新型聚能管在边坡预裂爆破中的研究与应用*

林 飞

(中煤科工集团 淮北爆破技术研究院有限公司，淮北 235000)

岩体开挖爆破工程中既要保证开挖岩体充分破碎，更要确保被保护岩体的破坏程度最小[1]。边坡的稳定性一直是困扰露天开挖工程的一个重要问题，爆破危害是影响边坡稳定的一个主要原因[2]。我国的许多矿山、道路边坡采用普通预裂(光面)爆破技术[3]，靠帮爆破后，对边坡造成不同程度的损伤，在被保护一侧的岩体侧壁形成许多微裂纹；爆破产生的振动使得先前爆破形成的微裂纹不断发展，随着时间推移，岩体发生松动破裂，造成边坡坍塌[4]。永嘉县垃圾焚烧发电厂边坡工程中采用的新型聚能预裂爆破技术，提高了边坡一次成型效果，提高了炸药能量利用率和眼痕率、减小了主爆区对边坡岩体的震动危害。

1 工程概况

工程位于浙江省温州市永嘉县绿色动力再生能源有限公司厂区东侧及北侧，由于公司提升改造，进行厂区扩建，需将厂区东侧及北侧部分山体进行开挖清除。

开挖山体周边环境复杂，距待爆山体北侧15 m处为永嘉县垃圾焚烧发电厂厂房、栈桥和油库(爆破施工前移除)，距待爆山体东北侧72 m处为厂房和排水渠道，厂房地下有部分预埋工业水管，距待爆山体西侧63 m和98 m处为虹三线县道和S26诸永高速公路，距待爆山体西南侧22 m处为公司办公大楼，距待爆山体南侧9 m处为工程项目部办公楼，如图1。

场平工程中存在大量边坡坡面开挖，开挖山体主要由上侏罗统九里坪组(J3j)强-微风化含角砾晶屑熔结凝灰岩组成，地质条件复杂，成型困难，最大开挖边坡走向长度330 m，最大坡长12.5 m，开挖坡比1∶0.3～1∶1，对开挖面要求高于规范要求。边坡横、纵断面设计如图2和图3所示。

2 新型聚能管设计及现场试验

2.1 新型聚能管设计

聚能效应原理：聚能药包爆炸后，爆轰产物沿近似垂直于药柱表面方向扩散，由于聚能穴的作用，爆轰产物先向空穴轴线位置聚集，形成一股高压、高速、高密度的爆轰产物，即聚能气流[5]。由于聚能气流的高能量密度效应[6]，使炸药的做功效率提高。

聚能气流对孔壁做功，在聚能管聚能穴方向产生较大裂缝，炸药爆炸产生的压缩波、反射波对孔壁裂缝保持持续的压力破坏，爆炸产生的爆生气体持续反复地在炮孔内做功，渗入裂缝中，使聚能槽产生的裂缝持续扩大，进而形成更大更长的裂缝[7]。根据这一原理，设计了一种聚能管，在管内装入乳化炸药，聚能管的基本结构为圆筒形，聚能管的对称两侧制作相同尺寸的聚能穴。

聚能管采用抗静电阻燃的PVC材料，横截面成双弧形轴对称结构，炮孔内不耦合式装药，聚能管直径长40 mm，聚能管槽内角距离32.2 mm，壁厚3.5 mm，聚能管外角度56°，聚能管长2000 mm，距离管两端80 mm处分别设计直径为4 mm的套管孔，聚能管在炮孔内通过套管孔连接固定，管壁外侧间隔敷设25 mm的泡沫使聚能管在炮孔内处于置中状态，如图4所示。

2.2 现场试验

根据永嘉县垃圾焚烧发电厂边坡工程现场实际情况，爆破试验的部位选定在四级边坡位置，该部位为弱风化岩石，边坡预裂爆破区域宽阔，边坡坡面较长，有利于进行分区分块多组试验和观测边坡预裂爆破效果。

永嘉县垃圾焚烧发电厂边坡预裂爆破是采用φ90潜孔钻机按爆破设计钻出预裂炮孔，然后间隔装药进行预裂爆破，同时做好爆破后预裂缝的观测以及半孔率的计算，爆破参数如表1所示。

