不同类型分段装药爆破技术应用

王园园，康 强

(1.贵州建设职业技术学院， 贵州 贵阳 551400；2.保利贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州 贵阳 550002)

0 引 言

分段装药是岩石爆破不耦合装药的一种形式，是轴向不耦合装药的另一种称呼。分段装药本身又分为使用气囊等空心或柔性介质分隔的空气间隔装药、使用水间隔的水耦合装药以及泥沙等惰性介质充填分隔的普通分段装药。分段装药在爆破工程中的应用目的主要包括改善爆破效果、控制爆破飞石、降低爆破振动效应等。从原理上，分段爆破的作用机理因类别而有所区别，主要包括空气层的蓄能效应、上下分段装药作用的叠加效应、流体介质的蓄能与能量传递效应、不同位置分段延期爆破形成新自由面，等等。显然，以上作用机理的影响规律是迥异的，受到地质条件、工程需求等因素的影响制约，各种类别的分段装药都有其各自适用的条件。从施工角度来看，由于需要选用合适的间隔材料、增加作业环节，几种类别的分段装药都会不同程度的增加施工准备与装药施工阶段的工作量。分段装药相比普通的连续耦合装药，在减少装药量的同时增加了设计需要考虑的参数，这意味着在应用分段装药时，必须充分利用分段装药的正面作用，以克服装药量减少导致的破岩能量的减少，因此，爆破设计与优化的难度会有显著的提高。

分段装药具有的优点与缺点，决定了分段装药的应用对技术与施工人员的要求相比普通装药更高，并且只有在确保其减少装药及增效降害的综合效益超出增加的材料与人工成本时，该技术的使用才具有合理性。

分段装药在工程实际中的应用广泛，是预裂/光面爆破、沟槽爆破、巷道掘进爆破等爆破的常用手段，相关的研究也较多。宗琦[1]提出深孔爆破可以采用分段装药克服深部岩体的夹制作用，利用上下段毫秒延期上段先爆形成的自由面改善下段装药的爆破效果。高毓山[2]制作了可用于水孔间隔的间隔装药专用气囊，并在本钢南芬露天矿进行了干孔与水孔的空气间隔装药试验，表明中部空气间隔具有改善爆破质量的作用。刘红岩[3]研究了岩粉、水、空气3种不同介质对分段装药振动效应的影响，研究表明水介质的振动最强烈而空气介质的振动最小。王林[4]试验研究对比了几种不同介质分段装药与连续耦合装药的破碎效果，认为相同装药量分段间隔装药优于连续耦合装药，且以水间隔破碎效果最佳。李瑶[5]采用混凝土模型爆破试验分析了空气间隔装药参数对爆破破碎效果的影响作用。吴亮[6-7]使用仿真技术分析了不同起爆方向等因素对空气间隔分段装药的应力场分布、损失范围等的影响作用。罗开军[8]在兰尖铁矿试验研究了使用空气分段装药时的孔间孔内合理延期间隔时间，结果表明，孔内分段相比普通孔间延期可进一步减少爆破振动强度26%～43%。赵明生[9]采用数码雷管在复杂环境中实践孔内分段装药爆破，实现了对爆破振害的有效控制。陈春晖[10]在紧邻跨长江大桥的水下爆破作业中运用了分段装药技术控制爆破振害。

由以往的研究可以看到，分段装药的应用具有多样性。不过，目前对于各类分段装药的适用性与选择缺乏研究。本文基于多项工程施工实践经验，分析了在多种地质条件下适用的分段装药技术以及技术应用的要点，研究成果可以为分段装药爆破的现场施工提供指导。

1 分段装药技术适用范围

1.1 分段装药应用目的

分段装药技术的应用主要是为了达成某些工程目标，或者作为一些爆破类别的常规技术手段，可以归纳为以下几种适用类别：

（1）改善爆破效果与降低成本。利用分段装药延长爆生气体作用时间、提高装药高度等效应改善爆破块度分布、减少大块、减小装药量，通过减少炸材费用、铲装运输增效等降低施工综合成本。

（2）减小爆破振动。分段装药可以显著减小爆破单段药量，减小震源强度，从而实现对爆破振害的主动控制。

（3）降低破坏效果。光面爆破、预裂爆破需要控制爆破压力，实现的方法包括采用低威力炸药与不耦合装药，实际当中主要采用的是不耦合装药，利用不耦合减少药量与不直接接触孔壁控制爆破效果。

1.2 各类型分段装药特点

不同类型的分段装药由于作用机理的区别而具有不同的特点：

（1）惰性介质分段装药。使用泥沙、岩屑等惰性介质分隔的分段装药，每段装药爆破作用效果都与普通的连续耦合装药相同。由于减少了装药量，且并不具有空气、水间隔延长爆破作用时间的特点，因此该种类型分段装药需要合理设计孔网参数与孔间、孔内的延时间隔，使先爆区域可以为后爆区域提供有效的新自由面，依靠自由面条件的改善提高效果。普通分段装药与一般的连续耦合装药，增加了一个隔层堵塞与额外的起爆药包制作工序，施工工作量略有增加。分段间延期爆破，有良好的降振效果。

