间隔不耦合装药结构形式及特点分析

康永全，薛 里，孙崔源，郭云龙，孟海利

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

装药结构设计是爆破技术方案中的基本组成部分，也是施工中控制爆破危害、改善爆破效果的主要技术手段。《爆破安全规程》(GB 6722-2014)中未对装药结构进行术语解释[1]，而在中国爆破行业协会团体标准《爆破术语》(T/CSEB 0007-2019)中给出的定义[2]为“炸药在炮孔内的布置形式”，可具体理解为炮孔内药卷与药卷之间位置、品种和形状的关系。钻孔爆破中，通过选用合理的装药结构方式和装药参数，改变药卷周围不同性能的传爆介质，可以有效控制炸药爆炸能量的释放、分配和作用过程，从而达到提高爆破效率、控制有害效应、降低爆破成本的目的。因此，为达到理想的精细爆破目标，进行装药结构优化设计越来越重要。

1 结构形式及应用范围

1.1 按装药品种划分

目前大多数工程中使用的主装药是具有相同密度的同一种炸药，称为单一装药结构。与之不同的是在同一炮孔内装入不同种类的炸药或不同密度的同类炸药，称为混合装药结构，适用于炮孔内岩石性质差异较大的露天深孔爆破。例如，在炮孔深度方向节理裂隙较发育或抵抗线较小的部位装填低密度、低爆速的炸药，可有效避免岩石过度粉碎，爆破能量超限而产生飞石。工程实践中的一部分飞石事故主要是未提前探明前排炮孔沿轴线的抵抗线变化情况或破碎程度，因此，在台阶爆破临空面凹凸不平或钻孔角度出现偏差导致抵抗线过小的情况下，应采用混合装药结构。

1.2 按装药位置划分

1)按药卷与炮孔在径向的关系，装药结构可分为：①耦合装药，炸药直径与炮孔直径相同，炸药与炮孔壁之间不留间隙，如散装药或现场混装炸药，其特点是将炸药爆炸能量大部分作用于岩石孔壁介质，利于开挖岩体的充分破碎，主要应用于边坡开挖主爆孔和现场混装机械化装药作业；②不耦合装药，炸药直径小于炮孔直径，炸药与炮孔壁之间留有间隙，炮孔直径与药卷直径之比称为不耦合系数D。间隙内可充填空气或其他柔性材料，利用传爆介质的缓冲性能，达到降低孔壁爆炸峰值压力、保护围岩的效果，主要用于光面(预裂)爆破、缓冲爆破、护壁爆破等轮廓控制爆破施工中。

2)按药卷在炮孔中轴向的关系，装药结构可分为：①连续装药，炸药自孔底向孔口形成一定长(高)度连续药柱的药卷形式[2]。这种装药方式施工简单，适用于隧道掏槽孔爆破以及岩性条件比较均匀的深孔爆破；②间隔装药，也称不连续装药(也有人把间隔装药称为轴向不耦合装药)，装入炮孔中的炸药被分开成若干段，各段炸药之间用材料或装置隔开，形成一个非连续药柱的装药形式。可以采用空气、水或其他柔性材料实现药卷在炮孔中分段间隔，这种装药结构不连续的药卷一般设置成同时起爆，使爆炸能量沿轴线分布更加均匀，从而改善破碎效果，形成规整的开挖面，主要用于光面(预裂)控制爆破。

1.3 按药包形状划分

为了精确控制光面爆破岩石断裂方向，基于聚能爆破理论，提出了聚能药包定向断裂控制爆破方法，其原理是利用聚能空心柱或开一定宽度的切缝管，控制爆炸应力场的分布和爆生气体对介质的准静态作用，实现爆轰产物的能量聚集，从而沿设计轮廓线形成定向裂纹，精准控制爆破面成型规整。实现聚能效应的方式有两种：一种是将药包直接加工成聚能药包；另一种是将炸药装入带有聚能穴结构的装药装置，例如，隧道掘进聚能水压光面爆破装置是利用注药枪将乳化炸药注入由两个“M”形半壁管组成的聚能管中，“M”半壁管顶部中央向内凹陷形成聚能槽[3]，此外，还有“C”型、“Ω”型等型式的聚能管[4]。

2 常用装药结构的功能及特点分析

将炮孔中药卷的品种、位置、形状进行变换组合，可获得多种装药结构设计形式，以满足不同爆破功能需求。目前较为常用的装药结构为间隔装药和不耦合装药。

2.1 间隔装药

间隔装药的填充物在炸药爆炸时属于传能介质，其特性影响到爆炸产物对岩体的破坏作用，所以应根据工程要求和填充物的特性选择填充材料，通常情况下为空气、水或其他柔性材料。与连续装药相比，采用间隔装药有以下优点：提高装药高度，改善填塞段的破碎效果；避开岩体薄弱部位，防止爆破气体过早逸出，避免飞石事故；减少炸药使用量，降低爆破成本。

