岩巷切缝药包楔形掏槽爆破模型试验与分析

廖 涛 蒲传金 王俊青 姜 锐 杨 鑫 陈雪锋

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室，四川 绵阳 621010)

岩巷切缝药包楔形掏槽爆破模型试验与分析

廖 涛1,2蒲传金1,2王俊青1,2姜 锐1,2杨 鑫1,2陈雪锋1,2

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室，四川 绵阳 621010)

为了研究合理的掏槽方式改善岩巷掏槽效果差、炮眼利用率低的问题，采用水泥砂浆模型对切缝药包楔形掏槽爆破进行了试验研究。共设计了4组对比试验，每组试验分别在6组不同强度的水泥砂浆模型上展开，模型炮孔数目均为6个，每个炮孔装一发8号电雷管起爆。试验结果表明，切缝药包装药结构提高了炮孔利用率、增大了槽腔体积及降低了掏槽碎块的大块率；并得到了不同强度模型最优的掏槽方式，其中80°切缝药包楔形掏槽爆破在不同强度模型下炮孔利用率、槽腔体积及掏槽碎块大块率均相差较小，用于岩性变化较大的岩巷中，可得到较好的掏槽效果。切缝药包楔形掏槽爆破利用切缝对能量的导向作用，实现裂纹的定向扩展，并提高了掏槽效果。

切缝药包 楔形掏槽 炮孔利用率 模型试验

我国岩巷掘进主要采用钻爆法，其中掏槽效果是影响每循环爆破进尺及炮眼利用率的关键因素，决定着每循环爆破的质量。由于岩巷掘进爆破自由面较单一，且随着岩巷开采深度的增加，围岩应力逐渐增大，岩石所受夹制作用增强，最终使掏槽效果更差、炮眼利用率更低，尤其是硬岩巷道。

目前具有代表性的掏槽方式主要有直眼掏槽、楔形掏槽、螺旋掏槽及准直眼掏槽[1-4]等，其中楔形掏槽应用最广泛。梁为民等[5]采用模型试验及现场试验相结合的方式，得出了楔形掏槽炮孔角度对称布置能够充分利用炸药爆破能量，增大掏槽体积、深度，有利于提高循环进尺。熊海明等[6]应用层次分析法(AHP)建立了楔形掏槽爆破影响因素指标体系，定量分析了各因素对掏槽爆破效果的影响，其中炮孔倾斜角度权值最大，为11.5%。袁文华等[7]对3种楔形掏槽混凝土模型进行了相似试验，其中楔形掏槽微差爆破模型炮眼利用率较高，达到了93.2%，且掏槽体积大、爆破块度适中。杨国梁等[8]采用数值模拟及现场试验对复式楔形深孔掏槽爆破进行了研究，表明该方法可有效提高循环进尺，进而提高岩巷掘进速度。陈寿安[9]对楔形掏槽水泥砂浆模型试验研究结果表明，炮孔倾角为80°时能充分利用爆破能量，提高炮孔利用率。

1978年，W.L.Fourney等[10]提出了在炮孔中使用切缝管状药包在岩石中形成定向裂纹的方法。从20 世纪80 年代开始，我国学者对切缝药包爆破技术进行了一系列研究。王树仁等[11]对切缝药包作用机理、影响因素、参数设计及应用等问题从理论上进行了探讨。蒲传金[12]，罗勇[13]等对切缝药包成缝机理进行了研究。肖正学等[14]采用动态光弹性法对切缝药包的聚能效应进行了试验，试验表明切缝管的聚能效应主要出现在爆炸初期，此时产生大量爆炸产物、药包内气体压力急剧升高。切缝药包爆破技术在边坡、采石场及巷道周边孔爆破中获得了广泛的应用，杨仁树[15]、佟强[16]及杨国梁[17]等将切缝药包爆破技术引入到岩巷直眼掏槽爆破中，通过数值模拟及现场试验，验证了切缝药包直眼掏槽爆破的可行性，提高了炮孔利用率，有效地消除了围岩夹制作用。