表1 传统预裂爆破爆破参数Table 1 Blasting parameters of traditional presplitting blasting

使用新型聚能管进行预裂爆破时，首先在新型聚能管外侧安装置中泡沫，将药卷与导爆索贴紧后装入聚能管，使炸药在聚能管中保持为耦合状态，然后通过套管将聚能管连接，依次送入炮孔，最后聚能管上端套管孔加设对中装置，将聚能管的聚能穴方向与边坡方向平行，并与相邻炮孔聚能穴中心保持在一条直线上[8]，现场爆破试验如图5所示。

为和传统预裂爆破形成对比，聚能管炮孔深度、孔径、炮孔角度等参数与传统预裂爆破钻孔参数相同，最后进行预裂爆破，同时做好爆破后预裂缝的观测以及半孔率的计算，爆破参数如表2所示。

表2 采用新型聚能管的边坡预裂爆破参数Table 2 Presplitting blasting parameters of slope using the new shaped energy gathering tube

2.3 试验结果对比及分析

边坡预裂爆破的效果主要从预裂缝的成缝效果和开挖之后边坡的平整度和半孔率等方面进行评价[9]。通过多次爆破试验，相同地质条件，采用新型聚能管的预裂爆破与传统预裂爆破的爆破效果对比如下。

2.3.1 边坡及预裂缝成缝效果

采用新型聚能管的预裂爆破和传统预裂爆破成缝效果如图6和图7所示，传统预裂爆破预裂缝过大，对预裂炮孔顶部岩体的造成了一定的破坏，这是由爆破漏斗引起的，开挖后边坡出现了垮塌、溜肩现象。采用新型聚能管的预裂爆破，预裂缝沿炮孔中心线贯穿，预裂缝宽度为8 mm左右，符合《GB50201—2012土方与爆破工程施工及验收规范》规定的正常尺寸标准；边坡开挖后，未出现边坡垮落、溜肩现象，说明采用新型聚能管的预裂爆破对预留岩体破坏作用小，有利于边坡工程中窄马道的保留。

2.3.2 边坡坡面的平整度和半孔率

从边坡坡面平整度来看，其平整度均小于《GB50201—2012土方与爆破工程施工及验收规范》中规定的15 cm限值[10，11]，符合验收规范要求；通过比较，采用新型聚能管的预裂爆破边坡平整度要优于传统预裂边坡，坡面更平顺，可活动碎石较少，如图8和图9所示。

坡面半孔率采用《GB50201—2012土方与爆破工程施工及验收规范》的计算公式

(1)

式中：l0为检验区域残留炮孔长度总和；L0为检验区域预裂炮孔长度总和。

通过计算传统预裂爆破后的边坡半孔率η1=48%，采用新型聚能管的预裂爆破后的边坡η2=85%，采用新型聚能管的预裂爆破边坡半孔率远高于传统预裂爆破。

通过试验对比，在相同边坡预裂长度的前提下，采用新型聚能管的预裂爆破，增大边坡预裂孔孔距增大，降低单孔药量，降低了边坡施工成本，取得了优于传统预裂的爆破效果。边坡平整度和半孔率成果如表3所示。

表3 边坡平整度和半孔率成果表Table 3 Formula of slope flatness and half porosity

3 结语

采用新型聚能预裂爆破技术对永嘉县垃圾焚烧发电厂边坡工程进行预裂爆破对比试验，获得如下结论：

(1)依据聚能原理设计的新型聚能管能够控制炸药能量作用于预裂缝方向，采用新型聚能管装药，在减少钻孔数量和炸药使用量的同时达到了更好的预裂爆破效果。

(2)由于新型聚能管装药作用效应的方向性，爆破后预裂缝沿炮孔中线贯穿、裂缝小且坡面更平顺、可活动岩石较小，成缝效果好，能够成倍提高半孔率。

(3)新型聚能管的使用能够有效地降低边坡施工成本，经济效益显著，可以将此技术推广到其他工程应用。