互层岩体台阶爆破主控岩层的判别方法

管伟明，南森林，齐 琦，张军辉

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000； 2.新疆维吾尔自治区教育厅采矿与地质工程教学示范中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆煤炭资源丰富，但在赋存条件禀异，复杂互层状态的覆岩在准东、乌鲁木齐等诸多大型露天开采矿区出现频繁，在爆破过程中由于互层岩体各岩层的力学差异性较大，致使爆破能量分布不均，进而产生根底不平、大块、飞石等影响爆破效果和生产安全的问题出现[1-3]。

国内外针对层状岩体的爆破技术及机理研究较早，ASH[4]最先阐明了层状岩体在爆炸应力波的作用下裂隙的发育方式，他指出层状岩体中的裂隙不单沿原始结构面延展还能向自由面方向新生；MARGOLIN[5]在此基础上以油页岩为研究对象给出了具体的裂缝延展方向的判据及长度的计算方法；OZCELIK[6]进一步细致研究发现结构面内的充填物会大幅影响应力波的衰减速度，由此也证明了软弱夹层是影响应力波分布的重要因素。我国学者王玉杰等[7]和李夕兵[8]揭示了爆破应力波在在不同岩层交界面处发生透射、反射等物理现象的机理，奠定了互层岩体爆破技术研究的理论基础；郝亚飞[9]在上述理论基础上在实验室内针对含软弱夹层顺层岩体进行了不同装药结构的模拟研究，发现装药位置距离软弱夹层越远，岩体的顺层滑动效应越小；韩新平等[10]通过现场试验进一步分析得出药包与软弱夹层的间距是影响含有软弱夹层岩体台阶爆破效果最重要的因素。

通过国内外学者的大量研究可见，造成互层岩体爆破效果不佳的主要原因是由于在互层岩体中的软弱夹层改变了爆炸应力波的传播路径，能量在软弱层处作用过多使得此处岩层产生了过粉碎及飞石等问题，而硬岩处应力波未能充分作用而产生大块、根底等问题。现有的研究也证明解决上述问题的最佳方法是改变炮孔内的装药结构，采用炸药线密度差异或间隔装药等方法减少主控岩层的影响，这些方法的应用中最为关键的是需要准确把握爆破台阶内互层岩体的整体及局部工程地质特性，然后才可据此设计具体的爆破参数。然而在实际的施工过程中常常会遇到含有一层或多层力学性质及层厚相差不大的复杂互层岩体，很难确定岩层中主控岩层的位置，且由于岩层具有一定的倾角随着工作面的推进，主控岩层的位置也在不断地发生变化，因此急需一种能够快速准确找出主控岩层位置及估算整体单耗的爆破工程地质分类方法。

针对上述问题，本文在前人的研究基础上拟从互层岩体台阶爆破能量分布特征着手，通过分析主控岩层对最小抵抗线的改变机理，阐明应力波传递方向改变的根本原因，并结合波阻抗匹配原理，构建一种考虑台阶整体单耗及各岩层局部能耗分布特征的分级方法，为互层岩体台阶爆破设计提供科学依据。

1 主控岩层对炸药能量分布特征的影响机理

为了探明互层岩体中主控岩层对炸药能量分布的影响规律，根据爆破设计手册设计了如图1所示的10 m台阶模型，模型自上而下分为4层，其中主控岩层为软弱的煤页岩，各岩层的力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

针对该模型采用了连续装药和间隔装药两种装药结构进行对比分析，如图2(a)和图2(b)分别为连续装药和间隔装药时爆破后速度场分布情况，其中箭头代表质点的运动方向。从速度在各层的分布来看，连续装药时软弱夹层处的速度很大，而其他岩层处的速度却很小，不同岩层的质点速度差异很大；间隔装药时，质点速度没有呈现分层性，各层速度整体相差不大。

图2 不同装药结构岩体质点速度场分布特征Fig.2 Particle velocity field in rock mass with different charging structures

图3 最小抵抗线原理Fig.3 Principle of minimum resistance line

药柱中心位置到自由面的最短距离称为最小抵抗线，炸药能量首先会沿着该方向传播，但互层岩体台阶爆破最显著的特点是台阶内各岩层工程特性差异较大，在此条件下爆炸应力波并非完全按最小抵抗线方向传播，这使得最终的爆破效果偏离了设计需求。应力波在不同介质的界面处会发生反射和透射，当主控岩层的波阻抗较小时，相当于在台阶内形成了一个弱自由面，因此，会影响到台阶内最小抵抗线的方向。如图3所示，在连续装药时，最小抵抗线是在药柱的中心位置到自由坡面的垂线距离(虚线)，当有了主控岩层形成的弱自由面时，最小抵抗线可能会根据弱自由面有所变化，此时形成了新的抵抗线方向(双点划线)，具体方向和主控岩层的波阻抗、厚度及位置有关，因此，炸药能量的传递方向也会发生相应的变化。根据互层岩体主控岩层改变最小抵抗线的原理，应尽可能的使药柱中心位置距离软弱夹层远些，以此减小主控岩层对爆破效果的影响，对比连续装药和间隔装药可见间隔装药时上半段药柱的中心位置明显提高，距离软弱夹层的距离有了显著增大，降低了炸药能量沿主控岩层方向泄露的几率，减小了主控岩层对爆破效果的影响。

