温海波1，陈庆凯1，胥国强2，刘舒朗1，郭赵杰1
（1.东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819；2.河北钢铁集团司家营研山露天铁矿，河北 唐山 063700）
摘 要：为了降低爆破振动对最终边帮稳定性的影响以及解决爆破振动扰民问题，本文依据岩石损伤与断裂力学理论，对预裂爆破成缝机理进行了分析。通过对预裂缝的形成条件与形成过程的分析，给出了预裂爆破参数的计算公式，并结合司家营研山铁矿的岩石性质，计算出了研山采场预裂爆破参数。通过对爆破振动监测结果分析可知，预裂爆破平均降振率为39%，降振效果较好。
关键字：预裂爆破；岩石损伤；断裂力学；爆破振动；爆破参数
APPLICATION RESEARCH ON PRESPLIT BLASTING TECHNOLOGY OF SIJIAYING YANSHAN OPEN-PIT IRON MINE
WEN Haibo1，CHEN Qingkai1，YAN Guoqiang1，LIU Shulang1，GUO Zhaojie1
(1.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，china;2. Hebei Iron and Steel Group Sijiaying Yanshan Opencast Iron Mine，Tangshan 063700，Hebei，china)
Abstract:In order to reduce the influence of blasting vibration on the stability of the final edge and solve the problem of private enterprise disputes,this paper analyzes the mechanism of pre-splitting blasting according to the theory of rock damage and fracture mechanics. Based on the analysis of the formation conditions and formation process of the pre-crack,the calculation formula of the pre-crack blasting parameters is given.Combined with the rock properties of the Shijiaying Yanshan iron ore,the pre-splitting blasting parameters of the Yanshan stope are calculated. According to the results of blasting vibration monitoring,the average vibration reduction rate of pre-cracking blasting is 39%,and the vibration-reducing effect is better.
Key word:pre-splitting blasting, rock damage theory, fracture mechanics, blasting vibration, blasting parameters
0 引 言
在露天矿开采过程中，台阶深孔爆破产生的爆破地震效应，对露天边坡岩体结构的稳定性会产生较大的影响[1]。因此在露天台阶爆破中，既要利用好炸药爆炸产生的能量来破碎矿岩，也要控制炸药爆炸对被保护边坡的破坏。预裂爆破形成的预裂缝具有保护边坡的作用，一方面，预裂缝可以阻断主爆孔爆破时产生的应力波向保护区域传播，从而达到减振的效果；另一方面，预裂缝可以阻断主爆孔爆破时产生的裂缝向边坡的延伸，从而保证边坡岩体结构的完整性[2-4]。司家营研山露天铁矿预裂爆破参数设计依赖于经验公式，缺少理论依据。本文根据岩石损伤与断裂力学理论，确定了预裂爆破参数计算公式，对预裂爆破参数的合理确定有一定的实际意义。
1 预裂爆破作用机理