（2）空气间隔装药。主要依靠空气隔层的蓄能作用与分段装药在隔层处的叠加作用，改善爆破效果。蓄能作用与爆生气体、隔层空气作用时间有关，因此会受到岩体孔隙的影响。为了形成空气隔层，空气间隔装药施工需要采用间隔材料形成空心结构，并隔绝上下装药。在使用混装炸药的条件下，为了隔绝具有流动性的混装炸药，对间隔材料要求更高。相同单段药量下，爆破振动比惰性介质隔离的分段装药更小。

（3）水间隔装药。使用水作为间隔介质，除水孔条件下的应用外，需要用专门的材料储水，是分段装药中研究与应用最少的类型。由于水的蓄能传能效果优于空气，因此，在几种分段装药方法中，爆破破碎效果最好，但是另一方面，爆破降振效果也最小，施工工作量最大。

1.3 分段装药适用判断

工程是否适用分段装药以及适用何种类型分段装药方法，主要可以考虑以下方面：

（1）地质条件。地质条件对分段装药的爆破效果有显著影响。岩石爆破的主要破岩机制是应力波作用与爆生气体作用，这两种作用都与装药量有关，装药量越大，应力波强度越高，爆生气体量越大。岩体越破碎，应力波由于结构面阻隔的有效作用范围越小，爆生气体由于裂隙泄能而作用时间减小。空气间隔分段装药中介质的蓄能作用同样会由于介质由裂隙泄能而无法发挥作用。水介质受到的影响较小，尤其是水孔条件下利用炮孔内部原有的地下水的装药爆破。因此在裂隙岩体条件下不适合采用空气间隔装药。

（2）设计与施工人员水平。分段装药设计需要基于实际效果优化装药长度约位置，并合理设置孔间孔内延期时间，对项目技术人员要求较高。分段装药施工比普通装药繁琐，施工精细度要求更高，要求现场施工人员愿意接受新技术并能认真施工。在人员技术水平不足时不适宜采用分段装药。

（3）降振需求。复杂条件下爆破振动安全要求严格难以达标时，可采用上下段齐爆的空气间隔装药，或上下段顺序起爆的惰性介质分段装药。

2 不同类型分段装药应用

2.1 分段装药设计

大多数情况下的分段装药均是分为2段，主要需要考虑参数是间隔层的位置与间隔层大小。

由于孔口部分接近自由面，孔底部分则远离自由面具有较大的夹制作用，分段装药间隔位置主要包括上下等长与上短下长的形式且后者使用为多。上短下长分段下，孔底具有更大的装药量。同时，由于上段装药量小于连续耦合装药，炮孔堵塞长度可以基于试爆试验数据合理减小，以改善孔口的爆破效果。根据文献[11]上段装药与下段装药比值可取0.6～0.7，具有较好的爆破效果。

空气、水间隔装药的间隔层长度越大，装药量越小，爆破压力越低，而爆破有效作用与有效爆破压力作用时间相关，因此间隔层长度不能过大。空气间隔装药相关研究较多，空气间隔装药不同观点的间隔比例（间隔段与总装药长度比）主张参数如表1所示[12]。

表1 空气间隔装药不同主张参数

表1给出的推荐比例普遍较大，这与其使用的孔径有关，大孔径下爆破压力值更大，因此有效间隔层长度也更大。根据在贵州、新疆等地的工程实践经验，对于90～110 mm孔径装药，本文建议空气间隔装药间隔比例不宜超过20%，水间隔装药间隔比例可取30%。

惰性介质分段装药的间隔层没有延长爆破压力作用时间的效果，间隔层主要作用是封闭下层爆生气体延长作用时间，因此间隔层长度需适中，过短下段装药易提前泄能，过长会减小孔底破碎效果。在实际中，90～110 mm孔径应用效果较理想的取值为1.0～1.7 m。

2.2 孔网设计

从相关研究[6-7]及工程实践效果看，相比连续耦合装药参数，由于峰值压力减小，分段装药的有效破碎区域略有降低，因此在采用分段装药时宜适当加密孔排距，有利于克服装药量减少的负面影响，总体可以取得更好的爆破效果。

2.3 延期时间

分段装药的孔内延期有上下段齐爆与上下段顺序起爆两种类别。两段齐爆有利于上下段爆轰波与应力波在中部间隔层处的叠加破坏作用，主要用于空气、水介质间隔分段爆破。上段先爆有利于改善下段自由面条件，是惰性介质分段爆破的起爆方式。

空气、水介质分段装药由于采用单孔齐爆，因此可以适用一般爆破的孔间起爆顺序。惰性介质分段装药，在全部炮孔采用相同装药结构时，需同时考虑孔内孔间延期，使先爆与后爆炮孔的上下段起爆时间有利于改善后爆区域的自由面条件。以相邻2炮孔爆破为例：先爆孔上段先爆，然后先爆孔下段与后爆孔上段齐爆（或后爆孔上段先起爆后爆孔下段后起爆），最后起爆后爆孔下段装药。

本文根据工程实际经验，惰性介质分段装药的孔内起爆延期时间可取25 ms。导爆管延期误差影响较大，宜采用具有高精度的电子雷管施工。

3 结 论

在合理使用的条件下，分段装药爆破是工程爆破项目降害增效可以采用的一种有效、低成本，而且推广使用相对简单的技术工具，进一步的研究与推广有利于爆破技术的精细化发展。