摘要
针对硬岩巷道掏槽效果差的问题，提出了侧向环形切缝装药以提高槽腔内侧的破岩能力，理论分析了该装药的爆破效应，通过模型实验讨论了该装药爆破以后爆炸应变和爆生裂隙的分布特征，并开展现场试验探究了该装药的应用效果。结果显示：侧向环形切缝装药在切缝位置会形成聚能效应，促使切缝位置处岩体承受更强爆炸载荷，从而具有更强的裂隙扩展能力。侧向环形切缝管的存在会降低非切缝方向爆炸应变和提高切缝方向爆炸应变，应变分布特征证明了侧向环形切缝装药在切缝方向的聚能现象；并且通过观测宏观裂隙扩展情况，侧向环形切缝装药在切缝方向的裂隙扩展能力得到了明显提高。与常规柱状装药掏槽爆破技术相比，在硬岩巷道采用侧向环形切缝装药掏槽爆破技术可以提高掘进效率和减少掘进成本，结果验证了侧向环形切缝装药在硬岩巷道掏槽爆破中具有良好适用性。
图文摘要
To solve the problem of poor cutting effect in hard rock tunnels， a lateral annular cutting charge was developed to improve the rock breaking capacity inside the groove cavity. The blasting effects of lateral annular cutting charge were revealed by theoretical analysis and model experiments， and the applied efficacy of lateral annular cutting charge was verified through field tests.
钻爆法是岩巷掘进的主要施工方
岩石定向断裂爆破是在光面控制爆破的基础上发展而来的，在各类岩石定向断裂爆破方法中，切缝装药凭借其成本低廉、使用方便的特点得到了广泛应
为了改善硬岩巷道掏槽爆破效果，本研究提出在掏槽孔使用侧向环形切缝装药。但是，目前缺乏对侧向环形切缝装药爆破特性的认识，有关侧向环形切缝装药在掏槽爆破中的应用更是少见。基于此，本研究以侧向环形切缝装药为研究对象，理论分析其爆破效应，并通过模型实验揭示其爆破以后爆炸应变和爆生裂隙的分布特征，开展现场试验探讨其在硬岩巷道掏槽爆破中的应用效果。
图1 侧向环形切缝装药结构示意图
Fig.1 Structural diagram of lateral annular slit charge
图2 爆轰产物运动示意图
Fig.2 Diagram of the movement of detonation products
根据岩石破坏准
可见，在炸药外侧设置侧向环形切缝管形成侧向环形切缝装药，能够使得爆炸能量沿切缝位置定向释放形成聚能效应，进而提高切缝方向的破岩能力。
a. conventional column charge model
b. lateral annular slit charge model
图3 常规柱状装药和侧向环形切缝装药单孔爆破模型示意图
Fig.3 Diagramm of conventional column charge and lateral annular slit charge blasting models
除了开展爆炸应变测试之外，还要对宏观爆生裂纹的展布特征开展研究。鉴于应变测试所使用的应变砖会对裂纹演化造成影响，所以需要额外制备与上述爆破模型一致的两组爆破模型，爆破以后通过取芯、切片观察宏观爆生裂纹的分布情况，对比分析侧向环形切缝装药的裂纹展布特征。
钝化RDX和雷管均来自淮南舜泰化工有限责任公司。应变测试使用动态应变测试系统，该系统由BFH120‑5AA‑Q3型电阻应变片（蚌埠赛英电子科技发展有限公司）、KD7901型电桥盒（扬州科动电子有限责任公司）、CS‑1D型超动态电阻应变仪（秦皇岛信恒电子科技有限公司）和TST3604型动态测试分析仪（成都泰斯特电子信息有限责任公司）组成，如
图4 动态应变测试系统的组成图
Fig.4 Composition of dynamic strain testing system
爆破模型采用水泥砂浆进行制作，水泥砂浆的质量比是m水泥∶m细砂∶m水=1∶4∶1。在开始制作爆破模型之前，还需按照上述配合比提前制备应变砖，应变砖上贴有应变片。如
a. model pouring
b. curing and shaping
图5 爆破模型的制备图
Fig.5 Preparation pictures of blasting model
常规柱状装药制作过程需要借助直径10 mm、长度140 mm的热塑管，热塑管内部加入10 g钝化黑索今（RDX）和1发雷管，热塑管的两端用胶带密封处理。侧向环形切缝装药则选用外径14 mm、内径20 mm、长度140 mm的PVC管作为切缝管，PVC管中间位置开有一条半圈环形切缝，切缝宽度为3 mm，PVC管内部放入与上述常规柱状装药相同的药包。
将2种装药分别放入相应爆破模型的炮孔中，并对炮孔剩余长度进行封堵。同时，将应变片与动态应变测试系统相连，并把动态应变测试系统设置成“等待触发”状态。最后，引爆各组模型炮孔中的装药，装药被引爆的同时触发动态应变测试系统进行应变信号采集。
a. left symmetric direction
b. right symmetric direction
