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摘 要：浅析巷道爆破控制机理、技术参数的优化控制及爆破效果影响的因素分析。
关键词：定向断裂爆破；原理；参数优化；影响分析；煤矿岩巷
中图分类号：O643.2+23
1 引言
在煤矿岩石巷道的挖掘过程中，根据定向断裂控制爆破的原理，在爆破施工中合理的优化爆破技术参数，尽量避免和控制影响爆破的因素，就能取得岩巷周边成型的好效果，从而减少超欠挖的工程量。如此施工的巷道，支护也方便，并能有效减少返修工作量，使得巷道的服务周期得到延长。从长久的观点看，安全、经济效益还是比较显著的。
2 爆破控制机理
根据岩石的爆破机理，炸药爆破作用主要表现在两个方面：一是冲击波或应力波的破岩作用；二是爆炸气体的膨胀作用。应用定向断裂控制爆破技术，就是利用具有一定强度的定向切缝管，对柱形炸药爆炸后的冲击波或应力波的传播来进行控制，使其沿着某一确定的方向进行传播，最终达到定向爆破的主要目的。
从图1可知，位于定向切缝管内的炸药在爆炸时，由于切缝管的约束，冲击波或应力波则沿着切缝口处直接向外传播，并作用于炮孔壁上的A点和B点。其压力为P1，而在其他向因切缝管的阻尼产生位移变形，吸收了部分能量。到达孔壁上的压力则为P2，两者有如下关系：P2 = P1-k·δ，式中k为切缝管时能量的衰减系数；δ为切缝管壁厚。
若采用动光弹爆破加载和超动态光电测试技术，对定向断裂炮孔爆炸动应力场参数进行了测定，可发现A方向和B方向上的管壁压力是其他方向上压力的3.6倍。由于在缺口处压力产生了突变，它给剪切破坏创造了有利的条件。而当相邻两炮孔切缝方向成一条直线时，相邻炮孔连心线方向产生的应力集中，压力大于围岩抗压强度时就产生了定向破裂作用。
3 爆破技术参数的优化控制
1）炮孔间距的确定。对于炮孔间距布置来说，要视炸药性能、围岩性质确定。在定向断裂控制爆破中，由于定向切缝管的约束作用，炸药能量集中定向传播，相邻炮孔连心线方向的应力远远大于同条件下光爆中相邻炮孔连心线方向的应力，所以可在光爆周边孔间距的基础上适当增大炮孔間距，以提高爆破效果。通常选取间距如下：硬岩500～600mm；中硬岩450～550mm；软岩为400～500mm。
2）装药结构的优化。如今岩巷爆破炮孔深多在2m以下，且采用预留空气柱不耦合装药结构。作为光面爆破，由于炸药是直接置于炮孔当中，空气柱的长度不易控制。若空气柱过大，失去均衡孔壁压力的作用，甚至会在孔口部位出现“挂门帘”等不良效果；空气柱过小，则又会造成局部超、欠挖现象。所以，在定向断裂控制爆破中，应根据所需柱状药量的多少，计算出最佳空气柱的长度，加工特种长度的定向切缝管，使空气预留在切缝管中，再在炮孔内用炮泥填塞至切缝管处。
3）合理装药。定向断裂控制爆破比光面爆破更有利于保护围岩，其装药量为关键。经实践，在其他条件（如岩石、炸药品种、炮孔尺寸等）相同的情况下，定向断裂控制爆破的装药量应大于光面爆破的装药量，太大可能产生较大的超挖。作为多食用的浅孔爆破，一般选硬岩药量为200～300g；中硬岩药量为150g～200g；软岩药量为100g～150g。
4）炮孔堵塞得当。为使爆炸能量得到充分利用，对此炮孔应堵塞。因加工切缝管时已经考虑了预留空气柱问题，故炮泥要填塞至定向切缝管处。而堵塞长度视切缝管内装药量或围岩岩性确定。一般软岩可按孔间距的40%、中硬岩可按孔间距的60%、坚硬岩可按孔间距的80%作堵塞长度。粘土作为堵塞材料，并在特殊环境下应加水炮泥。
5）爆破微差时间的确定。爆破施工中，常按顺序布置掏槽、辅助、崩落和周边孔等几圈炮孔。各圈之间采用微差顺序起爆，目的是为了给下一圈炮孔提供第二自由面。微差时间可通过炸药爆轰阶段、断裂阶段和岩石抛掷阶段的时间来计算。一般由断面中心开始，由里向外的起爆微差时间依次变小（表1）。
4 爆破效果影响的因素分析
