爆破减振缓冲垫的发展和展望

成旭+孟祥栋+张为+李海港+魏格平

摘要在对岩体爆破开挖减振方法分析的基础上，针对毫秒延时降振技术的不足，文章介绍了一种使用简便、成本低的有效降低岩体爆破开挖振动的缓冲垫及其研发历程，首次用在煤矿井下巷道、隧道地下工程、露天矿山及水电站边坡工程爆破开挖的生产实践，证实了缓冲垫在爆破工程中显著的减振效果。攀枝花露天铁矿边坡爆破开挖工程中，半孔率可达到9 5%以上，并和预裂爆破效果首次作了生产实践对比，比预裂爆破振动速度降低50%以上，云南苗尾水电站边坡爆破开挖工程中，半孔率可达到95%以上。

关键词缓冲垫减振；安全阈值；现场实践证明；半孔率；发展展望

黑色火药是中国在公元3世纪时的伟大发明，把硝石、硫磺和木炭末混合起来做成黑色火药，但是，这种火药烟多、爆炸力不强，所以一般只用在步枪子弹和焰火上，直到19世纪，黑色火药一直在炸药领域里独占鳖头。1863年10月，诺贝尔研制的硝化甘油炸药的第一项专利权得到了批准。新炸药用在矿山、铁路工程、山洞开凿、修路架桥，之后，发源于中国的传统黑色炸药为黄色炸药所取代，成为以后所有化学炸药工业的基础，直接或间接地带来了一场无法估量的具有深远意义的革命。

在安全炸药尤其是乳化炸药进入工程领域以后.矿业、工业和交通运输等方面的某些极其重要的工程都开始应用，在开辟许多较大的隧道、水下爆破和运河建造中也大显身手，在采矿方面开辟了新的路径，而采矿在发展经济中起着重大作用，在铁路、公路、大型硐库建设甚至土地开垦中也是不可缺少的，促使许多产业发生重大变革，炸药特别是乳化炸药的发明是社会进步的重要推动力之一。

但是，工程爆破有三大公害：飞石、爆炸引起的空气冲击波扰动和爆破引起的地振动，爆破地振动较为复杂，一直都在努力解决。由于爆破是在瞬间完成的，也没法观察炮孔内爆破过程，爆破环境条件也是多变，爆破振动危害仍然是一个困扰着国内外工程爆破界的研究难题。

爆破减振措施大致有3种：一是针对爆源所采取的控制措施，比如毫秒延时爆破干扰降振法，控制最大段药量、优化爆破参数，改变爆破方式等；二是针对减振对象采取措施，如增加吸振器或改变受振结构的振动响应特性；三是对爆破地振波在传播过程中采取减振措施，如开挖减振沟槽，增加凌空面，减小夹制等。目前在工程爆破中应用最多的（或者说各国学者重点研究的）是毫秒延时起爆减振技术。

地下工程（井巷、隧道等）爆破开挖时，周边炮孔爆破对轮廓线外的围岩体，会造成一定的超挖和很多松动裂缝，这些导致影响岩体的不稳定，而目前使用的光面爆破、预裂爆破及毫秒延时爆破减振技术，都不能较好地解决上述问题，预留岩体直接受到炸药爆炸的冲击。

为解决超挖问题，开始了定向断裂爆破掘进技术的研究，包括切缝药包、切槽炮孔和聚能药包3种定向断裂爆破方法。在相同条件下，切槽断裂控制爆破比光面爆破和预裂爆破的眼痕率值大10%～50%以上。切缝药包定向断裂爆破掘进技术的原理是利用套管隔振、聚能多种作用，能获得较好的爆破效果，形成较为理想的轮廓面，不仅比另外两种方法定向断裂效果好，而且技术上对钻孔爆破没有其它的要求，容易操作。

切缝药包理论及爆破掘进技术，在煤矿、岩石巷道等工程中得到了大量的应用，在切缝药包成功用于众多工程爆破开挖的基础上，结合建筑结构减振技术提出了爆破减振缓冲垫。

1岩巷定向断裂控制爆破技术的概况

在国内外岩巷施工、岩体开挖工程中，为了减少超挖和对围岩体的破坏，普遍采用光面爆破技术，但是由于一些原因，至今仍然存在超、欠挖和周边不平整现象，周边眼光面爆破对轮廓线以外的围岩会产生较多的裂纹，对围岩的破坏还是很严重的，特别在软弱岩层中，问题尤为突出，不仅超欠挖严重，造成支护材料的浪费，而且造成顶板不稳定性、影响支护效果。超挖现象不仅在煤矿如此，其它行业也存在。