2.1.1 空气间隔装药

间隔装药空气层的存在产生的主要影响为：可以激发二次应力波，对岩体进行二次破坏作用；应力波峰值明显降低；延长了应力波作用时间，即将炸药爆炸能量由集中爆发的方式调整为缓慢均匀释放的过程。因此，空气间隔装药可以有效调节炸药能量的分布，提高爆破效果。

空气间隔装药一般空气层设置在中部，首先应保证孔口良好的填塞长度和质量，采用空气间隔器、BJQ气体间隔器或两端封堵的PVC管等装置实现中部空气间隔，由于存在两个相对冲击波阵面的相互叠加，沿轴向整个孔壁周围的岩体得到较均匀破碎，且不致造成过度粉碎而产生飞石。

空气层的位置确定后，空气柱长度(轴向不耦合系数)是空气间隔装药的关键，其合理与否直接影响光面爆破效果。王凯等[5]通过建立露天深孔爆破三维模型，对不同空气间隔比例下炮孔的冲击压力进行分析，认为最优的空气间隔比例为17.5%。梁瑞等[6]通过5种不同空气柱长度的数值分析，从减小炸药段附近单元有效应力以及保证空气柱中部裂缝贯通的角度出发，认为隧道光面爆破较为合理的轴向不耦合系数为3.5～4.5。由于爆破施工场地条件、炸药性能、爆破参数千差万别，难以用理论公式精确计算最佳的空气间隔长度，实际应用时，可根据施工条件，按照工程类比、数值分析、理论计算等方法为不同施工现场空气柱的长度提供参考值，并通过现场试验确定最佳比例范围。

2.1.2 水间隔装药

水间隔装药也称为轴向水介质不耦合装药，与空气相比，水作为传能介质有以下特点[7]：水的可压缩性比空气小，在一般压力下，水几乎是不可压缩的，水本身消耗的变形能小得多，能够更好地传递爆炸能量，减少无用功消耗；孔口布置的水袋相当于炮泥，具有一定的堵塞作用；炸药在水中爆炸后爆生气体的膨胀速度比空气中慢得多，爆炸冲击波作用的强度高、时间长、惯性大，水中爆炸压力能均匀和平缓地作用在周围介质上，使介质破碎较均匀。例如，梯恩梯炸药爆轰时其爆轰波压力约为14 000 MPa，在空气中形成的空气冲击波初始压力不超过80～130 MPa，而在水中形成的水中冲击波初始压力比爆轰波压力仅小30%～35%，可达10 000 MPa以上。水间隔装药不仅能够有效控制爆破振动、空气冲击波、爆破飞石，减少爆破有害气体的生成量，还利于提高光面爆破、预裂爆破的成型质量。

在隧道爆破中，利用水作为传能介质的应用技术有：掏槽孔、辅助孔采用节能环保水压爆破技术(见图1)；周边孔采用聚能水压光面爆破技术(见图2)。

图1 水压爆破装药结构Fig.1 Charge structure of water pressure blasting

图2 聚能水压光面爆破装药结构Fig.2 Charge structure of cumulative water pressure smooth blasting

节能环保水压爆破装药结构设计可选用直径35 mm，长度200 mm，袋厚0.8 mm，容水量160 ml的水封塑料袋；炮孔底部水袋长度L1取1～2卷药卷长度；装药长度L2取常规爆破装药总长度的80%左右；炮孔上部水袋长度与炮泥长度合适的比例为3/4。与常规爆破相比，节能环保水压爆破，爆破进尺增加12.5%，炮孔利用率提高11.5%，节省炸药23%，提高了施工效率，改善了施工环境，具有显著的经济和环保效益[8]。

将聚能爆破和水压爆破相结合，用于隧道周边孔光面爆破，形成聚能水压光面爆破技术，其装药结构的优化是由聚能管替代了常规光面爆破炮孔中的药卷和导爆索，通过聚能管的聚能作用使其最大压力作用于所要求的劈裂面(预裂缝或光爆面)的方向。聚能水压光面爆破装药流程为：炮孔最底部填装一个水袋，水袋必须装到炮孔最底部，不能留有空隙；然后装填聚能管装置，聚能管取炮孔深度的70%，聚能管装置要紧挨着炮孔最底部水袋，聚能槽要与轮廓面一致；然后再装填两袋水袋，最后用炮泥填塞(见图2)。与常规光面爆破相比，聚能水压光面爆破具有明显的节约成本优势，周边孔数量减少50%，钻孔时间减少30 min，成型效果好，爆破成本降低30%以上[9]。

2.1.3 柔性材料间隔装药

炮孔底部柔性材料间隔装药是在炮孔底部设置一定厚度的柔性垫层，根据炸药和岩石波阻抗匹配原理，利用柔性垫层的缓冲吸能特性，对爆炸冲击波进行强反射弱透射处理，大大降低传入炮孔底部的冲击压力峰值，从而减少对孔底岩石的破坏，这种装药结构已被广泛用于孔底以下基岩需要保护的水利水电工程和核岛开挖工程中，柔性垫层可用锯末、泡沫材料或高阻抗材料做成。复合消能爆破在白鹤滩水电站坝基开挖中的应用表明[10]，炮孔底部岩体的爆破振动降低幅度达30%以上，最大能达到56.5%，可有效降低孔底爆破损伤范围，平整度、超欠挖合格率达到93%以上。

