最小抵抗线对深孔岩石爆破块度的影响

周 游， 陈作彬， 王 静， 谢兴博， 温尊礼

(1.解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007； 2.核工业南京建设集团有限公司， 南京 210003)

最小抵抗线对深孔岩石爆破块度的影响

周 游1， 陈作彬2， 王 静2， 谢兴博1， 温尊礼2

(1.解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007； 2.核工业南京建设集团有限公司， 南京 210003)

针对最小抵抗线对深孔岩石爆破块度影响的问题，应用相似理论推导深孔岩石爆破中爆破块度与其影响因素的关系，得到小台阶模型下的相似律，并以此为依据进行了现场小台阶模型实验。通过对实验结果的分析，得到最小抵抗线对深孔岩石爆破块度的影响规律：随着抵抗线的增加，爆堆特征块度和均匀指数均增加。将此结论运用于连云港核电扩建山体爆破开挖工程，确定其最小抵抗线范围为3.5～4.5 m，爆破后规格石料的成材率相比一期工程提高了23%，达到了预期效果。证明此设计合理，可为同类工程提供参考。

最小抵抗线；爆破块度；相似理论；小台阶模型实验

1 引言

随着国民经济发展中一些重大工程，尤其是一些大型港口、航道等交通工程和核电工程的相继动工建设，工程爆破技术的作用日益重要。由于爆破完成后期需要及时将爆堆铲装运输，适宜的大块率能够缩短作业周期，减少二次爆破量，节省工程成本，因此爆破块度作为衡量工程爆破质量的主要指标而愈发重要。在深孔岩石爆破中，有多达数十个的因素影响岩石爆破块度，其中包括孔网参数、炸药参数、岩石参数及其力学特征等各种不同类型的因素，它们共同决定了岩体爆破块度，而其中最小抵抗线的大小对爆破后的大块率和平均块度等具有直接影响，因而在爆破参数设计中是一个不可忽略的重要因素。

爆破块度的控制是一项较为复杂的爆破技术，20世纪60年代以来，各国学者细致研究了岩石爆破块度控制技术，对影响爆破块度的因素也进行了大量的研究。马建军等〔1〕建立了一种露天矿多排孔台阶爆破块度计算模型，定量分析了网孔参数和爆破块度的关系；周传波〔2〕通过对现场小台阶模型实验进行相似理论分析,得到了该实验条件下的模型相似律，模型计算结果和工程生产实际吻合较好；成雪纯等〔3〕从岩体结构和孔网参数两方面较详细地阐述了其对爆破块度的影响，为达到控制爆破块度尺寸的目的，提出了应在钻孔前确定岩体主结构面并对孔网参数进行优化设计的措施。目前，对控制爆破块度影响因素的研究已取得一定进展，但是最小抵抗线作为影响爆破块度的一个重要因素，单独将其进行研究的文章仍然鲜见报道。

本文对影响爆破块度的因素进行了分析，利用相似定理得到了小台阶模型实验中的模型相似准则，并以此为依据进行了小台阶模型实验，通过对实验结果的分析得到了最小抵抗线对爆破块度的影响规律，并将结论运用于连云港核电扩建山体爆破开挖工程。

2 最小抵抗线选取分析

在深孔爆破设计中，最小抵抗线是一个非常重要的参数，它直接影响每米钻孔爆破量、抛散距离和块度的破碎效果。根据相关的爆破要求和岩石性质，爆破有关参数(如孔距、排距、填塞长度等)的选取也会随着最小抵抗线的变化受到一定影响。因此，最小抵抗线的选取需要慎重。本文“最小抵抗线”特指深孔台阶爆破的“前排炮孔最小抵抗线”。

在既定的岩体性质、炸药性能、装药结构及特定的起爆条件下，当最小抵抗线变化时，将对爆破质量造成很大影响。郑瑞春等〔4〕曾进行室内砂浆模型实验，系统研究了最小抵抗线对爆破质量的影响规律，研究结果表明：X50(筛下累积率为50%时的筛孔尺寸)随抵抗线的增加呈单调增加。因此，抵抗线不能取太大，以保证取得较好的爆破质量。

规格石料的生产中，有苛刻的级配要求，应当使爆破后的岩块最大化地利用，所以不能按常规的方法来确定最小抵抗线。当最小抵抗线改变时，孔距和台阶高度等参数也随之变化，因此会对爆破块度产生较大影响，进而规格石料的产出和利用率也会受到影响。生产的岩体块度应该满足级配要求中各级岩石块度的占比，此时选取的最小抵抗线是级配要求下的一个范围，可根据模型计算或设计现场小台阶实验进行选取。

3 小台阶模型实验的相似律推导

连云港核电扩建山体爆破工程中，根据现场条件，最小抵抗线取值较小(不超过25 m)，可以忽略重力效应，原型与模型满足几何相似律〔5〕。

3.1 小台阶模型实验中的变量

对爆破块度产生影响的因素主要来自4个方面。

(1)网孔参数。最小抵抗线W，孔距a，孔径d，排距b。

(2)岩石参数。岩石密度ρr，岩石抗拉强度σt，岩石纵波速度cλ。

(3)炸药参数。炸药密度ρb，炸药爆轰速度v，炸药质量q。

(4)起爆时间。延时时间τ。

3.2 影响因素量纲分析

以长度量纲L，质量量纲M，时间量纲T为基本量纲〔6〕，各物理量量纲如表1所示。

表1 变量与量纲

根据相似第二定律，爆破块度线性尺寸x与影响因素的函数关系式为

x=f(W,a,d,b,σt,ρr,cλ,ρb,v,q,τ)

