基于孔内起爆位置调整的台阶爆破根底控制方法探讨

王林桂，孙鹏昌，沙 广，张中雷，熊 勇，何勇芳，许垅清

(1.大昌建设集团有限公司，浙江 舟山 316021；2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

露天台阶爆破普遍存在根底率偏高的问题，不仅影响铲装效率，而且增加二次施工成本[1]。产生根底的影响因素较多，究其原因主要概括为以下五个方面：①岩石的物理和力学性质；②装药结构；③孔网参数和起爆方式；④钻爆施工质量；⑤起爆位置。针对上述影响因素，国内外许多学者结合具体的工程项目展开研究，并提出了一些控制爆破根底的方法。陈寿如等[2]结合喀斯特铝土矿生产进行多次深孔台阶爆破试验，试验结果表明空气间隔装药及增加装药密度能减少爆破根底；于治斌等[3]对露天多段深孔微差爆破孔网参数进行优化，优化设计后爆破根底得到降低；陈晶晶等[4]对经山寺铁矿近千次爆破进行总结分析，发现通过局部加大超深、改变炮孔密集系数、采用V型起爆技术等能减少爆破根底；Singh M M等[5]指出采用大孔距、小抵抗线能减少爆破根底的产生；Singh P K等[6]通过现场试验说明优化爆破参数、改变装药结构能减少爆破根底。上述研究主要侧重于岩石性质、装药结构、孔网参数及起爆方式、钻爆施工质量等方面，而起爆位置对爆破根底的影响以及相应的根底控制方法的研究较少。

现有的研究结果表明，起爆位置对条形药包爆破的爆炸能量分配和岩石破碎效果有很大的影响。张宝平等[7]基于一维流动的假定，从理论上分析了起爆位置对爆轰产物质量和能量分配的影响；龚敏等[8]开展条形药包不同起爆位置的全息动光弹试验，试验结果表明应力场与起爆位置相关；向文飞等[9]采用数值模拟方法研究起爆点数量与起爆点位置对条形药包爆炸应力场的影响；周楠等[10]采用数值分析方法比较孔底起爆、中间起爆、两端起爆和同时起爆等不同起爆方式的爆炸应力场；刘亮等[11]对台阶爆破不同起爆位置的爆破损伤效应进行了数值模拟；Long[12]等从爆轰气体在孔内作用时间的角度分析了不同起爆位置下爆炸能量的利用率以及岩体的破碎效果。上述研究均表明不同起爆位置下爆炸能量分布和岩石破碎效果不同，而爆炸能量分布和岩石破碎效果与根底形成紧密相关，因此可从爆炸能量分布和岩石破碎效果角度分析起爆位置对爆破根底的影响。

为针对性地探讨起爆位置对爆破根底的影响，本文从爆炸能量分配的角度，分析了起爆点位置对爆炸能量传输的影响作用规律，并在实际工程项目中开展了基于不同起爆位置的爆破对比试验，提出了调整孔内起爆位置的台阶爆破根底控制方法，总结了一些具有施工参考意义的结论。

1 起爆位置对爆炸能量的调整机制

岩石中装药爆炸产生的爆炸能量通常经爆轰产物传入周围的岩体。因充填于孔内的炸药多为柱状药包，而工业炸药的爆轰速度一般是有限的(2 500～7 000 m/s)，沿着药包的轴线方向不可避免地存在时间和方向效应，所以起爆位置会影响爆炸能量的分配。

张宝平等[7]基于一维流动假定，分析了柱状药包爆轰过程中，起爆点位置对分配于起爆点两侧能量的影响。如图1所示，设起爆点两端药包的长度分别b、a(b≤a)，炸药的初始密度为ρ0，爆轰速度为D0，药包截面积为A，起爆后，达到平稳自持状态的爆轰速度为DJ。炸药起爆后，会逐渐形成8种不同的流场，最终分配于药包左右两侧的能量如式(1)所示：

(1)

式中，E1、E2分别为起爆点左右两侧的能量。若假使b=0，即起爆点位于左端，则可得到：

(2)

