聚能爆破技术在岩巷掘进中的应用

2020-12-02荆东旭

工程技术研究 2020年19期

荆东旭

（福建海峡科化富兴建设工程有限公司，福建福州 350001）

聚能爆破技术是一种先进的爆破技术，在引爆过程中能够通过对炸药能量释放方向的控制，控制爆破对周边岩石产生的扰动。传统的爆破技术下，如果隧道周边为相对松散的岩层，在隧道的施工过程中隧道轮廓面会面临超挖、欠挖等风险。从技术原理与应用效果来看，聚能爆破的技术优势更为突出，不仅能够保障隧道轮廓面的平整性，还能够最大程度上实现对周边围岩的防护，为隧道施工创造相对安全的施工环境。因此，聚能爆破在岩巷掘进中的应用优势明显。

1 聚能爆破技术概述

聚能爆破技术主要是以聚能效应为基础，在炸药爆炸的过程中药包一端存在聚能穴，此聚能穴的存在会使得在药包爆炸的过程中能量在聚能穴中加以集聚，进一步降低炸药聚能对周边的破坏作用。根据这种聚能效应，当药包爆炸以后，爆轰产物会在近似垂直于药包表面方向的位置逐步向四周扩散，这种情况下，有效降低了爆炸能量的破坏力。此外，在药包一端还存在有锥形轴对称空穴，在药包爆炸的过程中爆轰产物会首先在此空穴轴线位置处聚集，这种聚集现象会使得在该处形成具有高速、高压与高密度的聚能气流，且聚能气流的能量密度很高，进而使得其定向做功的能力进一步提升，有效实现了爆炸破坏作用的方向控制[1]。

在一些隧道工程的聚能爆破技术应用过程中，常常会应用BTC聚能管控制爆裂方向技术来最大程度上降低爆破能量的威力。在隧道轮廓线以内的位置，进行施工炮孔的布设，采用双向聚能管装药，保持聚能方向与隧道轮廓线处于相切状态。在这种情况下，无序爆破的状态能够在聚能瞬时抑制与导向作用下被打破，然后在两个特定的方向上产生高能流，进而产生集中的张拉应力，使得爆破能量能够达到定向释放与控制的目的[2]。如果在爆炸的过程中，爆轰压力大于岩体本身的抗拉强度，这时爆轰压力就会与轮廓线方向保持一致，最终在岩体上产生定向扩展的裂隙，有效实现断裂爆破。综上，应用这种聚能爆破技术，爆破对于周边岩体产生的不利影响相对较小。BTC聚能管爆破裂隙如图1所示。

2 聚能爆破装置

图1 BTC聚能管爆破裂隙示意图

在隧道工程岩巷掘进的过程中，要发挥聚能爆破装置的作用，施工企业需从自身的实际情况着手，进行聚能爆破的科学设计，尤其是要进行聚能效应药包的设计，并结合隧道工程结构的具体情况进行专门的射孔与切割处理。通常情况下，在隧道聚能爆破技术的应用过程中，聚能爆破需借助于聚能爆破装置实现。比如，某隧道工程的岩巷掘进装置中，主要包含圆柱形PVC切缝管药卷、孔底铁质长条半圆弧聚能环，该聚能爆破装置中内壁半圆弧的存在使得聚能作用最终会演化为聚能穴结构。

3 聚能爆破的技术和经济效果

3.1 技术效果

隧道岩巷掘进过程中，应用聚能爆破的技术优势主要体现在以下五方面：（1）隧道的成型效果相对较好。由于在爆破过程中使用了各种类型的聚能管，因此能够大幅度降低爆破振动对周边围岩稳定性产生的不利影响，使得爆破质量进一步提升，避免了隧道周边超挖、欠挖情况的出现。（2）隧道工程量远远低于传统爆破技术下的工程量，且节约了各种的工程材料，达到了少打眼的目的，炸药、雷管等材料的用量得以有效控制，隧道工程的总体成本大大降低。（3）钻眼时间显著缩短。在传统的爆破技术下，由于常常采用的是钻爆法施工，钻眼的时间相对较长，而在应用了聚能管以后，钻眼深度进一步扩大，也就有效缩短了钻眼的时间。（4）单进速度有效提升。以隧道工程为例，传统施工技术下循环进尺1.1m，每月进尺仅66m左右，而在应用了聚能管爆破技术以后，循环进尺达到了1.7m，月进尺显著提升。（5）工作人员的工作强度有效降低。聚能爆破技术下，单进速度相对加快，工作人员的工作强度明显降低[3]。

