双向聚能拉伸爆破新技术在节理岩体中应用

第21卷　第2期2004年6月爆　破B LASTINGVol.21　No.2 J un.2004 文章编号:1001-487X (2004)02-0039-04双向聚能拉伸爆破新技术在节理岩体中应用王成虎,何满潮,王树理(中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083)摘　要:　通过对光面爆破技术及其技术原理所面临的问题以及相关的定向断裂控制爆破技术的不足之处分析,引入了双向聚能拉伸爆破技术,并简要分析了该技术的基本原理和优点,同时介绍了在硐室工程中的高岩台应用情况。

关键词:　光面爆破;　定向断裂控制爆破;　双向聚能爆破;　节理;　岩体中图分类号:　TD23511 文献标识码:　AApplication of the Bidirectional E nergy 2C avity B lastingT echnology in the Jointed R ock MassW A N G Cheng 2hu ,H E M an 2chao ,W A N G S hu 2li(School of Engineering and Technology ,China University of G eosciences ,Beijing 100083,China )Abstract :　By analysing the shortcomings of smooth blasting technique and the directional fracture controlled blasting technique for the jointed rock mass ,this paper introduces the bidirectional energy 2cavity blasting technology and analyzes the fundamental technical principles and advantages of the new technology.A practical case for the new technology are discussed ;and some suggestions for the research prospect of the new technology are put for 2ward.K ey w ords :　smooth blasting ;directional fracture controlled blasting ;bidirectional energy 2cavity blasting tech 2nology ;jointed rock ;rock mass收稿日期:2003-12-24.作者简介:王成虎(1978-),男;北京:中国地质大学(北京)2002级博士生.1　引　言20世纪50年代后期,光面爆破技术(简称“光爆”)在瑞典兴起,随后在美国、英国、日本等许多国家得以迅速推广应用。

我国从60年代试验研究光面爆破技术,实践表明,光面爆破具有减少巷道超欠挖、有利于保护围岩、降低爆破与支护材料消耗、加快巷道施工速度、提高施工效率等优点,因此,在煤炭、冶金、水电、铁道等行业相继推广应用了光面爆破技术。

但是,在应用过程中,也发现了光面爆破的炮眼间距较小、周边眼个数增多、在松软及裂隙发育的岩层中光爆效果不明显、眼痕率低等不足[1],因而,又影响着光面爆破技术的进一步推广应用。

研究发现,光面爆破的这些不足来自其原理本身。

传统光面爆破采用不耦合装药或空气柱间隔装药,降低炸药爆炸对炮孔壁的作用,避免在炮孔壁岩石中形成压碎区,实现爆后岩石的光面[2,3],这种装药在炮孔周围各方向产生的作用力相同,除在炮孔间连线方向形成贯通裂纹外,还会在孔壁的其它方向形成径向裂纹,因此,在松软及裂隙发育的岩层中,往往难以获得理想的光爆效果[1]。

针对光面爆破的这些不足,王树仁[4]、杨永琦[5]、杨仁树[6]等人在传统光面爆破的基础上提出了岩石定向断裂控制爆破技术。

岩石定向断裂控制爆破在应用传统光面爆破装药结构的同时,进一步采取措施在炮孔连心面方向上或者降低岩石的抗破坏能力,或者增强炮孔装药爆炸作用力的方向性,从而使裂纹在该方向上优先起裂、扩展、贯通,达到提高光爆效果的目的[3]。

但是在应用过程中也出现了切缝药包与炮孔耦合困难,装药繁琐等问题,在应用中受到了很大的限制[7]。

面对这些问题,何满潮教授于2001年提出双向聚能拉伸爆破技术[8],并成功地将该技术应用于几个国防大型复杂断面硐室成型爆破工程中。

2　双向聚能拉伸爆破技术的技术原理2.1　双向聚能拉伸爆破的概念双向聚能拉伸成型爆破是在常规爆破基础上发展起来的一种控制爆破技术,它是指将药包放入在2个设定方向(按一定角度)有聚能效应的聚能装置,炸药起爆后,由于装药结构的不耦合状态和爆轰气体准静应力作用,炮孔围岩在非设定方向上均匀受压,在设定方向集中受拉,从而使爆破体按照设定方向拉裂成型的一种新型聚能爆破技术。

2.2　双向聚能原理双向聚能原理实质为:炸药起爆后,由于装药结构的不耦合状态和爆轰气体准静应力作用,使得非设定方向上围岩产生均匀抗压,在设定的2个方向上集中抗拉;同时,爆轰产生的冲击波和应力波优先沿设定聚能孔方向集中释放,致使爆炸能作用于沿双向聚能管开孔方向的孔壁处,在炮孔壁处,在炮孔壁上形成与聚能孔方向一致的径向预裂缝,爆生气体优先沿聚能孔方向驱动裂隙并使其加速扩展,从而形成光滑的控制爆破面,实现周边精确聚能控制爆破。

2.3　双向聚能模型及力学过程分析2.3.1　双向聚能模型双向聚能爆破过程中,双向聚能装置有3个重要力学作用:1)、对岩体的聚能压力作用,如图1(b )所示,这时岩体局部集中受压;2)、炮孔围岩在设定方向上集中受拉,这是由于在非设定方向上炮孔围岩整体均匀受压所造成的。

