基于切缝药包的定向爆破技术在巷道快速掘进中的应用

谢坤 XIE Kun；韩磊 HAN Lei；田道坡 TIAN Dao-po；杨雷 YANG Lei；李嘉宁 LI Jia-ning；袁清坤 YUAN Qing-kun；石君昊 SHI Jun-hao

（①河南华通永安爆破技术工程有限公司，信阳 465235；②河南华通爆破工程技术有限责任公司，信阳 465235；③河南理工大学土木工程学院，焦作 454003；④潞安化工集团司马煤业有限公司，长治 047100）

0 引言

目前，爆破掘进在我国煤岩巷道施工中仍占有较高比例，这是由于爆破法具有动力能源消耗低和对复杂多变的地层适应性强等特点[1]，同时，爆破器材的改良和爆破技术的科学化也是爆破法适应时代发展的另一利器[2]。

岩石定向断裂爆破是一种控制爆破方法，由于实际施工中普通光面爆破技术易造成巷道成型差、超挖欠挖现象严重、对周围围岩破坏大、影响掘进的循环进尺等现象[3]，在认识到岩石爆破机理是物理学、化学及断裂力学等多个学科交叉形成后，岩石中预制裂缝以控制爆破断裂方向的设想首次被Foster在1905年提出[4]。为提高巷道光面爆破的效果，宇文惠鑫[5]设计了不耦合的装药方式，结合自行研制的特殊爆破管使释放口分别朝着被破碎岩石的一侧和岩层稳定性的一侧。田应祥等[6]通过对PVC管预制裂缝继而制作切缝药包，在控制爆破中得到了较理想的效果。杨永琦[7]、杨仁树[8]等认为岩石的定向断裂控制爆破通过在炮孔连心线方向上预设贯通裂纹，进而阻延非炮眼连线上裂纹的形成与扩张，以达到光面爆破的目的。同时杨仁树等[9]通过高速摄像和超压测试技术展开研究，发现切缝药包爆破后爆生气体优先沿切缝方向传播，切应力峰值远大于非切缝方向。为优化爆破效果，何满潮院士提出了双向聚能拉伸爆破技术[10]。单仁亮[11]用水泥砂浆模拟岩石，预制切缝药管进行爆破试验，发现切缝方向的最大径向应变和切向应变分别是非切缝方向的2.66倍和3.77倍，切缝药包的存在使炮孔周围产生非均匀应变场，有益于预定方向裂纹的发展，也可抑制非预定方向裂纹的产生发展。罗勇[12]自制线性聚能药包，试验研究发现岩石定向断裂控制爆破可以让爆破裂纹具有方向性。吴春平[13]经多组切槽爆破试验，发现在软岩巷道中采取定向断裂控制爆破，可提高光爆效果，较好地控制超挖和欠挖现象。

综上所述，当今学者对定向爆破技术有了较深入、全面的研究，并取得了丰硕成果。但由于实际工程的唯一性，通过理论分析方案优化结合现场试验进行普通光面爆破与切缝药包定向断裂的对比较少。工程实践发现，巷道设计断面的精准控制与爆破方案的设计密不可分，本文结合现场的实际工程情况，通过精细化设计与施工，预制切缝管在掘进现场实现定向断裂爆破，对巷道的快速、安全掘进有重要的工程价值。

1 切缝药包定向爆破裂纹的形成扩展机理

普通光面爆破的目的是减少施工中的超、欠挖现象，尽可能减少对围岩的损伤，施工过程通常采用不耦合装药，同时为避免炮孔周围粉碎区过大，多采用空气和水作为不耦合介质，减少应力波的重叠现象，进而降低最大拉伸应力的峰值。由于普通光面爆破会在炮孔连线上出现有用裂纹，但在非炮孔连线上也会形成多余裂纹，引起围岩的不稳定性加剧。

爆破后要想得到更加平整光洁的断面，关键在于炮孔间贯通裂纹的形成，抑制住这种裂纹的形成和发展便可达到预期目的。配合切缝药包的定向爆破就是在光爆孔之间连线上造成比其他方向大得多的破坏系数N，在破坏系数最大的地方岩石首先发生破坏，同时可抑制其他方向裂纹的发育发展，最终实现岩石的定向断裂。破坏系数N可由下式表示：N=。

式中：N为破坏系数；F为破坏力；R为抗破坏力。

切缝药包实现定向断裂控制爆破的实质是在装药外壳上开有不同角度、形状和数量的切缝，外面一般采用PVC管制成切缝管，内部装填炸药。爆破发生后爆炸应力波首先沿切缝方向冲出，应力波经孔壁之间的压缩反射形成导向裂纹，而在非炮孔连线上岩石受到冲击的时间滞后，裂纹的发展也受到抑制。在炮孔之间连线上岩石初始导向裂纹形成后，爆轰波充满整个空间，对周围施加准静态荷载，进而实现岩石起裂、扩展、形成炮孔间的贯通裂纹，达到光爆的理想效果。（图1）

图1 切缝药包结构示意图

2 切缝管的缝宽的设计原则

切缝药包是由两部分构成，即带有两条切缝的PVC管和内部的充填炸药，切缝管和切缝的宽度是为了实现能量的聚焦，使较大、较早的应力波最先作用在预定炮孔裂纹上，而切缝宽度则是影响爆破参数和效果的关键因素。

