摘要：针对岩石巷道掘进循环进尺慢，炮孔利用率低的问题，采用取岩芯技术在岩土中形成环形自由面，利用少量炸药即可达到高效爆破的效果。首先对取岩芯爆破模型进行数值模拟，对爆炸效果进行预估，并得到相关爆破参数；之后根据模拟结果进行爆破实验，制作两组水泥模型，分别模拟取岩芯爆破与传统爆破，在模型外部布置测振仪，测量爆炸过后模型的相关振动数据，并对两组模型的爆破效果与振动数据作出比较，得出取岩芯模型爆破效果及爆破振动要明显优于传统爆破模型。最后将该技术应用在某岩巷掘进现场进行爆破实验，取得成功。实验结果表明，利用取岩芯技术成形环形自由面进行爆破，可以减少炮孔数，降低炸药单耗，控制住爆破振动，提高爆破效率，达到高效爆破的目的，特别是该技术可应用于城市地下工程爆破。
关键词：巷道掘进，岩土爆破，岩芯，环形自由面
作者：洪泳1，马宏昊1，2，沈兆武1，任丽杰1，崔宇1，赵凯1(1.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥230026；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥230026)
随着机械行业的发展，许多爆破过程都可以采用机械手段代替。Jimeno等[1]、Langefors等[2]、Ramezanzadeh等[3]认为，在岩巷掘进中，特别是硬岩条件下的岩石开挖中，钻爆施工依然是最主要，最有效的方法。传统爆破方式主要使用压应力对岩石进行初始破坏，由于岩石的动态抗压强度较高，导致爆破用药量大，对周边环境产生较大的振动，危害周边结构，降低了围岩的稳定性[4]；而大药量又会产生超挖现象，给后续爆破工作带来不便，增加清理时间与额外支出。目前岩石巷道多数采用浅孔小循环钻爆掘进方式，炮孔利用率低，循环进尺慢。针对这种现状，学者们也提出了许多提高爆破效率的方法。Mohanty[5]最先提出在装药孔间设置空孔来达到控制爆破裂纹扩展的方向，并随后通过实验和现场测试进行了证明。刘优平等[6]对含空孔掏槽爆破中的空孔作用进行了研究，从理论上得出了空孔的应力集中效应，并通过现场对比实验证明，适当加大空孔孔径是提高巷道爆破掘进循环进尺行之有效的方法；戴俊等[7]采用三角柱直眼掏槽爆破方式提高平巷掘进爆破效率；叶晓明等[8]提出一种三维(螺旋)切槽孔爆破方法，使切槽孔爆破突破定向成缝的范围，进入松动、破碎爆破领域，使其获得更大的应用前景。Nakamura等[9]进行了爆破裂纹扩展控制实验，并对普通空孔和在空孔两侧切槽对爆生裂纹扩展的影响进行了分析。Chen等[10]采用“先切后掏”的爆破技术，设计了一种壳体环向聚能致裂器；陈世海等[11]通过比较各种不同掏槽形式爆破的实验效果，得出复式桶式掏槽完全适合于中深孔爆破。众所周知，自由面的存在可以大大提高爆破效率，没有自由面的情况下爆破效果将会显得特别地差[12]。取岩芯技术是一种用于地质勘探领域的方法，可以在岩石周边形成一个环形自由面，利用该自由面只需很小的药量即可达到高效爆破的目的，再加上目前人造金刚石工艺已十分成熟，使得金刚石钻头的成本大大降低，取岩芯钻头尺寸也可做得很大，使取岩芯技术的大规模应用成为可能。基于上述背景，本文中提出基于环形自由面的岩土爆破技术，结合数值模拟与实验结果，得出取岩芯技术可以提高掏槽爆破的效率，且降低炸药单耗，减少爆破振动。
1基于环形自由面岩石爆破技术
根据地质勘查工作或工程的需要，使用环状岩芯钻头及其他取芯工具，从孔内取出的圆柱状岩石样品，该样品称为岩芯。将该技术应用于岩石的爆破，具体过程如图1所示。