综上所述，互层岩体中主控岩层的存在影响了应力波的传递方向和分布特征，且主控岩层的力学特性、几何特征及空间位置对炸药能量分布均有一定的影响。因此，采用间隔装药是解决互层岩体爆破的关键技术，但在间隔装药结构的设计过程中须准确判断出主控岩层的位置才能取得较好的爆破效果。然而，在实际台阶内各岩层的厚度、倾角、力学参数等有多种多样的组合方式，台阶内的整体与局部工程地质性质不断变化，所以影响炸药能量分布的条件也在发生变化，且规律性不强，这对快速准确判断主控岩层的位置带了一定的难度。

2 基于能耗分级的主控岩层判别方法

根据上述研究可知，互层岩体中的主控岩层应是力学性质差异较大且具有一定厚度的岩层，而波阻抗是反应岩性与爆破能耗关系的重要参数，可以以岩层中波阻抗差异性最大，且总体能耗占比较大的岩层作为主控岩层的判别标准，总体思路如下：首先，以最大及最小波阻抗为上下限建立5等分的波阻抗等级划分区间；然后，根据波阻抗和厚度百分比计算各层能耗及累加总体能耗，将总能耗与5级区间对比确定台阶整体能耗等级，以此预测炸药单耗量；最后，计算各岩层能耗等级与台阶总体能耗等级间的绝对级差和能耗百分比的乘积值，最大值的岩层作为该台阶的主控岩层。具体步骤如下所述。

2.1 岩层波阻抗等级划分区间的构建

首先，通过取样测试获取各岩层的密度和纵波速，并根据Ri=ρiCi计算各岩层的波阻抗(其中：Ri是岩石波阻抗；ρi为岩石密度；Ci为岩石纵波速)，以该台阶内最大波阻抗Rmax和最小波阻抗Rmin作为上下限，根据下式计算出5个等间距区间：

Gj=Rmin+(Rmax-Rmin)/5×j(j=1,2,3,4)

(1)

式中：Rmin-G1为低；G1-G2为较低；G2-G3为中；G3-G4为较高；G4-Rmax为高，以此作为炸药单耗的分级依据。

2.2 台阶整体炸药单耗量的预测

岩石的波阻抗Ri反应了应力波在岩体中传播时质点产生单位速度所需要的扰动力，波阻抗大的岩石往往比较难于爆破，需要更多的炸药能量提供更大的扰动力；此外，相同波阻抗条件下岩体体积越大需要的炸药能量也越大，因此，可用岩体的波阻抗与岩体体积的乘积反映一定体积的岩体的爆破难易程度，根据量纲分析可见二者的乘积为瓦特Ri×Vi=N/(m2×s)×m3=W，即让定体积岩层产生单位速度所需要的载荷功率为Ri×Vi，对于整个台阶需要的载荷功率可表述为R1×V1+R2×V2+…+Ri×Vi(单位：W)，则台阶功率密度为Pw=(R1×V1+R2×V2+…+Ri×Vi)/V(单位：W/m3)，功率密度越大表明该台阶整体的爆破难度越大。由于Pw反映的爆破难易程度为相对值，仅做定性比较使用，因此，可考虑在单个炮孔的控制范围内，各个岩层的体积Vi与其厚度Di几乎成正比例关系，台阶整体体积同样也与台阶高度H成正比例关系，因此，可将台阶功率密度Pw的表述简化为式(2)，对式(2)进行量纲分析可知Pw与波阻抗R单位相同，台阶功率密度即为台阶整体的波阻抗。

Pw=[(R1×D1)+…+(Ri×Di)]/H

(i=n，岩层数量)

(2)

为确定台阶整体的炸药单耗，可将计算得到的台阶波阻抗Pw值与2.1节中构建的波阻抗5级区间进行对比，确定该爆破台阶的整体炸药单耗等级，由此可以根据以往同类岩石爆破的单耗经验得到该台阶的炸药单耗量。

