭示了束状孔爆破增强岩石损伤规律。

1)单束孔或单个当量大孔爆破时，药包侧面爆破损伤范围较两端大，岩石的纵波速度较低。随距药包的距离增加，损伤变量值呈指数下降，当量大孔损伤变量值较束状孔下降更快。在爆破近区(x<5.56D0)，当量大孔损伤变量值较束状孔高。在爆破中远区(x≥5.56D0)时，束状孔损伤变量值较当量大孔高。

与束状孔爆破相比，当量大孔集中装药爆破冲击压力更高，对近区岩石的过粉碎更大，在爆破中远区爆破效果较差。

2)束状孔组与当量大孔组爆破时，组间距增加，组间岩石的损伤变量值下降。相同间距条件下，束状孔间岩石的爆破损伤变量值大于或等于当量大孔损伤变量值。束状孔/当量大孔间距1.5(16.67D0)、2.0 m(22.22D0)爆破时，在组间叠加破坏作用较单孔损伤变量值增加30%～40%。

组间岩石的损伤为相邻炮孔爆破作用的叠加产生。由于岩石破坏的塑性变形性质，这种叠加作用为非线性。组间岩石的破坏仍以单束孔或单孔的爆破作用为主。

3)束状孔组与当量大孔组爆破时，炮孔外侧岩石的损伤规律与组间的一致。但因空孔效应，外侧岩石的损伤变量值较组间的高。

4)在爆破中远区及组间，束状孔爆破的岩石损伤变量较当量大孔高，其具有更高的破岩效率。