使用大直径取岩芯机，将岩芯钻头钻至目标位置，然后撤出岩芯钻头，形成环形自由面，将岩芯打孔装药之后爆破取出，形成规整的大直径空孔，由于岩芯钻头为空心钻，钻孔期间并不需要磨削很大的岩土量，因此钻孔时间较短。以实验室用台式钻孔机为例，在混凝土试件上钻取深度为25cm、直径为20cm的岩芯孔仅需1min，而普通钻头根本无法钻取如此大直径空孔，需要动用大型钻孔设备，费时费力。在实际应用中，岩芯钻所能钻取的孔直径必定远大于普通钻头所能达到的孔直径，该技术突破了传统钻孔受钻头尺寸制约的限制，具有先天的优势，钻孔效率高。
取岩芯技术创造了一个环形自由面，冲击波在此自由面上反射产生拉应力。该拉应力有两个重要作用：首先，有利于从已有的岩石裂隙中破碎岩石[13]；其次，由于岩石的动态抗拉强度远小于其动态抗压强度，该拉应力将在岩芯表面形成层裂现象[14]，因此仅需要一点炸药即可分离岩芯与底部岩石，且振动很小。
2数值模拟
由于取岩芯模型爆破过程复杂，因此首先采用LS-DYNA软件对该模型进行模拟，以预估爆炸效果，并获得相关爆炸参数。计算模型由炸药、混凝土和空气组成，炸药与空气采用ALE算法，混凝土采用拉格朗日算法。混凝土与炸药、空气之间采用流固耦合接触算法。整个模型采用cm-g-μs单位制。
在本文中，药包质量与药包位置对模拟结果产生的影响最大，因此对其进行若干次调整，以获得最佳爆破效果，并将这些爆破参数用于后续的实验之中。
2.1取岩芯模型
所建立的取岩芯模型为圆柱模型，由于模型是轴对称模型，所以采用四分之一模型建模，其中模型总高度为30cm，直径为20cm，岩芯直径为10cm，岩芯高度为20cm，空气间隙厚度为1cm。所用炸药为1g，且其与岩芯底部留有2cm间隙。
为了模拟混凝土的爆炸破坏，引入了失效关键字MAT_ADD_EROSION，当混凝土所受拉应力达到其失效应力，即拉应力为2.5MPa时混凝土单元将被删除。
2.2模拟结果
岩芯爆破过程如图3所示。
从图3中可以看出，爆炸产生的压力由岩芯底部传递到到岩芯上部，少部分传递到岩芯下方混凝土，爆炸压力没有传递到岩芯环外的混凝土上。从爆破结果来看，岩芯底部破碎充分，根部基本与底下水泥断裂，岩芯顶部产生裂隙，破坏较小，而岩芯外围岩体则不受爆炸影响，空气隙的存在对外围岩体起到了很好的保护作用。
为使图表清晰，从模型上选取4个单元，如图4所示。观察压力随时间变化曲线，其周围单元曲线如图5所示，图5中可以看出，岩芯底部混凝土所受最大拉应力为1.8MPa，而外围混凝土仅出现轻微波动的拉压应力，其应力值远达不到混凝土失效准则，也即是外围混凝土不受炸药破坏影响。从图5中可以看出，虽然单元55901与67480到炸药距离相等，但是单元55901的应力明显高于单元67480的，这是由于单元55901处于岩芯与底部相接触的位置，出现了应力集中现象，有利于岩芯的断裂。
3基于环形自由面岩石爆破实验
为了验证取岩芯技术在岩石爆破中的作用，根据相似准则，在钢管模型内浇筑水泥沙浆进行爆破模拟实验，钢管不但可以保证试件成型后具有高强度，还可以削弱实验室现有条件下模型的边缘效应[15]。选用钢管的直径为20cm，高为30cm。模型采用的水泥砂浆试件的配比为500#普通硅酸盐水泥、砂子和水，其质量配比为1∶2∶0.4，其单轴抗压强度为17.4MPa，抗拉强度为1.54MPa，弹性模量为10.27MPa，泊松比为0.17，密度为2.13g/cm3，纵波波速为3393m/s。
实验中采用对照实验对爆破过程进行了模拟，共准备了8个上述规格的水泥模型，将它们编号并分为2组，其中1～4号模型采用取岩芯技术，将直径为10cm、长度为30cm、壁厚0.5cm的PVC管插入水泥模型中心，插入深度为20cm，同时在钢管中心用PVC管预留1个孔径为1.8cm、深度为20cm的炮孔，待水泥凝固之后将PVC管拔出，形成一个厚度为0.5cm的取芯圆环，pvc管在此处相当于取岩芯钻头。5～8号模型模拟传统爆破，在钢管中间用PVC管预留一个孔径1.8cm、深度20cm的炮孔。