为了研究切缝药包楔形掏槽爆破技术对提高炮孔利用率，增加初期掏槽体积的效果，本研究对6孔楔形掏槽普通装药结构、切缝药包装药结构进行了水泥砂浆模型试验研究。

1 切缝药包楔形掏槽爆破原理

将切缝药包装入楔形炮孔实现切缝药包楔形掏槽爆破，炮孔布置和装药结构如图1和图2所示。

图1 炮孔布置示意图(单位：mm)

将炸药装入切有缝隙(图1中端部1、2、3、4号孔呈90°垂直切缝，中间5、6号孔三向切缝，切缝位置如图2(b)、图2(c)所示)的PVC管后，再装入相应位置的掏槽孔，实行不耦合装药。端部的1、2、3、4号

图2 装药结构

炮孔的垂直切缝和中部5、6号炮孔的对称切缝处由于不存在阻力作用，爆炸产物直接作用于岩壁[13-15]，有利于形成规则槽腔；中间5、6号孔指向槽腔的切缝有利于破碎槽腔内的岩石，降低大块率。掏槽孔外侧的切缝管和不耦合装药有利于降低爆炸能量对槽腔外侧岩体的损伤破坏，进而改善辅助孔的爆破效果。另外，不耦合装药在保证掏槽爆破效果的同时，还有利于降低掏槽孔爆破振动对邻近建(构)筑物的危害。

2 掏槽爆破模型试验

2.1 水泥砂浆模型几何参数

模型长×宽×高为500 mm×500 mm×450 mm，用水、普通硅酸盐32.5(R)水泥和细沙按一定配合比浇筑水泥砂浆模型，配合比及物理力学参数见表1。

表1 模型配合比及物理力学参数

2.2 掏槽爆破试验设计

共设计了4组试验，分别进行不同装药结构、不同炮孔倾角的楔形掏槽爆破，每组试验在6个不同配合比的砂浆模型上展开。设计试验一：75°楔形炮孔，普通药包；试验二：75°楔形炮孔，单层切缝药包；试验三：80°楔形炮孔，单层切缝药包；试验四：75°楔形炮孔，双层切缝药包。每组试验的装药结构如图2所示。

(1)炮孔参数：炮孔垂直深度150 mm、直径18 mm，每个炮孔只装1发8#电雷管起爆。炮孔参数见表2。

表2 炮孔参数

(2)切缝管尺寸参数：根据炮孔尺寸选择外径16 mm、内径15 mm、厚0.5 mm的PVC管制作双向垂直切缝管及三向切缝管，放置位置如图2(b)、图2(c)所示。切缝长×宽为70 mm×3 mm，切缝管尺寸如图3所示。

图3 切缝管尺寸(单位：mm)

2.3 掏槽爆破试验过程

(1)钻孔：为了保证钻孔的精度，设计了一个钻孔角度控制器。

(2)边界条件[7]：将砂浆模型装入钢箱，再用木条、钢管及塑胶棒将模型四周楔紧，给模型施加一定的初始应力。

(3)装药、堵塞、连线：将1发8#电雷管装入切缝管中再装入炮孔，装前检测雷管电阻确保可靠起爆，黄泥堵塞炮孔，所有雷管并联起爆。爆后清除爆渣，并量测掏槽体积和深度。

3 试验结果与分析

统计爆破后掏槽深度、槽腔体积和周围裂纹数及大块率等，试验结果见表3。

3.1 炮孔利用率

爆破后，测量槽腔深度，并计算炮孔利用率，由表3可知，各组试验平均炮孔利用率大小为：试验二>试验三>试验四>试验一。其中，各强度模型切缝药包掏槽爆破炮孔利用率(除模型2)均高于普通掏槽爆破；且试验二、三、四中切缝药包炮孔利用率均高于试验一普通掏槽爆破。以上分析表明切缝药包掏槽爆破有助于提高炮孔利用率。

表3 试验结果

3.2 掏槽体积

试验时，模型装入钢箱并覆盖，能保证槽腔中爆渣不抛出，故用排水法测爆渣体积作为掏槽体积，由表3可知，各组试验平均掏槽体积：试验二>试验四>试验三>试验一。且采用切缝药包装药结构的试验二、三、四相较于试验一普通掏槽爆破均较明显地增大了掏槽体积。试验二(75°切缝药包)除模型2和模型4外，在其余强度模型下掏槽体积均为该组模型最大值。试验三(80°切缝药包)在各种强度下掏槽体积均较稳定，各强度掏槽体积与平均掏槽体积最大误差为9.6%，平均误差为5%，应用在岩性变化较大的岩巷中，可得到较好的掏槽效果。