预裂爆破技术具有超挖量少、减轻主爆区对围岩扰动等优点，广泛应用于露天岩土爆破开挖工程。影响预裂爆破效果的因素十分复杂，到目前为止对预裂爆破形成预裂缝（面）的机理尚没有定论。主要的预裂爆破成缝理论有3个：应力波叠加理论、爆炸气体高压静力作用理论、应力波与爆炸气体综合作用理论[5]。目前主要应用的是应力波与爆炸气体综合作用原理。炸药爆炸后，应力波首先作用于孔壁并在炮孔周围形成许多径向裂纹，随后初始径向裂纹在爆生气体准静态应力场作用下继续扩展，在炮孔中心连线方向形成一条预裂缝（面）[6]。
岩体是含有各种不连续面的脆性材料，近年来，断裂力学与损伤力学理论广泛应用于预裂爆破设计优化当中。
1.1 预裂爆破孔壁爆破荷载
不耦合装药条件下，炮孔中药包爆炸对孔壁施加的爆破荷载为[7]：
（1）
（2）
式中，P为对孔壁的初始压力，MPa；P0为炸药的爆轰压力，MPa；ρ0为炸药密度，kg/m3；Cv为炸药爆速，m/s；k为装药的径向不耦合系数；n为炸药爆炸膨胀产物碰撞孔壁时的增大系数，一般n=10。
1.2 预裂缝的形成机理
预裂缝在形成过程中爆炸应力波与爆生气体各自起到不同的作用。其中，爆炸应力波起导向作用：不耦合装药结构致使孔壁周围只能产生一定数量的初始裂纹，同时是预裂孔连线方向上的裂纹优先发展，产生初始长裂缝；爆生气体起到了扩缝的作用：孔内的爆生气体会挤入孔壁的初始裂缝，由于应力波的作用，炮孔连线上径向裂纹的长度大于其他方向的长度，因此炮孔连线之间的初始预裂缝被贯通，沿炮孔连线方向形成预裂缝。
根据岩石断裂力学理论，当外力作用于岩石中的微观裂缝（Griffith裂缝）时，Griffith裂缝发展为裂缝核或宏观裂缝，微观裂缝的方向与最终炮孔预裂成缝的方向无关，由于在炮孔连线方向产生应力集中，炮孔预裂成缝的方向为炮孔连线方向[8]。
图1 孔壁裂缝的断裂力学模型
Fig.1 Fracture mechanics model of hole wall crack
如图1所示的孔壁断裂力学模型，当炮孔裂缝起裂前，裂缝尖端的应力强度因子为：
（3）
式中，KD为动载平面应变断裂韧度；P为炮孔初始压力，MPa；m为应力强度几何修正因子；r为炮孔半径，cm；a0为起始裂缝长度，cm。起裂条件为：
（4）
在爆破应力波作用下，孔壁周围形成裂缝，裂缝将在爆生气体进入后，不断扩展，如图2爆生气体驱动裂缝扩展模型所示。其裂缝尖端的有效应力强度因子为[9]：
（5）
式中，D为岩石损伤因子；L(t)为裂缝扩展长度；L1(t)为爆生气体在裂纹中的贯入长度；r为初始裂缝长度，rD=3r，；P(x，t)为裂缝长度方向两侧爆生气体压强的分布；
为垂直于裂缝面方向的远场应力。
裂缝能够传播的条件为：裂缝尖端的应力强度因子KL>KIC，KIC为岩石的止裂韧度；若KL>KIC，当KL’>0时，由于裂缝尖端的有效应力因子仍在增加，当KL>KD时，裂缝仍会继续扩展。
图2 爆生气体驱动裂缝扩展模型
Fig.2 Explosive gas driven crack propagation model
最终，在应力波和爆生气体的共同 下，产生的预裂缝贯通裂纹简化模型如图3所示。图3中ad和as分别为炮孔间爆炸应力波作用产生的初始裂纹长度和爆生气体准静态作用下产生的裂纹长度[10]。
图3 炮孔中心连线上裂缝形成示意图
Fig.3 Schematic diagram of crack formation on the center line of the blasthole
2 预裂爆破参数设计
2.1 装药不耦合系数
炸药爆炸时所产生的冲击压力远大于岩石的抗压强度，因此预裂爆破一般采用不耦合装药结构，目的是既能够使孔间拉开预裂缝，又不会在孔壁周围形成压碎区[11]。不耦合系数是钻孔直径与药包直径的比值，即：
(6)
式中，k为不耦合系数；dc为炮孔直径，cm；db为药卷直径，cm。
不耦合系数一般根据岩石的极限抗压强度来计算，根据岩石断裂力学理论及岩石损伤理论[12]：
(7)
式中，n是爆生气体与孔壁作用时的压力增大系数，一般取10；ρ0为炸药密度，kg/m3；Cv为炸药爆速，m/s；Kb为体积应变状态下岩石抗拉强度增大系数；σc为岩石单轴抗压强度；K为损伤因子。
2.2 炮孔直径
预裂爆破通常选择小孔径的炮孔，可以减少对周围岩石的破坏，提高半孔率与坡面平整度。但是孔径越小，现场施工越困难，同时也很难控制不耦合率。一般实际施工中预裂炮孔的直径取60-150 mm。结合司家营研山铁矿的实际情况，预裂炮孔孔径选择为115 mm或150 mm。
2.3 炮孔间距
预裂爆破炮孔间距的选择应该能够使相邻炮孔之间的裂缝贯通。因此，孔间距小于炸药爆炸在孔间产生裂纹的最大长度。结合岩石损伤理论与断裂力学理论，应力波作用下产生的初始裂纹长度[12]：