有色金属矿山巷道围岩岩石硬度通常较大，爆破后实际掘进断面比设计掘进断面大不少，超挖系数一般都在20%或更大，这就加大了出渣量，也加大了支护壁后空隙的充填工作量，采用锚喷支护则加大了混凝土用量，成本增大。

中国矿业大学（北京）建筑学院在国内首次采用切缝药包、切槽炮孔和聚能药包三种定向断裂爆破方法，在煤矿现场进行了生产对比试验。经过数十个生产循环试验表明，从理论上均有应用的可能，但从生产应用简单、方便、效果显著出发，优选出以切缝药包为主的定向断裂爆破方法作为主要工艺技术，并在煤矿井下运输大巷进行了正规生产，取得了显著的经济和社会效益。“岩巷定向断裂爆破工艺研究”项目于1995年获得中国煤炭部科技进步一等奖，1996年获国家科技进步三等奖。

2爆破减振缓冲垫的提出

定向断裂控制爆破方法包括切缝药包、聚能药包和刻槽爆破，定向切割岩石断裂效果很好，但在降低爆破振动方面，效果不明显，而爆破振动是工程爆破最主要的危害。随着城市化的迅速发展，大量地铁、隧道的修筑，而这些工程离地表很近，岩体爆破开挖引起的地表振动对地面设施、建筑的危害越来越显著，重则引起地面建筑的开裂，甚至倒塌破坏，引起民事诉讼、财产的损失。在今后很长的时间，由于钻爆法比机械掘进成本低很多，而且施工速度也要快得多，钻爆法仍将是在岩体、尤其是硬岩中开挖地下空间的最主要掘进方式。

岩石爆破地振效应是爆破安全的重要研究课题之一。

1950年，瑞典的兰格福斯提出了光面爆破和预裂爆破技术，在工程实践中，为减小爆破引起的振动，通常采用分段爆破、预裂爆破、光面爆破等方法，目前在邻近岩体的轮廓处，特别是在露天矿山等岩体边坡工程，为了保护最终边帮的稳定性，在邻近岩体的边帮处大都采用预裂爆破技术并获得较好的效果。

预裂爆破中为了保证预裂缝具有良好的隔振效果，必须防止预裂缝在随后的爆破作用下下产生闭合，这就要求预裂爆破时所形成的预裂缝必须具有足够的宽度，因为没有临空面，岩石夹制作用大，预裂爆破炮孔要装足够多的炸药，才可以炸开足够宽的预裂缝，对边坡围岩将造成破坏，势必会影响最终边坡围岩的稳定性。采用预裂爆破，从爆破后岩体破碎圈的测试知道，一般破碎带深度为0.35m～0.7m，孔口拉裂在1.0m～3.0m左右，说明爆破对边坡表面岩体会造成一定程度的破坏。

减小爆破引起的振动是爆破设计的重要目标之一，因此，寻求经济合理、有效的减振爆破技术，具有重大的意义和实用价值。爆破减振缓冲垫的提出，正是在这样的工程背景、作者多年工程经验和理论知识的积累，受定向断裂爆破（切缝药包、聚能药包、切槽爆破）开挖技术的成功应用及建筑结构减振的启发而成。

3缓冲垫爆破减振技术的实际应用

3.1缓冲垫爆破减振技术煤矿及隧道地下工程中的应用

首次在川煤集团绿水洞煤矿岩石运输大巷（图3）、邢汾高速公路沼水隧道爆破掘进开挖工程中，进行了生产实践，取得成功。

绿水洞煤矿运输大巷沿煤层底板的茅口灰岩内掘进，茅口灰岩坚固性系数f-8～10。属于中硬岩。采用爆破后周边孔在岩壁上残留的半边炮孔（常称眼痕率）作为评价标准，能否留下眼痕标志着周边轮廓的控制效果与岩壁质量的好坏，这种评价方法由眼痕率来定量表达，定义为爆破后岩壁上可见眼痕总长度与周边孔总长度之比。加装缓冲垫爆破后，眼痕率超过90%（图3），而没有缓冲垫爆破后，岩壁上几乎没有一个半孔。运输大巷不用支护。

