CN104390538A - 一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法，该方法在传统切槽爆破法和传统应力解除爆破法的基础上，不需要单独布孔，而是将原来的掘进爆破孔进行适当的重排和孔深加大，爆破出一个椭球面型掌子面及弧形爆破松动区，从而实现应力解除和掘进开挖同步进行，且能充分利用围岩本身所储存的应变能的新的施工工艺。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，能大幅提升岩爆防治的效果，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体的说是一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法。
背景技术
岩爆是水利水电工程、矿山、交通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，往往是一种以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象。
由于岩爆的危害很大，从20世纪60年代开始，国内外许多学者对此作了大量的研究。总的看来，采用的方法有两大类：一是控制炮孔的形状，二是调整装药的结构，在此基础上切槽爆破技术也应运而生。切槽爆破通过产生的裂隙能有效的控制爆破过程中应变能的释放，使高应力得以解除。然而，切槽施工工艺相对复杂，尤其在高地应力区，有时无法切出理想的槽腔而给施工带来不便。
应力解除爆破方法是一种通过超前钻孔和适量装药的方式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。然而，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，另外，传统应力解除法一般还需要单独钻孔，且大多是斜孔，施工成本和难度都较大。
传统切槽爆破法和传统应力解除法对深部岩体开挖具有很大的局限，且现有的切槽爆破和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，传统切槽以及应力解除爆破法还有较大的提升空间。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法，该方法在传统切槽爆破法和传统应力解除爆破法的基础上，不需要单独布孔，而是将原来的掘进爆破孔进行适当的重排和孔深加大，爆破出一个椭球面型掌子面及弧形爆破松动区，从而实现应力解除和掘进开挖同步进行，且能充分利用围岩本身所储存的应变能的新的施工工艺。
一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法，包括如下步骤：
步骤一，获得待开挖隧洞横断面的大主应力和小主应力方向；
步骤二，依照以单响药量为核心控制指标的钻爆设计方案在待开挖的隧洞掌子面上进行布孔、钻孔及装药；在钻孔时炮孔深度从内到外逐级递减，取掏槽孔深度为原掏槽孔深度的2.0～3.0倍，最外圈炮孔深度与原孔深相当，炮孔轮廓呈类似弧形；
步骤三，根据开挖区地应力的大小和方向对原掘进的爆破网络进行优化，炮孔起爆顺序重排，增加各微差段中联入大主应力方向的炮孔数，以达到在掌子面切出一个与大主应力方向近似垂直的空槽，并在此基础上逐段起爆各段炮孔，从而即达到应力解除，又达到掘进要求；
步骤四，将炸药装入爆破孔，正常掘进段装药结构与原爆破设计相同，应力解除段连续装药，装药量不多于钻孔超深的1/3；
步骤五，采用微差起爆方法按排顺次起爆开挖爆破孔。
上述待开挖隧洞横断面的大主应力和小主应力方向根据地质勘探资料获得。
所述的炮孔均是原来掘进爆破孔孔深增加后的爆破孔，且均是直孔。
上述掌子面切槽与爆破开挖掘进在同一网络中并利用同一炮孔完成，同时利用爆炸荷载和深部岩体本身储存的应变能损伤围岩，增大围岩的能量释放率，从而达到应力解除。
所述某一段大/小主应力方向的炮孔是指该微差段中炮孔连线与大/小主应力方向夹角为70°～90°的炮孔。
本发明一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法的优点是：
