CN102937399B - 一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，本发明根据隧洞横断面形状和工程区域初始地应力的方位和大小来进行应力解除爆破孔的布置和设计起爆网络，在利用爆炸荷载损伤围岩的同时，充分利用深部岩体本身储存的应变能来进一步损伤围岩，以期在相同耗药量的前提下，产生范围尽可能大的弧形爆破松动区域，增大围岩的能量释放率，从而达到防治岩爆的最佳效果。本发明可广泛应用于高地应力条件下矿山、水利水电、交通等领域的深埋隧洞应力解除爆破施工，可以在同等爆破耗药量下，大幅提升岩爆防治的效果，应用前景广阔。

Description

一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法。

背景技术

岩爆是水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中围岩发生的一种剧烈动力破坏现象，是开挖诱发的开挖空间周围岩体的突然破坏，并伴随着受压岩石的应变能的突然释放，往往是以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象，可造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。

由于强烈岩爆的危害很大，目前世界范围内对强烈岩爆防治多采用锚杆支护、喷混凝土、钢筋网加喷混凝土以及注水软化等方法。工程实践证明，这些方法对于防治烈度等级较低的岩爆具有一定的效果，但对于高烈度等级的岩爆（例如，强烈岩爆和极强岩爆），上述方法被证明是被动的、消极的和非治本的。对于强烈岩爆和极强岩爆，上述方法很难达到满意的效果，而且施工过程非常危险，应力解除爆破法是一种针对强岩爆和极强岩爆较有效的防治方法。

应力解除爆破是一种围岩弱化方法，通过超前钻孔和适量装药对围岩结构进行改造，使设计部位的小部分岩体的刚度（变形模量等）降低，使钻孔及爆破影响范围内的岩体变为较弱的传力介质，变形加大，使局部围岩内的能量分布状态得到调整，应力集中程度得到改善，集中区向深部转移，从而达到防治岩爆的目的。应力解除爆破法在上世纪50年代在南非的威特沃特斯兰德（Witwatersrand）金矿中首次采用并获得广泛应用，国内较早地是从天生桥引水隧洞开挖开始研究应力解除爆破技术。

传统的应力解除爆破法仅仅着眼于使用炸药的爆破能量来对目标区域（即隧洞开挖后的围岩应力集中区）的岩体进行损伤或松动，忽略了对围岩本身所储存的应变能的利用。而事实上，深部岩体所储存的应变能的量十分巨大，如果能够在特定的条件下使其伴随爆破瞬态过程高速释放，可爆发出惊人的破坏力。岩体本身储存的能量可使地下巨型爆炸导致岩体破坏范围增加一倍。另外，现有的应力解除爆破法还处于经验阶段，解除爆破的起爆网路并没有针对应力解除爆破法自身的特点进行优化。因此，传统应力解除爆破法的爆破效果还有较大的提升空间。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，该方法在传统应力解除爆破法的基础上，采用了一种能充分利用围岩本身所储存的应变能的新的炮孔布置和起爆网络，从而可在相同耗药量的前提下，提高爆破效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，包括步骤：

步骤一，获得待开挖隧洞掌子面的大主应力和小主应力方向；

步骤二，在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排应力解除爆破孔，应力解除爆破孔的排数根据待开挖隧洞横断面的大小和已发生岩爆的等级确定，每排应力解除爆破孔的连线与掌子面的大主应力方向垂直或呈60~90°夹角；

步骤三，将炸药装入应力解除爆破孔底；

步骤四，采用微差起爆方法按排顺次起爆应力解除爆破孔。

上述待开挖隧洞掌子面的大主应力和小主应力方向根据地质勘探资料获得。

上述待开挖隧洞横断面的大主应力和小主应力方向根据待开挖隧洞掌子面上高应力破坏区的位置得到，具体为：

深埋隧洞高应力破坏区在待开挖隧洞掌子面上总是成对出现，两个高应力破坏区的中心连线方向即为小主应力方向，与小主应力方向垂直的方向即为大主应力方向。

上述每排应力解除爆破孔中位于两端的各1～2个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜，当该排应力解除爆破孔数不大于4时，则该排应力解除爆破孔中最外端的两个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜25～40°；当该排应力解除爆破孔数大于4时，则该排应力解除爆破孔中最外端的两个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜25～40°，该排应力解除爆破孔中次外端的两个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜10～15°。

