趙固二礦西風井深井凍土爆破漏斗試驗研究

于建新，郭 敏，楊瑞亮，張英才，張道海，曾 鵬

(1.河南理工大學，河南 焦作 454003；2.河南國龍礦業建設有限公司，河南 鄭州 450000)

立井凍土爆破施工技術在礦井建設中的應用十分廣泛，由于凍土的物理性質不同于巖石，關于凍土爆破理論的研究仍十分有限。早期宗琦等提出了一種大量破碎凍土的爆破方案，該方案主要是增大炮眼間距、減少炮孔數和降低炸藥消耗量來優化凍土爆破效率[1]。為提高深井凍結基巖段的掘進速度，宗琦等進行了深孔爆破技術的爆破方案研究，發現大直徑中心空孔對提高爆破效率起到關鍵作用[2]。因此爆破方案的設計對爆破掘進速度有極大的影響，例如在本項目背景中，眼深3m，炸藥單耗1.31kg/m3，前期進尺3m左右，后來由于下層土凍結時間更長，自重應力變大等原因，進尺縮短為2m，掘進效率較低，這時候就需要結合實際對爆破參數進行優化，提高施工效率。

爆破漏斗是凍土爆破破壞的基本形式，研究爆破漏斗對工程具有顯著的指導意義。從集中藥包爆破漏斗理論，再到延長藥包爆破漏斗的研究，與爆破的幾何相似法則和經驗性的藥量體積公式相結合仍作為爆破參數確定的主要方法[3]。在爆破漏斗研究方面，王以賢等利用相似比理論進行煤體的爆破漏斗試驗，研究了其爆破參數[4]。楊紅兵基于中深孔爆破漏斗試驗，為無底柱分段崩落法的實踐提供了一定經驗[5]。隨著工程開挖深度的增加，吳春平等開展了深部巖石爆破漏斗試驗并獲得一些爆破參數，指導深部巖石爆破方案的設計[6，7]。針對人工凍土爆破的特性，馬芹永等也做過大量的爆破研究并提供了寶貴的經驗[8]。張俊兵等對青藏高寒凍土進行了爆破漏斗試驗，得出了單位藥包的最佳埋深、最大體積，并推導出最佳爆破參數[9]。本文主要通過對人工凍土性質的研究，進行凍土爆破漏斗試驗獲得最佳爆破漏斗半徑和最佳抵抗線等參數，為爆破參數設計提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

井筒位于輝縣市占城鎮北小營村，井筒設計凈直徑6.0m，井口設計絕對標高+81.0m，其中井筒穿過表土層厚度為704.6m。凍結深度為783m，凍結溫度為-15℃。

1.2 地層條件

試驗標高-690m左右，為第四系(Q)、新近系(N)，揭露厚度704.60m。頂部為一層10.05m厚的黃土，其下巖性主要為黏土類和砂礫石層。其中黏土類巖性以砂質黏土、黏土為主，可塑性較好，具滑感，含少量鈣質結核、鋁土質斑塊和礫石成分，部分土層分布情況見表1。

表1 部分土層分布表

2 凍土物理力學參數

凍土本身的物理力學性質是應力波傳播的內在因素，也是最主要的影響因素。主要有凍土強度、凍脹量、彈性模量、泊松比等力學參數。為更好地了解凍土性質，進行爆破漏斗試驗，對凍土力學參數進行測定。測試項目包括試樣的自由凍脹量、單軸抗壓強度、三軸抗壓強度等。

2.1 凍脹量

土在凍結過程中，原有水分以及由未凍區向凍結區遷移的水分凍結成冰，引起土顆粒間相對位移使土體體積膨脹，稱之為土的凍脹。王賀認為在凍脹過程中不僅溫度對凍脹系數有影響，土的泊松比也有重要影響[10]。凍脹量與土樣中的未凍水量關系緊密，凍土中的未凍水量不但是計算相變熱的必要指標，而且直接影響著凍土的強度。凍脹量測試方法：按照現場含水量和干容重制備試樣(試樣規格為?100mm×100mm)，將試樣裝入試驗桶，放入試驗倉內，連接補水系統、測溫探頭及位移傳感器，按試驗要求控制項、底板及試驗倉溫度進行試驗，通過數采儀采集數據。所有試樣都是重塑土樣，測試結果見表2[11]，黏土凍脹增加量如圖1所示。

表2 試樣凍脹量測試結果

圖1 7號黏土凍脹增加量(冷端溫度-15℃)

從圖1中可以看出，凍脹量在0～40h內凍脹量增加較大，在隨后的時間內增加較小。立井凍土爆破井下施工時，凍土的凍脹量達到一個穩定值。

2.2 單軸抗壓強度

凍土的強度可表征凍土抵抗壓、拉、剪等應力，一般情況下，凍土抗壓強度越大，抵抗爆破的能力就越強，因此可以把抗壓強度作為凍土爆破性的一個指標。將加工好的試樣在試驗溫度下恒溫24h后，開始試驗。凍土的單軸無側限抗壓試驗在CMT5105型材料試驗機上進行，加載過程實時取樣。當試樣的應力值下降或應變超過20%時，結束試驗。凍土單軸抗壓強度見表3[11]，由表3可知單軸抗壓強度在7～8MPa之間。

