预裂爆破技术在超大断面竖井深孔爆破成井中的应用

徐鹏祖

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450003)

0 前 言

预裂爆破是降低主体爆破对周边岩体破坏、控制爆破边界的有效技术手段。其爆破方法通常在爆破边界控制线上布置密集炮孔，在炮孔内采用不耦合方式装低威力炸药，在主体爆破前起爆形成预裂缝，以降低爆破对边帮的破坏，并为后续的主体爆破提供自由面[1-4]。预裂爆破技术于19世纪70年代起在我国试验推广，并随后在矿山开采、水利工程、道路工程等建设工程中应用。对于预裂爆破机理，国内外学者开展了大量研究，如王胜[5]通过物理模型试验研究，证实预裂爆破裂缝的产生主要源于应力波在相邻炮孔连心线上的拉伸作用；庙延钢[6]观察了预裂爆破中炮孔连心线上预裂缝的动态演化过程，并认为预裂缝首先向炮孔连心线方向发展。在预裂爆破技术应用方面，蒲飞等[7]采用预裂爆破技术实现了岩质路堑高边坡的控制爆破，戴会超[8]则采用预裂爆破技术对三峡大坝开挖爆破边坡和周边围岩实施了有效控制与保护。

在超大断面竖井掘进中，深孔爆破成井技术的成井效率高、作业安全性高，因此得到了极为广泛的推广应用。然而超大断面竖井破顶爆破时爆破规模大，对周边岩体破坏很大。为减少对周边岩体损伤破坏以保护生态环境，本文以吉林省饮马河引松供水工程总干线施工四标段调压竖井掘进为例，将预裂爆破控制技术引入深孔爆破成井的破顶边界控制中，采用数值模拟分析预裂爆破动态过程，并通过精确短延时爆破成井，顺利完成了直径 20 m超大断面竖井深孔爆破成井。

1 预裂爆破作用机理

预裂爆破的作用机理主要有以下两点：

（1）保护孔壁。爆破中边孔采用不耦合装药，当炸药爆炸时，爆炸应力波不会直接作用于孔壁，同时由于空气间隔，当应力波达到孔壁时，其强度值已经大大降低，减少了应力波对孔壁的破坏；同时由于空气间隔，大大降低了初始爆生气体强度，减小了其对孔壁的作用[9]。

（2）相邻孔间裂缝贯通。预裂爆破一般情况下是所有炮孔同时起爆，单个炮孔爆破以相邻炮孔的孔壁作为自由面。在自身炮孔附近产生破碎带，相邻炮孔的应力波在两孔中间区域相遇，进而叠加作用使这部分区域裂隙扩张，当裂隙扩展到破碎带时，预裂炮孔贯穿，此时预裂爆破完成[10]。

2 基于/LS-DYNA的预裂爆破数值模拟

本文建立相邻3孔预裂爆破模型，根据工程实践采用孔间距150 mm，装药直径50 mm，本模拟采用流固耦合算法，即岩石采用拉格朗日算法，而炸药采用欧拉网格[11]。模型的网格划分采用4节点正方形单元，单元总数为 2680个。为消除边界条件对模拟结果的影响，本模型的四周均设置为无反射边界条件。模型中的岩石采用 LS-DYNA中的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，炸药为二号岩石炸药，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。

图1所示为预裂爆破应力波传播过程。由图1可以看出，有效应力波是从药卷中心传出，呈柱状向四周传播（图1中是圆形，因为模型为平面模型）；从图1可以看出，t =26.26 μs时应力波对岩石没有作用，且其峰值远小于爆破时的初始应力，所以可以得出空气对应力波起到了有效的缓冲作用，延长了有效应力的作用时间；t =49.48 μs时应力波开始作用于岩石，并向四周扩展开；由图1可以看出应力波在岩石中的传播，有岩石的阻尼作用，应力波峰值逐渐减小；t =412.17 μs时，应力波传到自由面，此时岩石受到应力波和自由面的反射应力波共同作用；t =780.03 μs时，应力波峰在相邻炮孔中间位置相遇叠加，其叠加峰值为3.962 MPa，大于岩石的最大抗压强度，岩石发生压缩破坏，且在爆炸气体和反射应力波的共同作用下，相邻炮孔裂缝贯穿；t =2001.6 μs时，应力波对岩石的作用结束，预裂裂缝基本形成，所以模拟设置时间 2 ms是合理的。

图1 预裂爆破应力波的传播

由以上分析可以得出，在设计的预裂爆破参数下，预裂爆破裂缝可以形成，并达到预想的预裂爆破效果，所以爆破参数设计可行。

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，井筒形式为简单圆筒式, 在调压井掘进前其下部已提前开挖隧道硐室，如图2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[12-13]。

该调压井工程属于超大断面超深竖井掘进，常规的深孔爆破成井方案根本无法实施完成其高效率掘进。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。最后一次的破顶爆破是将调压井范围内的剩余岩体爆穿，达到调压竖井设计断面，最终完成调压井的掘进。由于该竖井断面太大，破顶爆破的大规模爆破对周边岩体将造成极大的破坏。为使得爆破边界控制平整，同时降低主体爆破对周边岩体的损害，将预裂爆破应用于破顶爆破的周边孔爆破。

预裂爆破孔径为150 mm，炮孔间距为1.0 m，预裂爆破炮孔及装药结构如图3、图4所示。预裂孔数为67个，主体崩矿孔采用5 kg/条的乳化炸药，预裂爆破孔则采用1 kg/条的乳化炸药，为降低爆破振动效应，将竖井周边预裂孔以5孔为一组，组间采用孔外9 ms高精度雷管延时起爆，孔内则采用长延期1950 ms的高精度雷管起爆，破顶爆破后顺利完成了直径20 m、高50 m 的超大断面超深竖井掘进，不仅使得竖井边界控制较为平整光滑，也有效减小了最大段药量并降低了爆破振动危害。

图2 调压井结构

表1 岩石力学参数

图3 预裂爆破孔布置

图4 预裂爆破孔装药结构

4 结 论

为降低大规模爆破对周边岩体损伤破坏以保护生态环境，本文将预裂爆破技术应用于超大断面竖井深孔爆破成井中。首先揭示了预裂爆破作用机理，之后采用LS-DYNA软件模拟了预裂爆破的应力波传播过程。之后以吉林省饮马河引松供水工程总干线施工四标段调压竖井掘进为例，将预裂爆破应用于超大断面竖井深孔爆破成井的破顶爆破中，为降低爆破振动效应，将竖井周边预裂孔以数孔为一组，组间以9 ms延时起爆，不仅不影响孔间预裂缝的形成，也有效减小了最大段药量并降低了爆破振动危害。本文研究结果对大断面高天井掘进工程具有重要的参考价值。