3.2 经济效果

在岩巷掘进作业中，如果采用聚能爆破技术，其经济效益明显，主要体现在以下两方面：（1）爆破材料费用显著降低。在传统的爆破技术下，所使用的雷管、炸药数量都相对较多，而聚能管爆破技术下，循环进尺效率大幅度提升，进尺过程中耗费的雷管、炸药数量都相对较少，有效降低了爆破材料的总体费用。（2）支护费用显著降低。传统的爆破技术下，由于难以实现爆破能量的控制，在爆破过程中常常会对围岩产生一定的扰动，导致围岩的稳定性不足。为了降低这种扰动，在爆破开始之前专业人员往往会先对隧道进行一定的支护设计[4]。而在聚能爆破技术下，不仅可以实现对爆破的能量、破坏力加以控制，还能够实现对爆破破坏方向的控制，有效保障了隧道的成型效果，即使在不进行基础性支护的前提下，爆破也基本上不会对隧道周边围岩的稳定性产生较大的扰动。

4 聚能爆破技术参数

4.1 聚能爆破钻孔

聚能爆破的爆破效果虽然极为理想，但是要保障爆破的实施效果，相关人员在应用聚能爆破之前，需对隧道工程的具体情况加以详细分析，做好相应的聚能爆破技术参数设计。聚能爆破技术下，钻孔参数包括炮孔直径、深度、掏槽眼与底眼的深度等，除了要保障参数设计的科学性，还需要保障钻孔位置布置的科学性。因此，设计人员在钻孔相关参数的设定上，需充分考虑钻孔速度、炸药消耗、爆破效率等因素[5]。

4.2 聚能管

聚能管的存在是为了保障在聚能爆破技术的应用过程中，药包产生的爆轰压力与能量借助于聚能管起到一定的抑制作用，避免爆轰产物的四周扩散。由于市场上所包含的聚能管类型相对较多，在实际的聚能爆破技术应用中，相关人员需结合隧道工程施工的现实要求，再结合隧道工程现场的具体情况，科学选择各种聚能管型号、性能等，以选定最佳的聚能管。在聚能管装药的过程中，需保证乳化炸药能够填满聚能管中的所有空隙，否则，一旦存在空隙，就会出现拒爆现象，最终将会影响岩巷掘进作业的顺利进行。在聚能管向炮眼装填的过程中，需保障聚能管的两条聚能槽指向隧道的轮廓线方向。

4.3 爆破炸药

聚能爆破技术的应用过程中，爆破炸药是影响技术应用效果的重要因素，主要体现在炸药的药量、规格与数量等方面。各个施工企业需结合隧道岩巷掘进的规模、质量要求，进行爆破炸药相关参数的确定，保障炸药的科学应用。

4.4 炮眼间距及最小抵抗线

炮眼间距的设置主要是为了保障炮眼打眼的质量，只有保障了间距设置的合理性，才能够从根本上发挥炮眼在聚能爆破中的作用。另外，最小抵抗线具有不确定性，在实际的设置过程中，有关人员同样需根据聚能爆破的要求来进行设计。

5 岩巷聚能爆破工程实例

聚能爆破技术的应用大大提升了掘进的效率，属于隧道施工中一种相对先进的技术。在不同的巷道作业下，由于炮眼所起到的作用有所不同，不同的聚能爆破技术可以被应用于不同类型的炮眼中，提高聚能爆破的整体应用效果，使得隧道轮廓更具稳定性，进而提升隧道成型的效果。

比如，某隧道工程采用顺槽施工方式，整个隧道的设计长度达到了2253m，钻爆法施工的长度在172m左右，隧道主体岩石为砂岩与砂质泥岩。由于该岩巷结构的特殊性，在施工过程中采用多向聚能装置来达到聚能爆破的目的，所采用的相关聚能装置多以PVC材料为主，整体结构为圆柱形，在聚能装置周边分布了6个内凹“V”形槽，且这些槽为均匀分布状态，深度仅为5mm左右，圆柱管内径与长度分别为38mm、30cm。掏槽应用四角柱式直眼，中空眼中所装的药量相对较少，能够在聚能爆破技术的应用过程中发挥重要的抛掷作用。当药包爆炸的瞬间，炸药爆炸所产生的能量会在“V”形槽方向上产生高速射流，而此高速射流将会对周边岩石产生切割作用，从而使得周边岩石成为大小不一的岩石碎块，有效保障了掏槽的效率。

再比如，某隧道工程项目中，主体岩石重要为泥岩、砂质泥岩，在该岩巷结构中，存在明显的岩石裂隙发育，如果在掘进过程中采用传统的爆破技术，常常会使隧道开挖面面临超挖和欠挖的问题，将会影响后期的支护施工。而如果应用聚能爆破技术，将聚能装置设计为圆柱形、双向对称聚能槽的结构，就能够实现聚能方向的控制。需要注意的是，在装药的过程中，需保持聚能槽朝向与隧道轮廓方向的一致性。根据实际的应用效果，在应用聚能爆破技术以后，周边岩石稳定性并未发生明显的变化。