基于切缝药包的岩石定向爆破主要是为了尽可能地降低冲击荷载对周围岩体的损伤，使巷道轮廓成型更加规整。预达到上述目的，切缝管上切缝宽度的合理设计是关键因素，一般认为需满足两个条件：切缝方向集中的能量足以达到周围岩石的抗拉强度，形成导向裂纹；同时该能量的大小不会引起非切缝方向岩石的拉伸裂纹产生。因为切缝管的宽度越大，周围岩石最终形成的起始导向裂纹相对越长，对光面定向爆破越有利，故切缝管缝宽的设计应结合周围岩石的力学性质和前期的试错综合确定。（图2）

图2 切缝管制作

3 现场工业试验对比

某巷道现场揭露围岩岩性主要为砂质泥岩、细粒砂岩、泥岩和中粗粒砂岩，但以硬度较高的中粗粒砂岩为主。为提高光面爆破效果和掘进效率，现场前后进行了光面爆破和基于切缝药包的岩石定向爆破两种设计方案。

3.1 初始光面爆破方案设计

整体光面爆破设计方案为一次性全断面爆破，炸药品种为乳化炸药，雷管为毫秒延期，装药方式为不耦合结构，封孔材料采用水炮泥。断面上有掏槽眼4个，眼深2.8m，单孔装药量1.6kg，起爆顺序为Ι；第一圈辅助眼8个，眼深2.6m，单孔装药量1.2kg，起爆顺序为Ⅱ；第二圈辅助眼11个，眼深2.8m，单孔装药量1.6kg，起爆顺序为Ⅲ；周边眼15个，眼深2.6m，单孔装药量0.8kg，起爆顺序为Ⅳ；底眼7个，眼深2.6m，单孔装药量1.2kg，起爆顺序为Ⅴ。上述炮孔经反向连续装药通过串并联的方式实现全断面一次爆破。

3.2 切缝药包的岩石定向爆破方案设计

基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案的掏槽眼、辅助眼、周边眼及起爆顺序与上节光面爆破一致，最大不同是带有预制切缝宽度切缝管的切缝药包的植入。切缝管采用直径32mm、壁厚4mm、长度500mm和切缝宽度4mm的PVC管，具有制作方便、经济成本低的优点。（图3、图4）

图3 切缝管设计图

图4 切缝药包岩石定向爆破断面图

由图3和图4可知，基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案与普通光面爆破设计方案相比，周边眼为编号1-11，比原来的编号1-15少了四个，从工作量和成本上来说，减少了钻眼工作量和炸药量的使用。

3.3 结果对比

为量化基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案的优越性，从炮眼残留率、炮眼利用率及剩余爆破参数对比多个方面对两种爆破设计方案进行了对比。由图5可知，基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案炮眼残留率最小为88%，最大可达96%，平均为92.2%。而普通光面爆破设计方案的炮眼残留率最小为69%，最大为79%，平均为73.3%。可见，经爆破设计方案优化后，炮眼残留率平均提升率为18.9%，同比提升了1.26倍，爆破方案优化合理。

图5 两种爆破方案炮眼残留率对比

每次爆破施工完，炮眼的利用率是评价爆破效果好坏的重要指标参数，经半月有余的巷道爆破掘进，基于10次的爆破试验对比和切缝药包的岩石定向爆破设计方案炮眼利用率最小为93%，最大可达100%，平均为96.6%。而普通光面爆破设计方案的炮眼利用率最小为90%，最大为97%，平均为94.1%。可见，经爆破设计方案优化后，炮眼利用率平均提升了2.5个百分点，进一步说明基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案可满足巷道快速安全掘进的要求。（图6）

图6 两种爆破方案炮眼利用率对比

经上述对比分析，同等情况下基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案比普通光面爆破周边眼少4个，单循环总炸药量减少37.5kg，钻眼时间减少，超欠挖现象得到控制，超挖最大尺寸不超过110mm，欠挖控制在35mm内，循环进尺增加0.2m，同时，经统计爆破后岩石的体积增加约6m3。现场观测可知，采用切缝药包的岩石定向爆破设计方案后，围岩的稳定性增加，减少了后期支护费用的投资，缩短了支护和掘进的时间。另外，爆破后岩石的块度较之前均匀，破碎效果较好，大块率小于前期光面爆破，减少了二次破碎成本，提高了装岩效率。

4 结论

经理论分析和现场试验，在较硬的中粗粒砂岩巷道掘进时，采用基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案更有利快速安全掘进，得到以下结论：

①基于切缝药包的岩石定向爆破技术，裂纹最先产生于炮孔连线方向，并持续扩展，形成的断面平整度较好，减少后期支护成本。

②切缝药包的岩石定向爆破和普通光面爆破的最小炮眼残留率分别为设计方案的88%和69%，最大炮眼残留率分别为96%和79%，平均分别为92.2%和73.3%，同比提升了1.26倍，可见基于切缝药包的岩石定向爆破技术能得到较理想的爆破效果。

③基于切缝药包的岩石定向爆破技术形成的巷道轮廓较平整，可有效控制超欠挖现象，减少周边眼的设计数量，基于切缝药包的岩石定向爆破设计方案炮眼利用率最小为93%，最大可达100%，平均为96.6%。而普通光面爆破设计方案的炮眼利用率最小为90%，最大为97%，平均为94.1%。可见，经爆破设计方案优化后，炮眼利用率平均提升了2.5个百分点，单循环总炸药量减少37.5kg，经济效益明显。

巷道的安全快速掘进，方案的合理设计至关重要，具体施工时应根据围岩的力学性质有针对性地设计炮孔数量、间距及药包形式。