精確短延時爆破成井延期時間研究

王國安,邱賢陽,史秀志,李必紅

(1.中國中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001；2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；3.國防科技大學， 湖南 長沙 410073)

0 前 言

天井掘進是礦山和地下建筑工程中的一項關鍵技術。與其他傳統的天井掘進方法相比，深孔爆破成井技術具有掘進效率高、勞動強度低、成本低廉等優點，因而得到廣泛的推廣應用[1-3]。然而，深孔爆破成井目前僅適用于斷面不大的短天井，極少應用于大斷面的高天井。究其緣由，主要在于深孔爆破成井自由面缺乏且夾制性大導致效率不高[4]。深孔爆破成井有直眼空孔掏槽爆破成井和多孔球狀藥包爆破成井兩種模式，在選擇深孔爆破成井模式時，應綜合考慮巖石性質、炮孔施工精度、斷面大小、天井高度等因素[5-6]。直眼空孔掏槽爆破成井模式中空孔需為掏槽孔爆破提供自由面和補償空間，故空孔與掏槽孔之間的距離必須準確控制，因此該成井模式不適用于高天井掘進。因此高天井掘進只能采用多孔球狀藥包爆破成井模式，即數個炮孔以下向空間為自由面同時起爆，共同形成爆破漏斗[7]。為提高爆破成井效率和爆破成井分層高度，應盡量增加同時起爆的掏槽孔數量。然而，數量較大的掏槽孔同時起爆將導致單段爆破藥量增大，進而產生較大的爆破振動危害效應，對周邊巖體造成的破壞將無法估量[8]。

為解決常規多孔球狀藥包爆破成井模式的單段爆破藥量大的問題，考慮到高精度電子雷管可以實現短至數毫秒的精確短延時爆破，本文提出精確短延時類球狀藥包爆破成井新模式，采用高精度電子雷管實現同層藥包的短間隔延時爆破，以取代常規深孔爆破成井的同層藥包同段爆破?；诙嗫浊驙钏幇评碚?，本文分析了短延時爆破漏斗形成機理，推導了同層藥包間短間隔延期時間的理論計算公式，并將研究成果應用于東北引松供水工程超大斷面調壓豎井掘進。

1 多孔球狀藥包爆破理論

對于爆破破巖機理，目前普遍接受的觀點是應力波與爆轟氣體壓力共同作用學說，即爆破過程中巖石破壞是應力波與爆轟氣體壓力共同作用的結果[9]。多孔球狀藥包爆破漏斗的形成得益于相鄰藥包爆破之間的應力波及爆生氣體壓力的相互作用。以兩孔藥包爆破為例，其爆破漏斗形成過程可分為4個階段（見圖1）：第一階段為兩孔單獨作用階段，即兩個炮孔爆破后爆炸應力波向外傳播，各自形成粉碎區和初始徑向裂紋；第二階段為應力波疊加階段，相鄰兩孔藥包的應力波在兩孔中部產生疊加，增強了應力波對巖體的作用，并促進了初始裂紋的進一步擴展；第三階段為爆生氣體壓力作用下兩孔裂紋貫穿階段，即在兩孔爆炸產生的爆生氣體壓力作用下，初始裂紋進一步擴展，并在兩孔中部貫穿，兩孔爆破產生的爆生氣體通過貫穿裂紋匯合；第四階段為爆生氣體壓力驅動形成爆破漏斗階段，即在貫通的爆生氣體壓力作用下，破碎巖塊往自由面方向拋擲，最終形成共同爆破漏斗。

2 多孔短延時爆破漏斗形成機理

由爆破破巖機理可知，藥包起爆后在爆炸應力波和爆生氣體壓力的共同作用下形成新自由面，之后破碎巖石拋擲形成爆破漏斗[10]。如果相鄰藥包延時間隔超過自由面形成時間，則后爆藥包起爆時其自由面因先爆藥包形成的新自由面而發生了改變，此時已不可能形成共同的爆破漏斗（見圖2）。因此，短延時爆破的延時間隔應小于自由面形成時間。此外，相關的觀測實驗表明，爆生氣體壓力的作用時間遠大于爆炸應力波的作用時間。如對于抵抗線為2 m的常規深孔爆破，爆生氣體作用時間和新自由面形成時間通常超過15 ms。由此可見，實現短延時爆破成井破碎效果的同層藥包延時間隔具有較大的選擇空間，這使得通過錯開短延時爆破先后起爆藥包的振動波波峰而大幅降低振動幅值成為可能。