上述应力解除爆破孔的排距为1~2m，且各排应力解除爆破孔的孔间距为1~2m。

上述应力解除爆破孔的深度为常规掘进进尺的2.0～3.0倍。

步骤三中应力解除爆破孔的装药段长度不超过应力解除爆破孔深度的1/3，且装药量不超过相同条件下松动爆破装药量的50%。

本发明基于上述应力解除爆破法还提出了一种掘进爆破方法，包括步骤：

首先，采用上述应力解除爆破方法进行应力解除爆破；然后，进行常规掘进爆破的钻孔和装药联网；最后，进行常规掘进爆破。

本发明基于上述应力解除爆破法还提出了另一种掘进爆破方法，包括步骤：

首先，采用上述应力解除爆破方法的步骤一～三布置应力解除爆破孔并装药；然后，进行常规掘进爆破的钻孔和装药；接着，将应力解除爆破孔和掘进爆破孔联于同一爆破网络中；最后，采用微差起爆方法先按排引爆应力解除爆破孔后再引爆掘进爆破孔。

鉴于传统的应力解除爆破法仅考虑利用爆炸荷载来损伤围岩，局部释放应力，本发明方法根据隧洞横断面形状和工程区域初始地应力的方位和大小来进行应力解除爆破孔的布置和设计起爆网络，在利用爆炸荷载损伤围岩的同时，充分利用深部岩体本身储存的应变能来进一步损伤围岩，以期在相同耗药量的前提下，产生范围尽可能大的弧形爆破松动区域，增大围岩的能量释放率，从而达到防治岩爆的最佳效果。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明将应力解除爆破孔连线设置成垂直于掌子面的大主应力方向或与掌子面的大主应力方向呈60~90°，应力解除爆破的效率更高，从而可以产生较大范围的爆破松动区域，能够大大增强对岩爆的防治效果。

2、本发明将应力解除爆破孔连线设置成垂直于掌子面的大主应力方向或与掌子面的大主应力方向呈60~90°，设置较少的应力解除爆破孔就可以获得更大的能量释放率，同时获得更大的爆破损伤区。

3、本发明的优选方案将每排应力解除爆破孔底部的连线设计成圆弧状，爆破产生的松动区域也会接近于圆弧形，有利于改善松动区域前段的应力状态、降低应力集中的程度；同时也有利于爆破松动区范围的扩大，对岩爆的防治起到利好作用。

4、本发明可广泛应用于高地应力条件下矿山、水利水电、交通等领域的深埋隧洞开挖或深部采矿过程中强烈岩爆的主动防治，在同等爆破耗药量下，能大幅提升岩爆防治的效果，应用前景广阔。

附图说明

图1为隧洞横断面上高应力破坏区与主应力方位的关系示意图；

图2为实施例1的城门洞型隧洞横断面上主应力方向的判断示意图；

图3为实施例1的城门洞型掌子面的应力解除爆破孔布置横剖面图；

图4为图3中的A-A剖面图；

图5为实施例2的圆型掌子面的应力解除爆破孔布置横剖面图；

图6为图5中的B-B剖面图。

具体实施方式

本发明方法基于爆破过程的被爆岩体的全部和围岩部分应变能的瞬态释放及原岩应力瞬态调整过程，在现有应力解除爆破法的基础上，采用全新的炮孔布置及起爆网络设计方案，以期在相同耗药量的前提下，提高围岩能量释放率及释放速率，以更加彻底地释放冲击倾向区域岩体的应变能，并尽可能产生范围较大的爆破损伤区，使局部围岩内的能量分布状态得到调整，应力集中程度得到改善，集中区向深部转移，从而改善应力解除爆破防治岩爆的效果。

下面将结合附图说明本发明的具体实施。

本发明的一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，包括步骤：

步骤一，获得待开挖隧洞掌子面的大主应力和小主应力方向。

待开挖隧洞横断面的大主应力和小主应力方向可直接根据地质勘探资料获得，也可根据待开挖隧洞横断面上高应力破坏区的位置得到。

高应力破坏区一般呈“V”型，其深度体现了隧洞横断面上初始地应力的量级，其V型缺口的半径和深度的比值体现隧洞横断面上大主应力σ₁和小主应力σ₃的相对大小；比值σ₁/σ₃越大，破坏区的半径越小，深度越大。两个主应力σ₁和σ₃与高应力破坏区深度及隧洞半径之间的统计关系可以表述为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_3({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)}{4{\mathrm{\σ}}_1}=\frac{d}{a}+0.51$