由数值模拟所得实验参数，确定实验用雷管装药为1g太安，所用测振仪型号为TC4850，精度可达0.001cm。为了模拟实际岩巷爆破，将水泥模型平放于空中爆炸罐中，模型下方使用沙子垫平。在距离钢管顶端12.5cm处放置测振仪，测量爆炸后钢管外部的振动。将雷管放入炮孔，雷管距离底部2cm，用沙子堵孔后引爆。具体实验装置如图6所示。
图6实验装置
Fig.6Experimentalapparatus
4实验结果
4.1爆破效果：
爆炸后选取其中的1、5号模型进行分析，如图7所示。
从图中可以看出，1号模型岩芯被炸碎并抛掷出来，而5号模型水泥则完好无损，自由面的存在大大提高了爆破效果。将模型搬出空中爆炸罐，可发现1号模型岩芯已被完全炸碎，而岩芯环外的水泥则不受影响；从5号模型看不出任何爆破迹象。将1号水泥倒扣后轻轻晃动，岩芯掉落，如图8所示。
从图8中可以看出，1号模型岩芯完全掉落，炮孔利用率可达99%，岩芯环外壁平整，环外水泥不受雷管爆炸影响，取岩芯环起到了很好的能量隔断作用。尽管数值模拟与实验都采用1g药量，但由于雷管威力要比药包威力大，因此实验中岩芯破坏较严重，但总体结果与数值模拟相吻合，即岩芯底部破碎严重，顶部破坏较轻，外围岩体不受爆炸影响。其余的水泥模型也与上述情况一致，实验的重复性好。全部模型爆破后对比参见图9。
4.2振动数据
爆破后取岩芯模型与传统水泥模型钢管振动位移图形处理之后如图10所示。从图10中可以看出，取岩芯模型振动位移在0～0.007cm之间，而传统水泥模型振动位移在0.002～0.012cm之间。单从振动数据来看，取岩芯模型减振效果并不明显，而从爆破效果来说，如果要达到与取岩芯模型相同的效果，则传统水泥模型需要增加数倍药量，这带来的振动势必大大增加。综上所述，在达到相同掏槽效果的条件下，取岩芯技术可大大减少爆破振动。
4.3实验分析
由上述分析可知，取岩芯环为岩石爆破提供了一个环形自由面，将岩芯孤立起来，减小了最小抵抗线的长度，有利于岩芯的破碎，而岩芯底部与水泥的接触面积较小，容易导致应力集中现象，因此其接触位置较易断裂，更为岩芯的完全破碎提供了良好的条件且不会产生超挖现象[16]，从而使炮孔利用率达到99%；同时，由于空气的波阻抗要远小于水泥的波阻抗，爆轰波传递到岩芯环空气域时将出现较大的衰减，岩芯环起到了能量隔断作用，雷管的能量大部分被用于岩芯的破碎[17]，有效地保护了环外水泥，充分利用了爆炸能量，可达到控制爆破的目的。
5工程应用
黑龙江某矿巷，工程量730m，掘进断面19.7m2，净断面17.9m2。平巷、岩石为细沙岩，岩石坚固性系数为9；工作面瓦斯情况小于0.4m3/min；工作面涌水情况小于5m3/h。掘进方式采用取岩芯钻车采取全断面一次掘进法，光面爆破。取岩芯钻车配备有直径为40cm的岩芯钻头，该钻头要远大于目前市场上所存在的岩芯钻头，在岩巷上打孔后爆破取出岩芯，利用所产生的新自由面进行掏槽爆破。实验中巷道掘进效率明显提高，炮孔深度为3.3～3.5m，循环进尺在3.1～3.4m之间，炮孔利用率为92%～97%，多数约在95%，爆破岩石块度均匀，达到高效掘进的目的。
6结论
本文中提出基于环形自由面岩土高效爆破原理，通过实验与应用，得出以下结论：
(1)取岩芯技术可成型高质量环形自由面，操作简单，可减少炮孔数，且炮孔利用率达99%，从而实现大循环进尺，提高掏槽爆破效率；
(2)基于环形自由面岩土高效爆破可减小炸药单耗，环形自由面起到了能量隔断作用，有效降低爆破所引起的振动，可对岩芯外部结构提供良好的保护作用，达到控制爆破的效果。