圖1 兩孔同時起爆爆破漏斗

圖2 兩孔長延時爆破漏斗

根據多孔球狀藥包爆破漏斗機理，短延時類球狀藥包爆破漏斗的形成過程為可描述為：先爆藥包起爆后在巖石中形成了復雜應力場，并在周圍巖石介質中形成裂隙圈；此后后爆藥包起爆，一方面激發的新應力場與先爆藥包爆破激發的已有應力場產生相互疊加作用，另一方面后爆藥包的應力波在先爆藥包形成的裂隙圈存在極其復雜的反射作用；之后后爆藥包的裂紋擴展并與原有的裂紋貫通，使兩孔的爆生氣體貫穿在一起，并一起作用推動巖渣往自由面方向拋擲，最終形成了共同的爆破漏斗。

3 同層藥包間短延期時間研究

根據哈努卡耶夫的爆破破巖理論，巖石爆破中單孔爆破新自由面的形成時間一般包括 3個階段[9]：

第一階段為爆炸應力波激發后往自由面方向傳播，從自由面反射到藥包位置；第二階段為爆破裂紋形成并逐步擴展成長度為最小抵抗線的裂紋；第三階段為該裂紋進一步擴展，并形成一定寬度（8～10 mm）的主裂縫，即形成臨空面。根據本文第二部分的分析，精確短延時爆破成井中同層藥包短間隔延期時間必須短于臨空面的形成時間，若后爆藥包起爆時處于先爆藥包爆破的第三階段，則不能保證兩孔形成面向共同的抵抗線方向的共同的爆破漏斗。因此，同層藥包短間隔延期時間的最大值可以定義為：

式中：t1為爆炸應力波傳播至自由面并從自由面反射到藥包位置所需時間（s）；t2為擴成長度為最小抵抗線的裂紋的時間（s）；W 為最小抵抗線長度（m）；Cp為巖石中P波的傳播速度（m/s）；Vt為裂紋傳播速度（m/s）。

4 精確短延時爆破成井技術應用

吉林省飲馬河引松供水工程總干線施工四標段調壓豎井斷面直徑為20 m，深度為50 m，井筒形式為簡單圓筒式, 在調壓井掘進前其下部已提前開挖隧道硐室，如圖3所示。該調壓井地段主要巖性為凝灰質砂巖，巖石力學參數如表1所示。

圖3 調壓井結構

表1 砂巖巖石力學參數

該調壓井工程屬于超大斷面超深豎井掘進，常規的深孔爆破成井方案根本無法實施完成其高效率掘進。因此，采用“先導井爆破、次主體側崩爆破、后破頂爆破”的豎井深孔爆破技術解決了深孔爆破成井自由面缺乏的技術難題，即在調壓豎井中間先行用深孔爆破掘進直徑為 6 m的導井，之后以導井為自由面實施側崩爆破和破頂爆破。本文重點關注導井爆破的深孔爆破成井方案，為提高導井爆破成井效率，同時降低其爆破振動效應對周邊巖體的破壞，導井爆破采用精確短延時爆破成井方案。如圖4所示，該調壓豎井共布置4圈炮孔，炮孔直徑為 165 mm，炮孔間距 1.0～1.2 m，一共布置炮孔50個。將這50個炮孔以5個為一組，由內至外逐組起爆，每組間延時間隔為 9 ms，采用高精度延期雷管起爆。每次導井爆破共分5層裝藥，分層高度為3.6～4.5 m，單次爆破成井高度為18 m。

圖4 導井短延時爆破方案

經過兩次導井爆破、兩次側崩爆破和一次破頂爆破，順利完成了直徑20 m、高50 m 的超大斷面超深豎井掘進。在導井爆破中實施了爆破振動監測，在100 m處監測的爆破振動波形如圖5所示?？梢姳普駝铀俣确逯当唤档椭?.6 cm/s，對周邊邊坡和巖體的損傷被降至最低。

圖5 導井爆破振動波形監測

5 結 論

本文提出了適用于超大斷面超深天井掘進的精確短延時爆破成井技術，通過采用高精度電子雷管實現同層藥包的短間隔延時爆破，以取代常規深孔爆破成井的同層藥包同段爆破?；诙嗫浊驙钏幇评碚?，揭示了短延時爆破漏斗的形成機制，在此基礎上獲得了同層藥包間短間隔延期時間的理論計算公式，并將研究成果應用于東北引松供水工程超大斷面調壓豎井的導井爆破成井掘進中，不僅實現了大斷面天井的高效率掘進，也大幅降低了其爆破振動危害。本文研究結果對大斷面高天井掘進工程具有一定的參考價值。