图4是隧道爆破掘进后在岩壁上留下的半壁炮孔相片，隧道所在的岩层为变质石英砂岩、绢云石英砂岩及少量绿泥绢云板岩组成，岩石坚固性系数f-6.0，隧道掘进钻眼是采用手抱风钻打眼，一次只能打3m长，爆破后，清完渣，再打眼爆破，从图4可以看到，在5个左右爆破循环后，半孔仍然留在隧道顶部和边邦上，没有形成粉碎区，而且裂缝也大量减少甚至没有，裂隙圈及松动圈范围大幅度减少，前一段爆破后，后面顶部的半孔依然留在隧道顶部，没有被爆破振动振掉，说明缓冲垫的爆破减振效果非常好。图1切缝药包定向断裂控制爆破在岩壁上留下的半边炮孔相片，眼痕长度比图4明显短而且浅，图4的岩石坚固性系数f=6.0，图1的岩石坚固性系数f=6～10，这是爆破缓冲垫减振的有力证据。

近20多年来，我国地下工程（如隧道）数量不断增加以及规模不断加大，岩爆也经常发生。在研究国内外许多地下工程岩爆发生的条件后发现，地质条件相同时，采用盾构施工的隧道可能不发生岩爆，而采用钻爆法施工的隧道就可能发生岩爆，说明岩爆与爆破振动有相关性。

岩爆和爆破开挖有着非常密切的联系，用爆破减振缓冲垫方法还可以减少岩爆的发生，原理旨在降低爆破对岩体的振动，尽可能维持原岩体力学性能、及其完整性，使岩体不具备岩爆发生的条件或减弱岩爆发生的强度。使用爆破减振缓冲垫可以大幅度降低爆炸对围岩体的巨大冲击力，减小爆破后围岩体的松动破坏区范围，从而减少支护成本和岩爆（冲击地压）。

在铁路及公路开挖工程中，采用光面爆破、预裂爆破可使路堑边坡工程超挖量减少10%～20%，由于爆破后边坡面光滑平整进而减少支护材料，并能降低线路营运过程中的边坡事故及维护工作量。如果采用爆破减振缓冲垫，效果会更好、产生更大的经济效益。

缓冲垫减振爆破的优点：

1）提高了巷道优良品率；2）降低了材料费用；3）提高了工效，出渣量减少；4）提高了支护质量，间接降低了巷道的支护、维修成本，保障了安全生产，有着巨大的潜在经济效益。比光面爆破、预裂爆破效果更好。

不仅能避免对爆破后轮廓外围岩体产生大量裂缝、减小松动裂隙圈范围，而且可以避免由于多次爆破振动对围岩岩体造成的累积损伤，使边坡及地下工程围岩受到的爆炸冲击荷载低于岩体破坏的门槛值。

3.2缓冲垫爆破减振技术在露天矿生产中的应用

露天矿开采通常是深孔爆破，由于炮孔孔径大、装药量多，边坡炮孔爆破对边坡岩体会产生很大的超挖和随机裂缝，严重影响边坡的稳定性，而目前采用的光面、预裂爆破和定向断裂控制爆破，都不能避免保留岩体受爆炸冲击波的直接作用。提高岩体边坡稳定性方法一直是岩+32程中重要的研究内容。

在攀枝花露天铁矿边坡爆破开挖工程中，缓冲垫爆破和预裂爆破作了生产实践对比，爆区的一半炮孔加装缓冲垫，另一半炮孔是预裂爆破（没有加装缓冲垫），爆破后，加装缓冲垫的炮孔，在岩壁上都留有半孔，预裂爆破在岩壁上几乎没有留下半孔，实际测振表明，加装缓冲垫的一侧，比预裂爆破一侧的振动速度降低50%。

如果我国现有的露天铁矿边坡稳定角度能提高1。的话，就可减少总剥岩量数亿吨，节约资金数亿元。使用爆破减振缓冲垫能提高岩体边坡稳定角3°以上，对岩体工程爆破开挖及建设，产生巨大的经济效益。