表3 凍土單軸抗壓強度

繪出應力-應變曲線如圖2所示[11]，從圖2可知，凍土應變在1.5%～3%時應力增加較大，在凍土多次爆破后，土體受到爆破沖擊波的擾動，產生位移變形，當達到一定變形值時，爆破產生的荷載應力可能不會造成土體的松動，此時應當對松動的土體進行排矸。由于地下圍壓的存在，凍土的單軸強度隨著開挖深度的變化而變化。Jianyu Peng等對深埋地下工程的開挖進行了爆破漏斗試驗，對比無圍壓和有單軸圍壓下的情況，得出：在無圍壓下爆破漏斗的形狀近似圓形，有圍壓下，為橢圓形[12]。因此，在立井凍結鉆爆法施工中需要依據不同的深度及時調整爆破方案。

圖2 不同深度下單軸壓縮應力應變曲線

2.3 三軸抗壓強度

將試樣放入三軸壓力室，在試驗要求的圍壓下固結2h，接著按恒定的加載速率(1.1×10-3s-1)對試樣進行加載，同步實時采集數據，直至應力降低或應變達25%以上結束試驗。

強度取值標準：若應力-應變曲線出現明顯轉折點時，取該點的偏應力作為三軸抗壓強度，否則，取應變為15%時的偏應力作為三軸抗壓強度[13，14]。試驗結果見表4[11]，三軸壓縮偏應力-應變曲線如圖3所示[11]。從表4中可見，擾動土的三軸抗壓強度幾乎與圍壓無關。

表4 三軸抗壓強度測試表

圖3 7號試樣三軸壓縮偏應力-應變曲線

從表3、表4來看，黏土在-15℃下，單軸抗壓強度在7～8MPa之間。加上圍壓后，三軸抗壓強度在9～10MPa之間，黏土凍結后整體抗壓強度得到提升。凍土強度要弱于巖石的強度，在人工凍土爆破時，依靠巖石爆破的經驗，多次對凍土進行試爆，合理進行爆破方案的設計。影響凍土爆破性的因素很多，凍土自身的性質包括：凍土的抗壓強度、抗拉強度等強度指標，這些都是凍土自身固有的因素[15]。

2.4 彈性模量及泊松比

爆破應力波在凍土中傳播時，其參數的變化直接反映了凍土的物理性質，波速是能量傳遞、消耗、吸收的一個標志量。凍土的彈性模量和泊松比影響著爆破應力波的傳播，反映了凍土的可爆性。黃星等人認為動彈性模量E和動剪切模量G隨溫度的降低而升高，它們之間呈非線性函數關系，泊松比隨溫度的降低大致呈降低的趨勢[16，17]。本次爆破漏斗試驗主要關注-15℃下的黏土性質，其彈性模量和泊松比見表5[11]。

表5 彈性模量及泊松比

3 凍土爆破漏斗試驗方案

在爆破漏斗理論研究中，最具有工程應用價值的是利文斯頓爆破漏斗理論。它利用最小二乘法獲得爆破漏斗體積V-藥包中心埋深L和爆破漏斗半徑R-藥包中心埋深L的多項表達式，進而獲得最佳爆破藥包中心埋深、爆破漏斗體積及最佳爆破漏斗半徑。

在凍結立井井下進行現場探究試驗，根據單孔爆破獲得最佳埋深，以不同孔間距進行多孔段爆破試驗，通過現場試驗獲得的數據，可以推導出不同情況下的爆破參數[18，19]。

3.1 試驗條件

試驗土層為砂質黏土，多為灰白色，膠結程度高，含大量鈣質結構，較硬；凍結地層復雜、凍土打眼困難。爆破采用傘鉆配改裝后的MQT-150型氣動錨桿鉆機機頭，使用麻花鉆桿進行鉆眼施工。本實驗選用T220-nd型抗凍水膠炸藥(-25℃)，依照炸藥產品說明，其密度為950～1200kg/m3，爆速大于3600m/s，每個炮孔裝藥量均為0.175kg，采用正向裝藥結構。

3.2 單孔爆破漏斗試驗

為獲得一定藥量下爆破漏斗最佳抵抗線，根據現場的地形，及需要探究的爆破需求，設計了兩次單孔爆破漏斗試驗。第一次屬于摸索試驗，炮孔直徑45mm，各孔深度均大于50cm，每個炮孔放半卷炸藥。第一次試驗效果不理想，炸藥爆破后，形成的只有空腔，而沒有形成典型爆破漏斗，如圖4所示。

圖4 爆破形成的空腔

結合第一次試驗的結果和經驗，進行第二次爆破試驗，取4組單孔爆破，研究不同孔深下炸藥的爆破作用效果。單孔爆破孔深分別為50mm、45mm、40mm、35mm，炮孔間距以爆破作用互不影響為前提。炮孔分布如圖5所示。單孔爆破漏斗試驗炮孔編號從1#到4#，試驗結果見表6。