2.3 主控岩层位置的判别

在获取台阶爆破炸药单耗后，可以据此设计单个炮孔内的装药量，但对于互层岩体还需针对主控岩层设计间隔装药结构，需要进一步确定主控岩层的位置。在复杂互层条件下定位主控岩层需准确掌握软硬岩层在台阶内的空间分布特征，可根据岩石波阻抗进行分级，将爆破台阶内各个岩层的波阻抗Ri与波阻抗5分级区间进行匹配，获取台阶自由坡面上岩层波阻抗等级的空间分布特征。主控岩层应为波阻抗等级相对差异性较大，且具有一定厚度的岩层，因此，可以先计算各层波阻抗等级与台阶整体波阻抗等级间的绝对级差|N|(例如，高级和中级间相差较低和较高2级，则|N|=2)，然后按式(3)计算各个岩层的波阻抗在台阶整体波阻抗Pw中的占比Pi。

Pi=(Ri×Di)/H/Pw×100%

(i=n，岩层数量)

(3)

在上述计算的基础上按式(4)计算主控岩层位置判别系数Km，并选取最大值对应的岩层作为主控岩层即可。

Km=Pi×|N|

(4)

在实际应用过程还可根据以往同一矿区的同类岩石的测试结果进行波阻抗的确定，以此提高工作效率。此外，应力波在岩体中的传播不但与岩石自身的波阻抗相关，还与岩体中的裂隙、结构面等岩体完整性正相关，因此炸药单耗量还应结合岩体的具体情况进行修正，以此确保期望的爆破效果。

3 主控岩层判别方法现场验证

3.1 主控岩层的判别过程

为了验证上述判别方法在复杂互层岩体台阶爆破中的可行性，在具有典型软硬互层岩体分布的露天煤矿中进行了应用，并设置对照组进行对比。如图4所示，根据台阶内岩体的岩性实际分布情况可将岩层分为6层，通过现场测量、取样和室内测试得到了各层厚度、密度及纵波速值，计算可得到各层的波阻抗值具体见表2的Ri波阻抗一列，由此可知台阶内最小波阻抗为1 784 700 kg/(s·m3)，最大为7 992 772 kg/(s·m3)，代入式(1)计算得到波阻抗分级区间，具体见表3。

按式(2)计算可得到台阶总体波阻抗Pw=4 537 905.2 kg/(s·m3)，与表3对比可知是介于4 267 928.8～5 509 543.2之间属于中级，因此，可根据以往该矿同级岩体爆破的单耗确定此次爆破的单耗应在0.65 kg左右。

依次将1～6号岩层在表3中进行对比分级，可得到台阶内岩层波阻抗等级的空间分布特征，具体见表2的岩层波阻抗等级一列，再将各岩层等级与台阶整体波阻抗等级(中级)相减取绝对值得到绝对级差|N|。

图4 台阶岩层分布特征Fig.4 Bench blasting strata distribution

表2 主控岩层判别计算Table 2 Discrimination calculation of main control stratum

表3 炸药单耗等级划分依据Table 3 The rank of explosive consumption

按式(3)计算得到各层的波阻抗占比Pi，再结合绝对级差|N|按式(4)计算可得到判别系数Km，由表2的Km列可见第2层的位置判别系数最大为25，因此，可以判别第二层为主控岩层。

3.2 现场试验效果分析

根据以上分析确定第二层为主控岩层，并据此设计了连续装药和间隔装药结构，如图5(a)所示为此次爆区的布置情况，其中圈定区域为试验组炮孔区域采用间隔装药，其他部分作为对照组采用连续装药结构；图5(b)为爆破过程，明显可见试验组区域少有冲孔现象，这是由于间隔装药结构减少了药量，降低了不必要的能量浪费，降低了爆破成本。

图5 爆破过程冲孔情况对比Fig.5 Comparison of punching conditions during blasting

图6(a)为试验组爆破后台阶岩体破碎情况，可见岩块破碎较为均匀，符合爆破效果要求；图6(b)为对照组情况可见由于炸药能量分布不均产生了较大的岩块，尚需进行二次破碎，增加了破岩成本。

图6 岩体破碎情况对比分析Fig.6 Comparative analysis of rock mass breakag

4 结 论

1) 数值模拟试验表明互层岩体中的主控岩层是造成炸药能量分布不均的主要原因，采用间隔装药结构能有效改善炸药能量分布不均的问题；

2) 主控岩层由于自身波阻抗与其他岩层差异性较大，易在台阶内部形成弱自由面，影响了原本指向台阶坡面自由面的最小抵抗线的分布方向，进而使得爆破效果偏离预期需求；

3) 以探寻最大能耗差异的岩层为目标，提出了考虑主控岩层厚度、波阻抗及在整个台阶中的能耗占比的主控岩层判别系数概念，并构建了具体的计算方法。

本文提出的主控岩层判别方法仅从理论方面进行了考虑，在实际取值计算过程中还需结合岩层自身的解理裂隙分布情况进行修正，此方面的量化系数的引入尚需进一步的研究；此外，文中现场测试部分对照组的冲孔现象还可能与填塞质量相关，尚需更多的工业测试进行详细的对比分析。