3.3缓冲垫爆破减振技术在云南省大理州苗尾水电站边坡工程中的应用

水电站岩石边坡施工采取自上而下的方向进行，为了保证工程质量，采用平行下降分梯段开挖方式进行。分层作业中，上层支护应保障下层施工工作的安全。

岩体高边坡开挖工程中，由于边坡坡面线以外的边坡高陡、存在危石，受爆破振动等影响，边坡有可能坍塌或滑坡，边坡爆破开挖和支护是循环交叉作业，对下方工作人员和设备的安全不利。

在整个边坡施工过程中，不可能等到所有支护部分的新浇灌混凝土到达龄期（28天）之后再进行爆破施工，也不可能等到整个工程的爆破作业完工后再进行支护。支护和爆破连续、循环、交叉作业，贯穿于整个施工过程中。因此，在边坡爆破施工中，首要的保护对象是新浇灌混凝土支护区，这是因为新浇灌混凝土支护未达到龄期（28天）的强度。这就要求爆破作业质量要达到规定的要求，光面、预裂爆破的质量评价标准，岩体边坡坡面的半孔（眼痕）率，中硬岩≥60%。

在云南省大理州苗尾水电站边坡爆破开挖工程中，首次使用了爆破减振缓冲垫。经过数十个循环的生产实践，爆破后，边坡坡面成形很好，裂隙圈及松动圈范围大幅度减少，减振效果显著，显著提高水电站边坡岩体的稳定性，半孔率可达到95%以上（图5）。岩壁上基本上都留有半孔，半壁炮孔基本没有破碎，说明没有形成粉碎区，而且裂隙区也大量减少甚至没有，理论上认为粉碎区的半径为2～7倍的炮孔半径，范围很小却消耗了冲击波的大部分能量。裂隙区的半径为120～150倍的炮孔半径，炸药爆破产生的能量在裂隙区已经基本消耗殆尽，爆破地震波的能量只占炸药爆炸产生的能量的2%～6%。冲击波能量约占爆炸总能量的40%左右。

工程爆破有如下结论，在最小抵抗线方向的爆破振动最小，反向最大，两侧居中。成排的群药包爆破时，在药包中心连线方向比在垂直于连线方向的振动速度可降低25%～45%。

说明缓冲垫至少缓冲、阻挡了爆炸能量的65%～85%。如果选用缓冲减振性能更好的材料，可以更好地缓冲、阻挡爆炸能量，降低爆破振动。4展望

工程爆破破坏了原岩的应力构造状态、稳定性，由爆破振动造成的隧道、矿山巷道、露天边坡滑塌等事故不计其数。攀钢巴夫河石灰石矿在露天采矿爆破中曾多次诱发滑坡事故，最严重的一次滑坡量达416万m3，造成了巨大的损失。

爆破缓冲垫不仅可以在岩体工程中减振防灾，如上所述，而且在贵重石材开采也发挥巨大作用。

我国花岗石和大理石资源丰富，在国际市场是重要的供货商，也有相当数量的宝石、玉石等矿产，尽管机械开采很普遍，但机械的投资和成本大，很多中、小型企业依然使用爆破法开采天然石材，有许多小型采石矿场甚至使用钢钎、铁锤，开采出来的石料质量、块度、大小得不到保证，而爆破对石材会造成很多裂纹，大大削弱了石材的价值，为了提高劳动生产率，保证开采出的石材块度、大小和质量，爆破减振缓冲垫发挥着巨大作用。

5结论

选用缓冲减振性能更好的材料做缓冲垫，可以更大幅度地降低爆破振动，可以预言，在不远的将来，缓冲垫爆破减振技术将成为工程爆破界常用的一种减振技术，不仅用于水利水电等工程岩体边坡爆破开挖，还可以用于露天、地下矿山、公路和铁路隧道等地下岩体工程，极大地降低爆破振动对边坡及围岩岩体的冲击，提高围岩、边坡岩体的稳定性、减小地下工程及边坡围岩松动裂隙圈的范围，从而大幅度增加岩体边坡稳定性并可以提高边坡稳定角度，大量减少支护成本，爆破减振缓冲垫作为一种全新的爆破减振技术，必将产生巨大的社会经济效益并有广阔的应用前景。