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，需要单独布置斜孔，独立联网以及传统掏槽爆破施工的繁杂，本发明方法在原来掘进爆破网络的基础上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对爆破孔进行重排以及加大炮孔深度，从而达到在掌子面上切槽的应力解除效果。本发明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，以期产生椭球面型掌子面及尽可能大的弧形爆破松动区，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开挖或深部采矿过程中强烈岩爆的主动防治，能大幅提升岩爆防治的效果，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明一实施例的圆型掌子面的爆破孔布置横剖面图；
图2为图1的A-A向剖面图；
图3为本发明又一实施例的城门洞型掌子面的爆破孔布置横剖面图；
图4为图3的B1-B2向剖面图。
图中，1为常规掘进深度，2为切槽应力解除装药段，3为常规掘进装药段。
具体实施方式
下面结合附图1-4，对本发明进行进一步说明。
实施例一
本实施例以某圆形型掌子面为例。
首先通过勘探和地质资料得到隧洞横断面的大主应力σ1方向和小主应力σ3方向，根据地应力的大小和方向对原先的掘进爆破网络的起爆顺序进行重排，使爆破网络形成与大主应力方向近似垂直的切槽形式。如图1中MS5段，此段炮孔连线近似与大主应力方向垂直，爆破时可以使应变能更充分的释放。另外，按照从内到外，即从掏槽孔到光爆孔的顺序炮孔深度逐渐减小的工艺钻孔，如图2中为与大主应力方向平行的爆破孔A-A剖面图，如图所示，从MS1到MS13，深度从原来2倍逐级递减到正常掘进深度。这样，各排爆破孔底部的连线为弧形，可以爆破出一个弧形空腔，其效果类似于切槽，可以引领应力波充分的释放，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，则掏槽孔深度可设置为4.0～6.0m。炮孔装药与原来炮孔装药一致。
装药完毕后，利用微差起爆方法依次起爆各炮孔段，即按MS1、MS3、MS5、MS7、MS9a/b、MS11a/b和MS13顺序依次起爆，见图1。
实施例2
本实施例以某城门洞型掌子面为例。
首先通过勘探和地质资料得到隧洞横断面的大主应力σ1方向和小主应力σ3方向，根据地应力的大小和方向对掘进爆破网络的顺序进行重排，使爆破网络形成与大主应力方向近似垂直的切槽形式。如图3中MS5段，此段炮孔连线近似与大主应力方向垂直，爆破时可以使应变能更充分的释放。另外，按照从内到外，即从掏槽孔到光爆孔的顺序炮孔深度逐渐减小的工艺钻孔，如图4中为过与大的应力垂直方向的爆破孔B1-B2剖面图，如图4所示，深度从原来2倍根据距离掏槽孔的距离逐级递减到正常掘进深度。这样，各排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，则掏槽孔深度可设置为4.0～6.0m。炮孔装药与原来炮孔装药一致。
装药完毕后，利用微差起爆方法依次起爆各炮孔段，即按MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13a/b、MS15和MS17顺序依次起爆，见图3。
本发明的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 (3)
1.一种基于掌子面切槽的应力解除爆破方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，获得待开挖隧洞横断面的大主应力和小主应力方向；
步骤二，依照以单响药量为核心控制指标的钻爆设计方案在待开挖的隧洞掌子面上进行布孔、钻孔及装药；在钻孔时炮孔深度从内到外逐级递减，取掏槽孔深度为原掏槽孔深度的2.0～3.0倍，最外圈炮孔深度与原孔深相当，炮孔轮廓呈类似弧形；
步骤三，根据开挖区地应力的大小和方向对原掘进的爆破网络进行优化，炮孔起爆顺序重排，增加各微差段中联入大主应力方向的炮孔数，以达到在掌子面切出一个与大主应力方向近似垂直的空槽；
步骤四，将炸药装入爆破孔，掘进段装药结构与原爆破设计相同，应力解除段连续装药，装药量不多于钻孔超深的1/3；
步骤五，采用微差起爆方法按排顺次起爆开挖爆破孔。
2.如权利要求1所述的基于掌子面切槽的应力解除爆破方法，其特征在于：所述的炮孔均是原掘进爆破孔孔深增加后的爆破孔，且均是直孔。
3.如权利要求1所述的基于掌子面切槽的应力解除爆破方法，其特征在于：所述某一段大/小主应力方向的炮孔是指该微差段中炮孔连线与大/小主应力方向夹角为70°～90°的炮孔。
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