这种整体均匀受压产生局部集中受拉的条件是双向聚能装置必须有一定的强度。

如图1(c )中XO Y 平面聚能拉张模型所示;3)炮孔围岩在XOZ 平面拉张力作用。

在XOZ 平面上,沿轴向围岩受到系列聚能孔的力学作用后,孔间岩体是受拉力作用。

如图2(b )中XOZ 平面聚能拉张模型所示。

图1　双向聚能爆破XO Y 平面受力模型2.3.2　双向聚能拉伸爆破力学过程分析炸药在双向聚能爆破装置中引爆后,爆生气体寻求自由空间以释放其能量,由于双向聚能管的存在,在聚能孔的导向作用下,爆生气体的能量势必优先从聚能孔中释放,形成能量流(图2(a ))。

每一个聚能孔汇集为成小能量流,从聚能管整体看,沿双向聚能管轴向(开孔方向)形成两点条状能量流。

因此,双向聚能管聚集的是点条状能流,聚能效果比条状均布流更优。

炸药爆炸后,在爆生气体流的作用下,对应聚能孔的孔壁周围形成准静应力场。

沿炮孔的径向为压应力,在其作用下孔壁沿聚能孔的轴向产生预裂隙。

爆生气体仍不断四周扩散,作用于预裂隙的岩体上,其中垂直预裂隙发育方向的为拉应力(图1(c )),正是在这部分应力充分利用了岩石“抗压怕拉”的特性,导致岩石沿预裂隙方向进一步拉裂。

若几个联孔同时起爆时,静应力场在炮孔之间进行叠加作用,炮孔间的拉张应力作用更为剧烈,当炮孔间距适当时,相邻裂缝将得以贯通。

3　工程实例3.1　工程概况该工程建在某市西部的一山体内,地处地表150m 以下,岩石为安山岩,灰色～青灰色,微风化～弱风化,岩体内节理十分发育,中间夹有黄色的泥质和硅铁质充填物,节理纵横交错,将岩体切割成块04爆　破 2004年6月状结构,局部成碎裂结构,硐室范围内没有大的断层通过,但局部有构造破碎带通过。

硐室内地下水不明显,基本没有可见渗透水。

岩体的整体质量分级为IV 级,局部可以定为Ⅲ级。

工程中2个大型硐室群断面复杂,要求修建边墙的岩台(见图3)。

但这2个硐室岩体结构复杂,优势节理面发育,使用目前的施工技术方案很难达到预期的设计目的,主要存在以下问题:1)、目前所采用的光面爆破施工技术方案不能够保证不破坏硐室围岩,使其满足设计的强度要求。

从施工现场反馈回来的信息表明,局部地带已经造成都市破坏。

2)由于硐室断面复杂、岩体破碎,设计的高边墙岩台技术要求很高,目前的施工技术和方案根本不能形成设计的断面形状,超挖非常严重,局部地带还造成了大量的塌方冒顶。

图2　双向聚能爆破XOZ平面受力模型3.2　爆破技术方案鉴于岩体的基本质量情况和设计单位提出的施工质量要求,笔者依据岩体非线性力学的设计方法[9]对炮孔布置与分布进行空间优化和起爆顺序的时间优化。

主要的优化方法有:1)根据不同的优势节理面方向来优化设置炮孔布置方向;2)为了最大限度的保证岩台的稳定性和强度,进行爆破时间优化,采取预裂成型保护层中心部位开挖直墙修挖的开挖顺序。

具体的爆破施工方案如下:在爆破施工过程中,首先进行硐室I 区岩石的开挖,其中I 区拱形区和Ⅱ区矩形中部的岩石采用传统的钻爆施工方法进行岩石开挖,在该施工过程中,预留了1(硐室高边墙岩台,设计宽度为650mm )和2(双向聚能爆破保护层,宽为1500mm ,根据最小抵抗线计算),如图3所示。

进行2区预留成型的预裂爆破的参数如下:1)Ⅱ区切槽周边眼孔径为42mm ;眼距300～350mm ;眼深2～2.4m ,与硐室轴线方向一致的水平向炮孔;2)线装药密度:200g/m ,口部预留300mm 堵塞;3)起爆方法:导爆索连接,间隔不耦合装药,火雷管起爆,先于Ⅱ中部开挖区药包起爆。

在2区开挖完毕或有条件进行岩台修挖时,实施双向聚能拉伸爆破,具体设计参数[10]如下:1)双向聚能爆破装置外径<27mm ,内径<25mm ,管材整体抗压强度1.5～3.5MPa (根据数值模拟和现场试验获得参数);2)炮孔直径42mm ;炮眼间距300～350mm ;炮眼深度1.0～1.5m ;炮眼方向竖直向下;3)炮眼的线装药密度:120g/m ,药卷规格为<25mm ×200g 乳化炸药;4)装药方式:导爆索连接间隔不耦合装药,火雷管起爆;5)炮眼堵塞:碎石混凝土渣+湿纸箱板堵塞,堵塞长度为300～400mm ;图3　爆破开挖施工示意图3.3　爆破效果分析执行如上所述的爆破方案以后,得到了很好的爆破效果,限于篇幅,笔者仅将双向聚能拉伸爆破的效果图片在此予以展示,有关预裂爆破及双向聚能拉伸爆破与传统光面爆破方法对比效果图就不再详述。

通过以上图片可以看到,拉伸聚能爆破后的眼痕率达到了90%以上,起伏差基本为8cm ,完全达到了国家和行业规范所要求的精细爆破的优良标准。

事实也证明了该爆破技术和设计参数是十分成功的。

4　结　语通过以上的实例和效果分析,可以看出双向拉伸14第21卷　第2期 王成虎　等　双向聚能拉伸爆破新技术在节理岩体中的应用聚能爆破技术在节理化岩体的精细爆破工程中的作用是十分明显的,可以有效地保护围岩,保证复杂的硐室断面成型。