其中，d为高应力破坏区的深度；a为隧洞半径。

基于上述高应力破坏区的半径和深度与大、小主应力的关系，根据待开挖隧洞横断面上高应力破坏区的位置来获取大、小主应力方向，具体方法如下：

深埋隧洞高应力破坏区在掌子面上总是成对出现，两个高应力破坏区的中心连线方向即为小主应力方向，与小主应力方向垂直的方向即为大主应力方向。

步骤二，在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排应力解除爆破孔，所布置的应力解除爆破孔的排数根据待开挖隧洞横断面的大小和已发生岩爆的等级确定，每排应力解除爆破孔的连线垂直于掌子面的大主应力方向或与其呈60～90°大角度相交。待开挖隧洞掌子面面积越大、预报的岩爆等级越高，则应布置越多排数的应力解除孔。

所设置的应力解除爆破孔的排距和孔间距均为1~2m，应力解除爆破孔的深度为常规掘进进尺的2.0～3.0倍。

为了扩大爆破松动区范围，本发明的一种优选方案是：钻孔时，使得每排应力解除爆破孔中位于两端的各1～2个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线（即，开挖边界）外倾斜，参见图3。当该排应力解除爆破孔数不大于4时，仅该排应力解除爆破孔最外端的两个孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜，倾斜角度为25～40°；当该排应力解除爆破孔数大于4时，该排应力解除爆破孔最外端和次外端的四个孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜，最外端的两个孔向隧洞开挖轮廓线外倾斜25～40°，次外端的两个孔向隧洞开挖轮廓线外倾斜10～15°。采用上述方案所得到的应力解除爆破孔底部的连线为弧形，有利于爆破松动区范围的扩大。

步骤三，将炸药装入应力解除爆破孔底，装药段长度不超过应力解除爆破孔深度的1/3，且装药量不超过相同条件下松动爆破装药量的50%，松动爆破装药量一般可取常规掘进爆破装药量的1/3，因此，本发明中应力解除爆破孔内的装药量不超过相同条件下常规掘进爆破装药量的1/6。

步骤四，采用微差起爆方法按排顺次引爆应力解除爆破孔。

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例以某城门洞型掌子面为例。

首先通过待开挖隧洞横断面上高应力破坏区的位置得到隧洞横断面的大主应力σ₁方向和小主应力σ₃方向，参见图2，图中阴影部分为高应力破坏区。

参见图3，在城门洞形掌子面上布置5排应力解除爆破孔，每排应力解除爆破孔的连线方向垂直于大主应力σ₁方向。图4为图3中MS5排应力解除爆破孔的A-A剖面图，如图所示，该排应力解除爆破孔最外端的爆破孔1、5分别向隧洞开挖轮廓线以外倾斜30°，次外端的爆破孔2、4均向隧洞开挖轮廓线以外倾斜15°。除了MS5排应力解除爆破孔外，图3中MS1、MS3、MS7、MS9排应力解除爆破孔各自最外端的两个爆破孔也均向隧洞开挖轮廓线以外倾斜15°。这样，各排应力解除爆破孔底部的连线为弧形，这种发散的形状有利于爆破松动区范围的扩大。

对于岩爆风险较高的隧洞的钻爆开挖，一般采用较短的进尺。本实施例中采用的常规掘进爆破进尺为2m，则应力解除爆破孔深度可设置为4.0～6.0m。

严格控制应力解除爆破孔内的装药量，每个炮孔内装药量不得超过相同条件下松动爆破装药量的50%。装药位置位于应力解除爆破孔底，装药段长度不超过应力解除爆破孔深度的1/3。

假定本实施例的条件下常规掘进爆破孔深2m，堵塞0.5m，炮孔直径50mm，孔内装填直径为32mm的2#岩石乳化炸药，炸药密度1100kg/m³，药卷每节长20cm，重150g，常规掘进爆破单孔装药量为1125g，则应力解除爆破单孔内装药量为187.5g，即各应力解除爆破孔内大概可装1.5节2#岩石乳化炸药。

装药完毕后，利用微差起爆方法从上至下按排顺序起爆应力解除爆破孔，即按MS1、MS3、MS5、MS7、MS9顺序依次起爆，见图3。

实施例2

本实施例以某圆型掌子面为例。

首先通过待开挖隧洞横断面上高应力破坏区的位置得到隧洞横断面的大主应力σ₁方向和小主应力σ₃方向，参见图5。

如图5所示，在圆形掌子面上布置5排应力解除爆破孔，每排应力解除爆破孔的连线方向均垂直于大主应力σ₁方向。图6为图5中MS5排应力爆破孔的B-B剖面图，如图所示，该排应力解除爆破孔最外端的爆破孔1、5分别向隧洞开挖轮廓线以外倾斜30°，次外端的爆破孔2、4均向隧洞开挖轮廓线以外倾斜15°。除了MS5排应力解除爆破孔外，图5中MS1、MS3、MS7、MS9排应力解除爆破孔各自最外端的两个爆破孔也均向隧洞开挖轮廓线以外倾斜15°。

