精确短延时爆破成井分层爆破参数研究

徐鹏祖，邱贤阳，史秀志，李必红

(1.中国中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001；2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；3.国防科技大学，湖南 长沙 410073)

0 前 言

天井是一种重要的人行、通风、充填、矿石下溜通道，在国防、民用及矿山等实际工程中广泛应用。由于天井掘进工程量大，如在地下矿山中其工程量约占年掘进总量的 1/4，且施工作业困难、工期长、耗费成本高，天井掘进作为矿山和地下建筑工程中的一项关键技术而备受关注[1]。目前，天井掘进方法主要有普通法、吊罐法、爬罐法、钻井法、深孔爆破成井法等，其中前三种方法均需要天井内部完成掘进工作，不仅作业人员劳动强度大、安全性差，且作业效率低下，而钻井法需要购置昂贵的大型钻凿设备，还需要长时间的施工准备，因国内钻凿技术水平较差，故其推广和应用受限[2-4]。而深孔爆破成井法通过天井全深度一次性钻凿炮孔，分层或一次性装药爆破形成天井，因其成井效率高、成本低廉、劳动强度低等优势而得到极大的推广应用[5-7]。史秀志等[8]研发的精确短延时爆破成井技术，采用电子雷管起爆实施同层药包短延时爆破，使深孔爆破成井技术应用范围推广到超大断面超深天井。在精确短延时爆破成井中，如何提高分层爆破高度进而提升爆破成井效率是其面临的一个关键问题。本文对精确短延时爆破成井的分层爆破高度、层间延期时间等参数展开研究。

1 分层爆破高度研究

精确短延时爆破成井是以多孔球状药包爆破为理论基础，同层药包间的延期时间较短，并不影响其共同爆破漏斗的形成，且能有效降低爆破振动危害[8-9]。在多孔球状药包爆破漏斗形成过程中，分层高度是短延时爆破成井的关键因素。分层高度太小，爆破漏斗体积太小，爆破漏斗深度低，进而造成爆破成井高度不高，爆破效率低下；此外，爆炸能量大多用于岩渣的抛掷，造成爆破块度太碎，粉矿过多。若分层高度太大，则无法形成有效的爆破漏斗，可能出现松动爆破，导致分层爆破不成功，进而影响下一层爆破的实施。

根据爆破漏斗理论[9]，爆破漏斗体积与药包埋深关系很大，要想提高爆炸能量利用率，必须确定合适的药包埋深。通常爆破漏斗体积最大的药包埋深被称为最佳埋深，此时爆破效果最佳，根据最佳埋深得到的爆破成井分层高度为最佳分层高度。根据利文斯顿提出的应变能经验方程，药包爆破的最佳埋深计算公式为：

式中：D为药包最佳埋深；Δ为最佳埋深比；E为爆炸应变能系数；Q为药包重量。

根据计算的药包爆破最佳埋深，亦可计算爆破成井的最佳分层高度：

式中：B为爆破成井最佳分层高度，L为分层装药高度。

2 分层爆破延期时间研究

深孔爆破成井的分层爆破中，下一分层药包爆破后需要为上一分层药包爆破提供自由面和补偿空间。若分层延期时间太短，则上一分层药包爆破时下一分层药包并未完全破碎完成，故其爆破没有充分的自由面和破碎空间，容易挤死而影响爆破成井效果。通常认为最短的分层延期时间必须确保下层药包爆破岩渣在形成临空面后继续向下抛掷一短时间。

因此，最佳分层爆破延期时间可定义为[10]：

式中：T为最佳分层爆破延期时间，t1为新自由面形成时间，t2为下一分层药包爆破岩渣向下运动的时间，t3为下分层药包间的短间隔延期时间。

其中形成新自由面的时间t1包括爆炸应力波传播至自由面再并从自由面反射到药包位置所需时间、扩展形成长度为最小抵抗线的裂纹的时间和形成一定宽度（8～10 mm）的主裂缝的时间：

式中：W为最小抵抗线长度，m；Cp为岩石中P波的传播速度，m/s；Vt为裂纹传播速度，m/s；S为形成贯穿裂隙的宽度，一般为8～10 mm；v0为岩渣移动初速度，通常取25 m/s。

岩体破碎后，爆破的岩渣以一定的初速度做近似匀加速运动，下一分层药包爆破岩渣向下运动的时间t2的计算公式为：

式中：η为岩石碎胀系数，取 1.5；h为分层高度，m。

下分层药包间的短间隔延期时间t3为下分层空间短延期时间的总和，其表达式为：

式中：n为分层短延时分段数；t0为同层孔间短延期时间，s。

3 精确短延时爆破成井技术应用

吉林省饮马河引松供水工程总干线施工四标段调压竖井断面直径为20 m，深度为50 m，为简单圆筒式, 在调压井掘进前，其下部已提前开挖隧道硐室，如图1所示。该调压井地段主要岩性为凝灰质砂岩，岩石力学参数如表1所示。

图1 调压井结构

表1 岩石力学参数

该调压井属于超大断面超深竖井掘进，若采用常规的深孔爆破成井方案，根本无法实施高效率掘进。因此，采用“先导井爆破、次主体侧崩爆破、后破顶爆破”的竖井深孔爆破技术，解决了深孔爆破成井自由面缺乏的技术难题，即在调压竖井中间先行用深孔爆破掘进直径为6 m的导井，之后以导井为自由面实施侧崩爆破和破顶爆破。本文重点关注导井深孔爆破成井的分层爆破参数。导井爆破炮孔布置如图2所示，共布置4圈50个孔，孔间距1.0 m左右，孔径为165 mm。

图2 导井爆破炮孔布置

分层装药高度的确定对于提高爆破成井效率至关重要。每次导井爆破分5层装药，根据公式（3）计算每层装药高度，由于越往上分层爆破夹制性越大，因此下部分层高度大，越往上分层高度越小。导井爆破的装药结构如图3所示，单次爆破成井高度为18 m，第1分层高度为4.5 m，装药高度2.0 m，抵抗线长度2.5 m，第2～4层高度为3.6 m，装药高度1.6 m，抵抗线长度2.0 m，第5分层高度2.7 m，装药高度1.2 m，抵抗线长度1.5 m。

图3 导井爆破装药结构示意

根据公式（4）计算层间延期时间，确定层间延期时间为200 ms，同层孔间延期时间9 ms，采用高精度起爆雷管组成导井爆破起爆网络。经过两次导井爆破、两次侧崩爆破和一次破顶爆破，顺利完成了直径20 m、高50 m 的超大断面超深竖井掘进，爆破成井效果如图4所示。

图4 深孔爆破成井效果

4 结 论

在精确短延时深孔爆破成井中，确定合适的分层爆破参数对于提高爆破成井效率至关重要。首先基于多孔球状药包爆破理论，提出了爆破成井分层高度的计算方法，然后结合爆破岩渣抛掷规律推导了层间延期时间的理论计算公式，并将研究成果应用于东北引松供水工程调压竖井的大断面导井爆破成井。根据理论研究结果，该导井爆破共分5次装药，分层高度高度2.7～4.5 m，层间延期时间为200 ms。最终，成功实现了大断面天井的高效率掘进，研究结果对其他类似工程具有重要的参考价值。