(1)

以v、q、W为基本量纲，式(1)可以写成无量纲形式:

(2)

小台阶模型实验在爆破现场进行，即小台阶模型实验与原型(生产爆破)的岩体情况和爆破条件完全相同，故模型与原型的岩体情况和爆破条件相似，且相似常数为1〔7〕。下标p表示原型，m表示模型。取原型与模型的几何尺寸相似常数为r，则3个基本量纲的相似常数为

(3)

根据模型相似律与相似准则，式(2)中模型与原型的无量纲项应该分别对应相等，可得:

(4)

(5)

(6)

由该模型的相似律式(3)～式(6)可知，实验选定的几何相似常数r，确定了现场小台阶模型实验与生产原型的爆破块度尺寸关系。当所有有关自变量满足上述模型律与相似准则时，原型和模型的爆破块度尺寸满足关系式xp/xm=r。

4 小台阶模型实验

小台阶模型实验在连云港核电扩建山体爆破开挖现场进行，根据模型实验结果为爆破参数的确定提供依据。通过现场小台阶模型实验，选取合适的几何相似常数r，调整孔网参数，获得模型实验爆破块度分布结果，并通过统计回归分析，得到最小抵抗线对爆破块度的影响规律，达到控制大块和获得合适级配的目的，为实际施工提供参考，并获得可供推广的岩石爆破块度控制技术。

4.1 小台阶模型实验参数设置

根据以上相似理论，分析得出了原型与模型的几何相似常数为设定的r值，岩石力学及材料相似常数为1。

连云港核电扩建山体，岩性为含二长浅粒岩和以脉状产出的绿泥石片岩，岩石坚固性系数f=14～18。相关物理力学指标为饱和状态块体密度2 600 kg/m3、饱和吸水率0.68% 、饱和抗压强度123.3 MPa，抗拉强度12.41 MPa，饱和状态弹性模量5.74×104MPa。模型实验按几何常数r=10取值，小台阶模型实验及其原型参数如表2所示。实验采用生产原型炸药,2#岩石乳化炸药，岩石及炸药性能参数如表3所示。

表2 原型与模型爆破参数

表3 原型与模型岩石及炸药性能参数

4.2 小台阶模型实验方案

实验根据实际施工情况，选取双排扇形孔形式进行，孔径40 mm，台阶高度为1.2 m，单孔装药量相同，实验选取最小抵抗线为0.3，0.35，0.4，0.45，0.5 m，取炮孔密集系数m=1.2～1.5，每一种抵抗线进行2次实验，共完成10次模型实验(见表4)。现场实验布置如图1所示。

表4 模型实验参数

4.3 小台阶模型实验结果分析

对每种抵抗线爆堆分布进行筛分统计，并进行统计平均(见表5)。进行一元线性回归，可求出分布参数X0和均匀指数n(G-G-S分布)。爆破块度分布回归结果如表6所示。

图1 现场布置示意图Fig.1 Schematic diagram of the site layout

最小抵抗线W/m块度小于或等于x的岩块体积百分比/%x/cm34568101203035235104612268778598925597100353011450355726510832191789746040265431634198569182209312965904521993510481358117074836891730501540240138964481606077439245

分析实验结果，得出均匀指数n随抵抗线的变化如图2所示，特征块度随抵抗线的变化如图3所示。

由图2可以看出，均匀指数随着抵抗线的增大而变大(从1.54增大到1.99)，说明岩石块度均匀性随着抵抗线的增大而变差,n值越大时，爆破后岩块的超大块数量增多。

表6 双排孔小台阶模型实验块度分布回归结果

图2 均匀指数n随抵抗线的变化曲线Fig.2 Change curve of n with W

图3 特征块度X0随抵抗线的变化曲线Fig.3 Change curve of X0 with W

由图3可知，爆堆特征块度X0均随抵抗线的增大而增大，试验中特征块度从5.36 cm 增大到7.82 cm。X0越大，岩块的平均块度越大；X0越小，平均块度越小。

K50与特征块度具有相似的变化规律(见图4)。K50随抵抗线增大而变大，且当抵抗线大于0.45 m时，K50的值增长更加迅速。

连云港核电扩建山体爆破工程开采出的石料主要在连云港港口使用，需求的规格石料级配繁多，要求严格，比如用于陆域及码头结构建设、港区建设中导流堤和围堤的填筑，对岩石级配有特定要求。同时，海堤填筑作业中，受施工条件的限制，一定时期内，各种规格级配的石料需求强度也不同。由于海岛地形的限制，很难就近找到宽敞平坦的场地，对爆破石料全部进行按级配要求分堆后集中供应，而且岩块的分级、分堆困难也会加大施工成本、延长作业工期。因此，爆破施工必须根据石料级配的需求以及现场具体条件，及时准确地调整爆破参数，尽可能满足实际需求及方案的可行性。根据以上分析，确定连云港核电扩建山体爆破工程的较佳最小抵抗线范围为3.5～4.5 m。爆破后发现爆堆集中，爆破块度大小分布合理，满足级配要求，对爆破块度进行统计,规格石料的爆破成材率相比一期工程提高了23%，取得良好的爆破效果。