图1 柱状药包爆轰产物一维流动模型

由式(1)可知，最终分配于药包左右两侧的能量与起爆点的位置密切相关。式(2)显示，若药包一端起爆，分配于非起爆侧的能量约为起爆侧的1.5倍，表明爆炸能量偏向于爆轰波传播的正向分配。

基于张宝平等[7]的研究成果，考虑实际爆破上部起爆(起爆雷管位于装药段顶部)和底部起爆(起爆雷管位于装药段底部)两种特殊情况。如图2所示，对于底部起爆，爆轰波向上传播，爆炸能量偏向于孔口分布，孔口岩体破碎充分，而孔底岩体破碎范围较小，孔底易形成较大根底；对于上部起爆，爆轰波向下传播，能量偏向于孔底分配，孔底岩体的破碎效果最好，可以有效控制爆破根底。由图2可知，上调起爆位置，有助于增加爆炸能量向孔底分布，加强孔底岩体破碎，减少根底生成，为验证这一结论，开展了起爆体处于炮孔装药段上部和底部两个不同位置的爆破对比试验。

图2 不同起爆情况下炮孔的破碎轮廓

2 现场试验

2.1 试验方案

本次爆破对比试验区位于某石化基地围垦工程开山爆破施工场地，试验爆区长55 m，宽20 m，炮孔总数72个，根据起爆位置不同将爆区划分为上部起爆区和底部起爆区，炮孔各布置36个，均为垂直孔，如图3所示。上部起爆区炮孔内起爆体位于装药长度3/4处；底部起爆区炮孔内起爆体位于装药长度1/4处，装药结构如图4所示。

图3 试验爆区

图4 装药结构图

试验过程中做好详细技术交底，保证上部起爆区和底部起爆区的炮孔深度、装药结构、单孔药量和填塞长度等试验条件一致，把起爆位置不同作为唯一变量，力求对比试验的准确性。爆破主要参数如表1所示。两个试验区域在同一个爆破网路中起爆，采用逐孔起爆网路，如图5所示。

表1 爆破主要参数

图5 爆破试验起爆网络示意图

2.2 试验结果

爆破清渣后，在底板以0.5 m×0.5 m的间隔布置控制测点，测量底板高程，局部起伏较大处进行测点加密处理。将底板点云数据进行超欠挖统计，统计结果见表2。

表2 底板超欠挖统计数据 cm

根据测量得到的底板点云数据，利用Civil 3D软件绘制底板的三维曲面图，更加直观显现爆后上部起爆区和底部起爆区的根底控制效果，如图6所示，爆破后底板的纵剖面图如图7所示。

图6 底板三维曲面图

图7 底板纵剖面图

由表2可知，上部起爆区域底板无欠挖，底部起爆区域底板存在欠挖，最大欠挖26.0 cm；上部起爆区域底板平均超挖69.0 cm，底部起爆区域底板平均超挖57.4 cm。此外，从图6、图7可以看出，上部起爆区域底板总体低于底部起爆区域底板，且上部起爆区域相对于底部起爆区域总体更为平整，底部起爆区域一侧根底较为凸显。

以上统计数据表明上部起爆区域根底控制优于底部起爆区域，说明起爆体位于炮孔装药段上部时，爆炸能量更多地向底部传输，使底部岩体得到了更充分的破碎，也即说明上调起爆雷管的位置，可调整爆炸能量更多地向底部传输，从而更有效破碎底部岩体，以改善爆破根底。

3 结 语

从爆炸能量分配的角度，分析了起爆位置对爆炸能量传输的影响作用规律，并开展了不同起爆位置的爆破对比试验研究，基于理论和试验研究，得出以下主要结论：

1)爆破对比试验结果表明，上部起爆区域底板总体低于底部起爆区域底板，且上部起爆区域底板平整度更佳。

2)起爆位置对爆炸能量的分配有较大的影响，爆炸能量偏向于爆轰波传播的正向分配，可通过调整起爆雷管的位置调控爆炸能量传输进而控制爆破根底。

3)由于爆破试验次数有限，起爆位置调整与爆破根底控制之间的深层关系还值得进一步研究和探讨。对于爆破根底的控制，应根据实际工程项目的具体情况，综合运用适当上调起爆位置、根据岩石性质选择合理孔网参数和装药结构以及加强施工质量管理和控制等方法。