(8)
式中，σt为岩石抗拉强度，MPa；ɑ为应力衰减指数，
，µ为泊松比；P为孔壁初始压力，MPa；β为系数，
；dc为炮孔直径。
爆生气体作用下产生的裂纹长度：
(9)
式中，p0为爆生气体准静态压力，KIC为岩石静态断裂韧性，
。
炮孔间距计算，满足式（10）：
(10)
2.4 装药线密度
装药线密度是指炮孔装药量与炮孔装药长度的比值。综合考虑相关工程经验及理论计算，由以下公式决定其取值[13]：
(11)
式中，qL为装药线密度，kg/m；ql为体积装药密度，g/m3，k不耦合系数。
2.5 孔间起爆时间
预裂爆破孔间爆破时差以先爆炮孔应力波刚到或刚超过后爆孔为宜，理论最佳延迟时间通过式（12）计算[14]；
(12)
式中，Cp为纵波速度，m/s；Cs为横波速度，m/s。
3 司家营研山铁矿预裂爆破参数计算
研山北帮-30 m采场需要进行靠帮作业，边坡岩性主要为中风化的砂岩，由于风化严重，自身稳定性差。其物理力学参数见表1。为保证边坡稳定及采场的正常生产秩序，需要对其实施预裂爆破。
设计采用2#岩石乳化炸药，其相关参数为：密度ρ0=1.15 g/cm3；爆速Cv=5200 m/s。根据边坡岩体的力学性质及现场情况，不耦合系数为4.05，最终设计参数见表2。
4 预裂爆破现场实验
2018年2月开始对研山北帮-30采场到界边坡实施了6次的预裂爆破。主爆区及缓冲孔均采用矩形布孔，预裂炮孔采取平行于坡面角63°左右倾斜孔进行施工，缓冲孔和主爆孔采用垂直钻孔。按照设计的线装药量，首先对每孔的药量进行分配，然后用胶带、炮线或者绑带将导爆索和炸药按要求和竹片进行绑扎，其中每米绑扎1卷乳化炸药。然后将绑扎好的竹片慢慢放置于孔中。预裂孔装药时要遵循底部加强装药、中间段正常装药、上部减弱装药的原则，预裂孔底部装药密度为800 g/m，中间部位装药为700 g/m，顶部装药为400 g/m，具体爆破参数见表2。
施工期间，每次预裂爆破都对永久边坡进行爆破振动监测并收集数据，其中测点1#在后法宝村，测点2#在东法宝村，预裂爆破降振效果统计见表3。
注：1.理论计算振速是通过该矿山爆破振动的衰减公式（萨道夫斯基公式，K=48，α=1.23）计算得到；
2.其中实测振速<0.01 cm/s时，表示监测点未被触发。
5 预裂爆破效果及减震效果
5.1 预裂爆破效果分析
预裂爆破的效果主要从坡面半孔率、坡面平整度、孔口位置岩体破碎状况、有无根底、孔壁岩石上有无爆生裂纹、有无超挖现象以及对保留岩体的降振效果这几个方面来进行评价。通过分析上述6次预裂爆破的效果可得出如下结论：
1）如图3所示，预裂爆破的半孔率较大，整体上并未出现明显超挖现象，爆破后整体上根底较少，局部由于施工和装药原因导致炸药分布不均匀从而产生少量根底。
2）爆破后边坡坡面不平整度控制在20 cm左右，坡面平整度控制较好，预裂孔壁基本上没有产生新生裂纹。
3）爆后主爆区大块率比较低，爆堆前冲距离较短，后冲较小。
图3 预裂爆破效果图
Fig.3 Pre-cracking blasting effect diagram
5.2 减震效果分析
在进行预裂爆破过程中，为了掌握预裂爆破产生的爆破振动情况，矿山利用TC-4850N爆破振动监测仪器进行振动监测，分别在采场东帮附近后法宝村、东法宝村布置固定监测点，分别标记为监测点1#、2#。预裂爆破最大单响药量在100~160 kg之间，根据回归得到的研山采场边坡质点振动速度公式，可以得到距离爆源不同位置处的1#、2#测点的振动计算值，然后再与实测值进行比较计算降振率。如表3所示，预裂爆破的降振率最大可达到51%，预裂爆破的平均降振率为39%，预裂爆破降振效果明显。
6 结 论
为研究预裂爆破技术的降振效果，在司家营研山露天铁矿进行了多次预裂爆破试验，得到了以下几点结论：
（1）本文依据矿山实际的岩体性质，并且结合岩石损伤与断裂力学理论计算得到了适用于该矿山的预裂爆破参数。
（2）通过对6次预裂爆破试验效果分析可知，预裂爆破的半孔率较大，未出现明显的超挖现象，根底较少，坡面平整度控制较好，预裂孔壁基本上没有产生新生裂纹，爆后主爆区大块率比较低，爆堆前冲距离较短，后冲较小。
（3）通过对爆破振动监测结果分析可知，预裂爆破的降振率最高可达到51%，预裂爆破的平均降振率为39%，预裂爆破降振效果明显。
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