1）岩石结构面的影响。岩体内的结构面分层理面和节理面，而各种结构面的黏结力远小于岩体内聚力。在爆破时，这些结构面容易首先产生断裂，所以对定向断裂爆破中超、欠挖有一定的影响。据观察，当结构面与相邻炮孔连心线夹角在60～90°之间时，断裂方向基本与炮孔连心线一致；当结构面与相邻炮孔连心线夹角小于60°时，断裂呈锯齿状；25～35°时；结构面对定向爆破理想断裂面的形成最为不利。一般在层理或节理发育带内实施定向断裂爆破时尽可能减少炮孔间距，以节省装药量。
2）切缝管置入后切缝方向的影响。施工中，要求在周边眼装药时，应将切缝管的切缝方向与半圆拱相切。实际操作中常会出现误差，但控制在一定的范围即可。切缝角度对巷道成形影响分析，见图2。A、B 为两相邻炮孔，O-O为相邻炮孔连线方向，C-D为切缝方向，两者间夹角为θ。炮孔间距为S，周边眼同时起爆时，A、B所形成的断裂应在其中点相交，但由于切缝管放置的误差角θ，导致了超、欠挖： W = S/2·tgθ。而不同周边眼间距在不同的超欠挖情况下的切缝误差角度见表2。从中可知，即使切缝管的切缝方向不能沿巷道周边轮廓线方向，只要在允许超、欠挖范围内，一定的角度误差对巷道成形效果的影响也是有限的。实际上，若周边眼间距在600mm以内、切缝管的切缝角度误差为15°时，超、欠挖仍能控制在100mm以内。所以，施工中要确保切缝方向与巷道轮廓线方向的夹角小于15°。
5 结束语
采用定向断裂控制爆破技术，可有效控制岩巷周边成形，增强围岩稳定性、减少支护材料费用，它具有以下优点：①爆炸能量沿切缝方向集中释放，爆炸对围岩的破坏减小，最大限度地保持了围岩自身的强度，增强了围岩自承能力，延长了巷道使用年限。②可使周边眼间距增加50%～100%，以减少劳动强度和工作量。③周边不平整度不超过100mm，利于巷道成形，并减少通风阻力。④节省爆破与支护费用。
参考文献
[1]杨永琦.矿山爆破技术与安全.北京： 煤炭工业出版社，1991.
[2]马乃耀等.爆破施工技术.北京： 中国铁道出版社，1985.
关键词：定向断裂爆破；原理；参数优化；影响分析；煤矿岩巷
中图分类号：O643.2+23
1 引言
在煤矿岩石巷道的挖掘过程中，根据定向断裂控制爆破的原理，在爆破施工中合理的优化爆破技术参数，尽量避免和控制影响爆破的因素，就能取得岩巷周边成型的好效果，从而减少超欠挖的工程量。如此施工的巷道，支护也方便，并能有效减少返修工作量，使得巷道的服务周期得到延长。从长久的观点看，安全、经济效益还是比较显著的。
2 爆破控制机理
根据岩石的爆破机理，炸药爆破作用主要表现在两个方面：一是冲击波或应力波的破岩作用；二是爆炸气体的膨胀作用。应用定向断裂控制爆破技术，就是利用具有一定强度的定向切缝管，对柱形炸药爆炸后的冲击波或应力波的传播来进行控制，使其沿着某一确定的方向进行传播，最终达到定向爆破的主要目的。
从图1可知，位于定向切缝管内的炸药在爆炸时，由于切缝管的约束，冲击波或应力波则沿着切缝口处直接向外传播，并作用于炮孔壁上的A点和B点。其压力为P1，而在其他向因切缝管的阻尼产生位移变形，吸收了部分能量。到达孔壁上的压力则为P2，两者有如下关系：P2 = P1-k·δ，式中k为切缝管时能量的衰减系数；δ为切缝管壁厚。
若采用动光弹爆破加载和超动态光电测试技术，对定向断裂炮孔爆炸动应力场参数进行了测定，可发现A方向和B方向上的管壁压力是其他方向上压力的3.6倍。由于在缺口处压力产生了突变，它给剪切破坏创造了有利的条件。而当相邻两炮孔切缝方向成一条直线时，相邻炮孔连心线方向产生的应力集中，压力大于围岩抗压强度时就产生了定向破裂作用。
3 爆破技术参数的优化控制