3.3 大块率

对槽腔内的碎块块度进行测量，统计大于5 cm不同分段尺寸块度的数量。小于5 cm碎块均较粉碎且所占体积较小，故不考虑。定义最长边大于10 cm以上的块度为大块，大块率=大于10 cm块数/大于5 cm块数×100%，各组试验各种强度模型计算的大块率见表4。

表4 试验大块率

由表4可知，各组试验平均大块率：试验三<试验二<试验四<试验一。其中试验三80°切缝药包掏槽平均大块率最低为19.1%，略低于试验二75°切缝药包掏槽平均大块率19.4%，试验一普通掏槽大块率最高为35.7%。采用切缝药包的3组试验大块率相差较小，与试验一相比均显著降低了大块率。

3.4 模型强度与掏槽效果分析

从表3可知：①模型1、模型5在试验二时掏槽体积和炮孔利用率最大；②模型2在试验四时掏槽体积和炮孔利用率最大；③模型3在试验二、四时掏槽体积相差较小，且试验四时炮孔利用率最大；④模型4在试验三时掏槽体积最大，且炮孔利用率与最大值相差较小；⑤模型6在试验一、二时掏槽体积最大，且试验二时炮孔利用率较高。

由表1可知，各组模型抗压强度由大到小，根据以上分析可得到与不同强度的砂浆模型最佳匹配的掏槽方式，见表5。

表5 不同强度模型最优掏槽方式

4 结 论

(1)切缝药包楔形掏槽爆破均提高了炮孔利用率、增大了槽腔体积及降低了掏槽碎块的大块率。

(2)通过对掏槽体积和炮孔利用率的分析，得到了不同强度介质模型最优的掏槽方式。

(3)80°切缝药包楔形掏槽爆破在不同强度模型下炮孔利用率、掏槽体积及大块率均相差较小，若用于岩性变化较大的岩巷中，可得到较好的掏槽效果。

(4)利用PVC管制成的切缝管有助于爆炸能量的充分利用，切缝药包有利于克服岩石的夹制作用，该方法应用于掏槽爆破是可行的。

试验均在水泥砂浆模型上展开，试验结果有待于进一步应用验证。

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(责任编辑 石海林)

Model Experiment and Analysis of Wedge-Shaped Cutting Blasting with Cutting Seam Cartridge in Rock Tunnel

Liao Tao1,2Pu Chuanjin1,2Wang Junqing1,2Jiang Rui1,2Yang Xin1,2Chen Xuefeng1,2

(1.SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China；2.Non-CoalMineSafetyTechnologyKeyLaboratoryofSichuanProvinceCollegesandUniversities，Mianyang621010，China)

In order to explore the rational cutting method to improve the poor cutting and the low blasthole utilization in rock tunnel，the experimental study of wedge-shaped cutting blasting with cutting seam cartridge based on cement mortar model is conducted.A total of four sets of comparative tests are designed，and each set of test start on six cement mortar model with different intensity.One model has six blasthole，and each blasthole is charged one No.8 detonator into it.The results show that the structure of cutting seam cartridge improves the utilization ratio of blast holes，increases the cutting cavity volume and reduces the boulder yield of cutting rock fragment.The optimal cutting method for different intensity model is obtained，among，the 80° wedge-shaped cutting blasting with cutting seam cartridge has small change in different intensity of model on blasthole utilization，cutting cavity volume and the rate of chunks of cutting rock fragment.A good cutting effect can be obtained when it is used into rock tunnel with large lithology changing.The wedge-shaped cutting blasting with cutting seam cartridge can guide the direction of energy，and achieve crack growth directionally and improves cutting effect of cutting seam.

Cutting seam，Cartridge wedge-shaped cutting，Blasthole utilization，Model experiment

2014-10-30

西南科技大学研究生创新基金项目(编号：14ycx047)。

廖 涛(1990—)，男，硕士研究生。通讯作者 蒲传金(1979—)，男，副教授。

TD236

A

1001-1250(2015)-02-040-05