表6 趙固二礦西風井凍土爆破漏斗試驗

圖5 單孔爆破漏斗試驗炮孔分布 (cm)

采用最小二乘法原理，對試驗數據進行三次項回歸，最終得到爆破漏斗體積V-孔深L和爆破漏斗半徑R-孔深L的多項表達式為：

V=-8.1333L3-2.36L2+6.4183L-1.6022

(1)

R=100L3-165L2+86L-14

(2)

式中，V為試驗條件下的單孔爆破漏斗體積，m3；R為試驗條件下的單孔爆破漏斗半徑，m；L為試驗條件下的孔深，m。

根據試驗數據，做出V-L、R-L特征曲線，如圖6所示，并由以上兩擬合曲線，求得試驗條件下單孔爆破漏斗的最佳爆破參數為：最佳炮孔深度L=0.425m；最佳爆破漏斗體積V=0.075m3；最佳爆破漏斗半徑R=0.438m。炸藥最佳單耗：

圖6 爆破漏斗試驗V-L和R-L特征曲線

3.3 多孔同段爆破漏斗試驗

多孔同段爆破漏斗試驗同樣在標高-690m左右的井底完成，試驗分為掏槽眼爆破與周邊眼爆破。

藥卷規格為?35mm×300mm×0.35kg，掏槽眼與周邊眼炮孔直徑均為50mm，每個炮孔藥量為0.175kg。炮孔分布如圖7所示：

圖7 掏槽試驗炮眼示意圖

掏槽眼爆破效果試驗：近似呈正五邊形分布，孔深取L=45cm，稍大于最佳孔深。宗琦等認為孔距在500～700mm較為合理[20]，這里取500～530mm。

掏槽眼效果：形成一個漏斗，Φmax=190cm，Φmin=170cm。爆破漏斗體積V=0.382m3，炸藥單耗q=2.29kg/m3。比單孔爆破炸藥單耗略小，說明應力波反射和疊加對裂縫的貫穿有重要的影響。

周邊眼爆破效果試驗，依次沿直線布置5個炮孔，各孔深度一致，裝藥量一致，具體布置及效果如圖8所示。

圖8 周邊眼布置和爆破效果

孔深L=45cm，炮孔間距根據經驗宜取8～12倍炮眼直徑或根據式(4)計算[21]。

最終根據試驗現象可以觀察到，周邊眼孔底距為60cm時，爆破松動效果較好，同時多孔同段爆破漏斗試驗土塊破碎程度比單孔爆破漏斗要好。

3.4 結果驗證

依據單孔爆破下的最佳炮孔深度，最佳爆破半徑進行炮孔的布置，同時參考多孔爆破掏槽眼的炸藥單耗孔進行單孔試驗。并通過炮孔布置間距的調整，驗證周邊眼爆破的合理布置，試驗結果如圖9所示。

圖9 單孔爆破漏斗形狀大小

裝藥0.175kg時，單孔爆破漏斗形狀半徑為40cm，爆坑深度為35cm，已經初步具有爆破漏斗的形狀，爆破效果較好。與二次項擬合得出的最佳抵抗線和最佳爆破半徑相近，驗證了擬合結果的準確性。

周邊眼爆破貫穿縫大小如圖10所示。周邊眼爆破間隔為60cm時，炮孔之間可以完全貫穿，形成較為整齊的斷裂面，較好地控制爆破的輪廓大小。

圖10 周邊眼爆破貫穿縫大小

4 實驗結果分析

1)單孔爆破漏斗試驗炸藥單耗較高為2.33kg/m3，其主要原因是克服凍張力形成斷裂面所需要的能量較高。蔣復量等認為q值在實際工況中隨崩斷面的減小而增大，自由面的增加而較小，需要根據實驗初定q值，再進行其他參數的調整，增大進尺深度[22]。

2)光面爆破是立井施工中常用的爆破方法，通過掏槽眼爆破試驗，確定了掏槽深度和孔距。周邊眼底孔距是光面爆破的關鍵，取60cm時爆破斷面平整無超挖欠挖現象。

5 結 論

1)針對趙固二礦深大立井凍結黏土進行爆破漏斗試驗，單孔爆破試驗表明，凍土爆破漏斗體積總體較小，炸藥單耗為2.33kg/m3。

2)通過單孔爆破漏斗試驗，在一定藥量下得到了凍土爆破的炸藥最佳埋深為0.425m、最佳漏斗半徑為0.438m、最佳爆破漏斗體積為0.075m3。上述數據表明凍土爆破與巖石爆破有著明顯的差異化，必須區別對待。

3)單孔爆破與多孔爆破相比較，后者爆破更為有效率，炸藥單耗量更小。

4)在一定藥量下周邊眼炮孔距離60mm時，凍土爆破斷面平整無超欠挖。