对于岩爆风险较高的隧洞的钻爆开挖，一般采用较短的进尺。本实施例中假定常规掘进爆破的进尺为2m，则应力解除爆破孔深度设置为4.0~6.0m。

严格控制应力解除爆破孔内的装药量，每个炮孔内装药量不得超过相同条件下松动爆破装药量的50%。装药位置位于应力解除爆破孔底，装药段长度不超过应力解除爆破孔深度的1/3。

假定本实施例中常规掘进爆破孔深2m，堵塞0.5m，炮孔直径50mm，孔内装填直径为32mm的2#岩石乳化炸药，炸药密度1100kg/m³，药卷每节长20cm，重150g，则常规掘进爆破单孔装药量为1125g，相应的应力解除爆破孔内装药量为187.5g，即每个应力解除爆破孔内大概可装1.5节2#岩石乳化炸药。

装药完毕后，利用微差起爆方法从左至右按排顺序起爆应力解除爆破孔，即按MS1、MS3、MS5、MS7、MS9顺序依次起爆，起爆顺序参见图5。

上述应力解除爆破方法可与常规的掘进爆破联于同一爆破网络中并先于掘进爆破起爆，也可单独先进行应力解除爆破，然后再进行常规掘进爆破的钻孔、装药联网和起爆。

Claims (9)

1.一种基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，获得待开挖隧洞掌子面的大主应力和小主应力方向；

步骤二，在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排应力解除爆破孔，应力解除爆破孔的排数根据待开挖隧洞横断面的大小和预报的岩爆等级确定，每排应力解除爆破孔的连线与掌子面的大主应力方向垂直或呈60~90°夹角； 

步骤三，将炸药装入应力解除爆破孔底；

步骤四，采用微差起爆方法按排顺次起爆应力解除爆破孔。

2.如权利要求1所述的基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于：

所述的待开挖隧洞掌子面的大主应力和小主应力方向根据地质勘探资料获得。

3.如权利要求1所述的基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于：

所述的待开挖隧洞掌子面的大主应力和小主应力方向根据待开挖隧洞横断面上高应力破坏区的位置得到，具体为：

获取待开挖区域的初始地应力场的方向和量级，通过现场围岩以待开挖洞段破坏程度对初始地应力场的方向和量级获取待开挖隧洞横断面上的一对高应力破坏区；高应力破坏区的中心连线方向即为小主应力方向，与小主应力方向垂直的方向即为大主应力方向。

4.如权利要求1所述的基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于：

所述的每排应力解除爆破孔中位于两端的各1～2个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜，当该排应力解除爆破孔数不大于4时，则该排应力解除爆破孔中最外端的两个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜25～40°；当该排应力解除爆破孔数大于4时，则该排应力解除爆破孔中最外端的两个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜25～40°，该排应力解除爆破孔中次外端的两个爆破孔均向隧洞开挖轮廓线外倾斜10～15°。

5.如权利要求1或4所述的基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于：

所述的应力解除爆破孔的排距为1~2m，且各排应力解除爆破孔的孔间距为1~2m。

6.如权利要求1或4所述的基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于：

所述的应力解除爆破孔的深度为常规掘进进尺的2.0～3.0倍。

7.如权利要求1或4所述的基于地应力瞬态释放的应力解除爆破方法，其特征在于：

所述的应力解除爆破孔的装药段长度不超过应力解除爆破孔深度的1/3，且装药量不超过相同条件下松动爆破装药量的50%。

8.一种掘进爆破方法，其特征在于，包括：

首先，采用权利要求1~7中所述的应力解除爆破方法进行应力解除爆破；然后，进行常规掘进爆破的钻孔和装药联网；最后，进行常规掘进爆破。

9.一种掘进爆破方法，其特征在于，包括：

首先，采用权利要求1~7中所述的步骤一～三布置应力解除爆破孔并装药；然后，进行常规掘进爆破的钻孔和装药；接着，将应力解除爆破孔和掘进爆破孔联于同一爆破网络中；最后，采用微差起爆方法先按排引爆应力解除爆破孔后再引爆掘进爆破孔。