图4 K50随抵抗线的变化曲线Fig.4 Change curve of K50 with W

5 结论

(1)应用相似理论，推导深孔岩石爆破中爆破块度与其影响因素的关系，得到了现场小台阶模型试验中的模型相似律。开展的最小抵抗线模型试验结果表明，最小抵抗线对爆破块度影响显著，随着抵抗线的增加，爆堆特征块度和均匀指数均增加，在一定范围内，抵抗线越大，爆破块度越大，而且越不均匀。

(2)强调岩石级配的工程，可适当增加最小抵抗线，而着重于生产成本控制、强调大块率尽可能小的工程，可适当减小最小抵抗线。针对连云港核电扩建山体爆破工程，其较佳最小抵抗线为3.5～4.5 m。

(3)在连云港核电扩建山体爆破工程中，根据小台阶模型试验确定的最佳抵抗线范围设计的爆破方案，使爆破后的规格石料成材率相比一期工程提高了23%，爆破效果良好，可为类似工程提供经验。

〔1〕 马建军，陈付生．露天矿多排孔台阶爆破块度计算模型研究[J]．武汉冶金科技大学学报，1996，19(1)：4-12．

MA Jian-jun, CHEN Fu-sheng. A mathematical model of multihole blasting fragmentation of the open pit bench [J]. Journal of Wuhan University of Metallurgy Science and Technology, 1996，19(1): 4-12.

〔2〕 周传波．现场小台阶模型试验的相似理论分析[J]．爆破，2001，18(4)：4-6．

ZHOU Chuan-bo. The analysis of similarity theory in the model test on field smaller bench [J]. Blasting, 2001,18(4): 4-6.

〔3〕 成雪纯，李泽华，张昌锁．岩体爆破块度控制与工程应用研究[J]．煤炭技术，2015，34(9)：3-5．

CHENG Xue-chun, LI Ze-hua, ZHANG Chang-suo. Research on mechanism and application of blasting fragment size [J]. Coal Technology, 2015，34(9): 3-5.

〔4〕 郑瑞春，马柏令，高士才．爆破参数对破岩质量的影响规律及小抵抗线大孔距爆破机理的探讨(上)[J]．爆破，1987，4(2)：5-10．

ZHENG Rui-chun, MA Bo-ling, GAO Shi-cai.The effect of blasting parameters on rock blasting quality and discussion on mechanism of small resistance line and big deep-hole(Volume I)[J]. Blasting, 1987,4(2): 5-10.

〔5〕 谈庆明．量纲分析[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2005：120-129．

TAN Qing-ming. Dimension analysis [M].Hefei: Press of University of Science and Technology of China, 2005：120-129．

〔6〕 杨亚东，李向东，王晓鸣，等．密闭空间内爆炸缩比相似模型研究[J]．振动与冲击，2014，33(2)：128-133．

YANG Ya-dong, LI Xiang-dong, WANG Xiao-ming, et al. Scale similarity model of internal explosion in closed field [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014，33(2): 128-133.

〔7〕 李海洪，李启月，肖六杏，等．基于相似理论的中深孔爆破参数优选[J]．采矿技术，2009，9(4)：110-111．

LI Hai-hong, LI Qi-yue, XIAO Liu-xing, et al.Optimization of blasting parameters in deep-hole blasting based on similarity theory [J]. Mining Technology, 2009,9(4): 110-111.

Effects of minimum burden on deep-hole rock blasting block size

ZHOU You1, CHEN Zuo-bin2, WANG Jing2, XIE Xing-bo1, WEN Zun-li2

(1.College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China; 2.Nuclear Industry Nanjing Construction Co., Ltd., Nanjing 210003, China)

Aiming at investigating the effects of minimum burden on the rock blasting block size, similarity theory was applied to deduce the relationship between rock blasting block size and its influence factors. The similarity rule was obtained and the model tests of small bench blasting were conducted based on the rule. The effect law of minimum burden on rock blasting block size were obtained through analyzing the tests results, which showed that blasting block size and homogeneity index increased with minimum burden added. It was applied in mountain blasting of Lianyungang nuclear power plant extension engineering, the minimum burden was determined from 3.5 m to 4.5 m, and the rock rolling yield increased by 23% compared with the first stage construction. This design was proved reasonably and it could provide a reference for similar projects.

Minimum burden；Blasting block size；Similarity rule；Model test on small bench

1006-7051(2016)06-0070-05

2016-04-27

周 游(1994-)，男，硕士，从事爆破技术研究工作。E-mail：707166077@qq.com

陈作彬(1973-)，男，高级工程师，从事岩土爆破工程施工与技术管理工作。

TD235.46

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.016