1）炮孔间距的确定。对于炮孔间距布置来说，要视炸药性能、围岩性质确定。在定向断裂控制爆破中，由于定向切缝管的约束作用，炸药能量集中定向传播，相邻炮孔连心线方向的应力远远大于同条件下光爆中相邻炮孔连心线方向的应力，所以可在光爆周边孔间距的基础上适当增大炮孔間距，以提高爆破效果。通常选取间距如下：硬岩500～600mm；中硬岩450～550mm；软岩为400～500mm。
2）装药结构的优化。如今岩巷爆破炮孔深多在2m以下，且采用预留空气柱不耦合装药结构。作为光面爆破，由于炸药是直接置于炮孔当中，空气柱的长度不易控制。若空气柱过大，失去均衡孔壁压力的作用，甚至会在孔口部位出现“挂门帘”等不良效果；空气柱过小，则又会造成局部超、欠挖现象。所以，在定向断裂控制爆破中，应根据所需柱状药量的多少，计算出最佳空气柱的长度，加工特种长度的定向切缝管，使空气预留在切缝管中，再在炮孔内用炮泥填塞至切缝管处。
3）合理装药。定向断裂控制爆破比光面爆破更有利于保护围岩，其装药量为关键。经实践，在其他条件（如岩石、炸药品种、炮孔尺寸等）相同的情况下，定向断裂控制爆破的装药量应大于光面爆破的装药量，太大可能产生较大的超挖。作为多食用的浅孔爆破，一般选硬岩药量为200～300g；中硬岩药量为150g～200g；软岩药量为100g～150g。
4）炮孔堵塞得当。为使爆炸能量得到充分利用，对此炮孔应堵塞。因加工切缝管时已经考虑了预留空气柱问题，故炮泥要填塞至定向切缝管处。而堵塞长度视切缝管内装药量或围岩岩性确定。一般软岩可按孔间距的40%、中硬岩可按孔间距的60%、坚硬岩可按孔间距的80%作堵塞长度。粘土作为堵塞材料，并在特殊环境下应加水炮泥。
5）爆破微差时间的确定。爆破施工中，常按顺序布置掏槽、辅助、崩落和周边孔等几圈炮孔。各圈之间采用微差顺序起爆，目的是为了给下一圈炮孔提供第二自由面。微差时间可通过炸药爆轰阶段、断裂阶段和岩石抛掷阶段的时间来计算。一般由断面中心开始，由里向外的起爆微差时间依次变小（表1）。
4 爆破效果影响的因素分析
1）岩石结构面的影响。岩体内的结构面分层理面和节理面，而各种结构面的黏结力远小于岩体内聚力。在爆破时，这些结构面容易首先产生断裂，所以对定向断裂爆破中超、欠挖有一定的影响。据观察，当结构面与相邻炮孔连心线夹角在60～90°之间时，断裂方向基本与炮孔连心线一致；当结构面与相邻炮孔连心线夹角小于60°时，断裂呈锯齿状；25～35°时；结构面对定向爆破理想断裂面的形成最为不利。一般在层理或节理发育带内实施定向断裂爆破时尽可能减少炮孔间距，以节省装药量。
2）切缝管置入后切缝方向的影响。施工中，要求在周边眼装药时，应将切缝管的切缝方向与半圆拱相切。实际操作中常会出现误差，但控制在一定的范围即可。切缝角度对巷道成形影响分析，见图2。A、B 为两相邻炮孔，O-O为相邻炮孔连线方向，C-D为切缝方向，两者间夹角为θ。炮孔间距为S，周边眼同时起爆时，A、B所形成的断裂应在其中点相交，但由于切缝管放置的误差角θ，导致了超、欠挖： W = S/2·tgθ。而不同周边眼间距在不同的超欠挖情况下的切缝误差角度见表2。从中可知，即使切缝管的切缝方向不能沿巷道周边轮廓线方向，只要在允许超、欠挖范围内，一定的角度误差对巷道成形效果的影响也是有限的。实际上，若周边眼间距在600mm以内、切缝管的切缝角度误差为15°时，超、欠挖仍能控制在100mm以内。所以，施工中要确保切缝方向与巷道轮廓线方向的夹角小于15°。
5 结束语
采用定向断裂控制爆破技术，可有效控制岩巷周边成形，增强围岩稳定性、减少支护材料费用，它具有以下优点：①爆炸能量沿切缝方向集中释放，爆炸对围岩的破坏减小，最大限度地保持了围岩自身的强度，增强了围岩自承能力，延长了巷道使用年限。②可使周边眼间距增加50%～100%，以减少劳动强度和工作量。③周边不平整度不超过100mm，利于巷道成形，并减少通风阻力。④节省爆破与支护费用。
参考文献
[1]杨永琦.矿山爆破技术与安全.北京： 煤炭工业出版社，1991.
[2]马乃耀等.爆破施工技术.北京： 中国铁道出版社，1985.