2.2 径向不耦合装药

径向不耦合装药是利用居中器将药卷置于炮孔中心位置，在隧道工程中，通常采用导爆索将药卷串联，然后捆绑于竹片上制成“药串”。空气不耦合介质对爆破过程的影响为：爆炸瞬间产生的作用力首先要通过炮孔和药卷之间的空气间隙缓冲后再作用于炮孔壁面上，进而大幅降低了作用在孔壁上的冲击波峰值压力；同时，空气被压缩和膨胀的过程，增加了爆生气体的作用时间。因此，不耦合装药的作用为：一是改善炸药能量用于破碎或抛掷岩石能量的比例，提高炸药能量的有效利用率；二是能有效保护爆破时形成的新自由面；三是降低爆破振动强度。

研究表明：孔壁上切向应力最大值与不耦合系数呈指数关系，因此，确定最佳不耦合系数也就是选择合适的药卷直径至关重要。所谓最佳不耦合系数，是指经空气介质削减后孔壁压力既不造成岩石过度粉碎，还能保证有足够的能量破碎、松动直至抛掷岩体；药卷直径还应满足起爆时临界直径的要求，要确保炸药能很快达到稳定爆轰[11]。根据传爆介质性质的不同，常采用空气或柔性材料实现径向不耦合。

2.2.1 空气不耦合装药

在深孔台阶爆破中，根据炮孔各部位夹制作用(爆破阻力)的不同，装药底部采用耦合装药，装药长度取1.3倍底盘抵抗线，装药上部采用不耦合装药，不耦合装药的线装药密度q2可以取底部装药线装药密度q1的0.4～0.6倍，既保证了底部的爆破效果，又节省了炸药用量，其装药结构和参数分别如图3和表1所示。由此可以算出当采用底部耦合装药、上部不耦合装药时，不同炮孔直径上部不耦合装药段的药卷直径，在实际应用中，采用乳化炸药药卷时，底部耦合装药段可将乳化炸药药卷弱化后在底部充满炮孔。

图3 深孔爆破装药结构Fig.3 Charge structure of deep hole blasting

表1 上部不耦合装药药卷直径的选择

对于隧道光面爆破不耦合系数，可根据下列公式计算[12]：

(1)

式中：D为不耦合系数；db为炮孔直径，cm；de为装药直径，cm；a为爆生气体分子余容系数，a=0.395；p0为爆生气体初始压力；[σc]为岩石三轴抗压强度；r为绝热指数。

理论与实践证明，周边孔控制爆破不耦合系数在1.5～2.0范围内时[13]，缓冲作用较佳。隧道钻孔直径大都为42 mm，常用的2#岩石乳化炸药成品药卷直径为32 mm，此时不耦合系数为1.31，所以施工现场在无光爆专用炸药的情况下，应进行周边孔装药结构改进。

2.2.2 柔性材料偏心不耦合装药

目前，在岩石开挖应用光面爆破技术时，其装药结构大多数都是偏心不耦合装药，药卷并非位于炮孔中心，这种偏心效应如果利用得当，可以有效引导爆炸能量用于破碎开挖岩体(见图4)。泡沫材料不耦合装药结构的要点是利用柔性泡沫材料良好的冲击防护性能，最大限度地降低对预留保护围岩的爆破损伤，适用于隧道光面护壁爆破施工，可实现周边孔装药一致化、简便化、预制化[14]。根据点不耦合系数的定义，即孔壁某点与药卷中心的连线长度与该连线药卷长度之比，图4中装药结构最大点不耦合系数可达3.79(PVC管径38 mm，药卷直径32 mm)。由爆炸力学和应力波透反射理论，对于开挖侧，爆轰产物直接作用于孔壁，发生一次透反射，透射系数T1=1.37，对于护壁侧，爆轰产物先作用于泡沫材料，再作用于孔壁，经过两次透反射，透射系数T2=0.4，作用在开挖侧和护壁侧的孔壁压力相差3.4倍(泡沫材料和岩石参数如表2所示)，较好实现了破碎和保护的爆破目标。

图4 泡沫材料不耦合装药结构Fig.4 Structure of foam decoupling charge

表2 泡沫材料和岩石参数

3 结语

随着精细爆破理念的提出和践行，对爆破效果的预设目标提出了更高要求，而影响爆破效果的因素有很多，比如炸药性能、装药结构、爆破条件、地质条件等，其中调整装药结构是一种简单、有效的技术途径，爆破技术人员应重视炸药性能和岩石性质相匹配以及装药结构科学化的设计研究，对降低爆破成本、提高施工效率具有重要的实际意义。