图6 常规柱状装药下测点应变时程曲线
Fig.6 Strain‑time curve of measuring points under conventional column charge
a. slit direction
b. non‑slit direction
图7 侧向环形切缝装药下测点应变时程曲线
Fig.7 Strain‑time curve of measuring points under lateral annular slit charge
为了便于比较，取各测点的峰值应变绘制成柱状图，如
a. conventional column charge model
b. lateral annular slit charge model
图8 不同爆心距下测点峰值应变
Fig.8 Peak strain of measuring point under different blasting center distance
然后，取常规柱状装药爆破模型左侧测点的峰值应变，与侧向环形切缝装药切缝和非切缝方向测点的峰值应变进行比较。在爆心距为40，80，120 mm处，非切缝方向测点与左侧测点的峰值应变之比分别为0.401，0.373，0.366，切缝方向测点与左侧测点的峰值应变之比分别为1.334，1.397，1.673。结果表明：在常规柱状装药外侧增加侧向环形切缝管，可以降低非切缝方向的爆炸应变和提高切缝方向的爆炸应变。
基于上述爆炸应变分布特征可以得出，常规柱状装药爆炸以后，爆炸能量在装药四周任何方向是等量均匀分配的；而侧向环形切缝装药爆炸以后，侧向环形切缝管对爆炸能量起到了调控作用，即在切缝方向存在一定的聚能现象。
本研究首先在炮孔近区钻孔取芯，取芯钻头以炮孔为中心位置进行定位，所获炮孔近区岩芯如
a. conventional column charge model
b. lateral annular slit charge model
图9 两组模型炮孔近区岩芯
Fig.9 Rock core near the blasting hole of two models
然后，对上述所取岩芯进行切片处理，每个岩芯取两个切片，其位置分别在装药中间位置的上、下方40 mm处。对于侧向环形切缝装药爆破模型来说，两个切片则分别位于切缝的上方与下方40 mm处。两种装药爆破模型的炮孔近区岩芯切片如
a. 40 mm above the middle of charge
b. 40 mm below the middle of charge
图10 常规柱状装药下炮孔近区岩芯切片
Fig.10 Slice of the rock core near blasting hole under conventional column charge
a. 40 mm above the middle of charge
b. 40 mm below the middle of charge
图11 侧向环形切缝装药下炮孔近区岩芯切片
Fig.11 Slice of the rock core near blasting hole under lateral annular slit charge
为了进一步研究两组模型爆生裂纹的分布特征，继续在炮孔远区进行钻孔取芯，取芯钻头以距离炮孔中心140 mm的位置为圆心。对于常规柱状装药爆破模型，选取每条裂纹的径向扩展方向；对于侧向环形切缝装药爆破模型，选取正对切缝的切缝方向和背对切缝的非切缝方向。炮孔远区的取芯位置如
a. conventional column charge model
b. lateral annular slit charge model
图12 炮孔远区取芯位置
Fig.12 Coring position in far area of blasting hole
常规柱状装药模型爆破后炮孔远区的裂纹分布情况如
a. extension direction of J1
b. extension direction of J2
c. extension direction of J3
图13 常规柱状装药下炮孔远区岩芯
Fig.13 Rock core away from the blasting hole under conventional column charge
侧向环形切缝装药模型爆破后炮孔远区的裂纹分布情况如
a. slit direction
b. non‑slit direction
图14 侧向环形切缝装药下炮孔远区岩芯
Fig.14 Rock core away from the blasting hole under lateral annular slit charge
由
侧向环形切缝装药模型爆破以后在非切缝方向能够形成水平裂纹，主要是由于爆破模型尺寸较小，水平宏观裂纹最初朝着切缝方向扩展，当裂纹前端到达模型边界时，爆生气体无法逃散且仍具有一定压力，于是促使水平裂纹朝着非切缝方向继续扩展延伸，导致非切缝方向产生水平裂纹。当爆破模型尺寸足够大，则水平宏观裂纹会一直朝着切缝方向扩展，裂纹扩展长度将会突破模型半径200 mm，而非切缝方向则不会形成水平爆破裂纹。由此可知，在炮孔中装填侧向环形切缝装药可以明显提高切缝方向的裂纹扩展能力。
为了探究侧向环形切缝装药的应用效果，在同一硬岩巷道选取岩性变化不大的某一区段，采用相同的炮孔布置和爆破参数，对掏槽孔采用常规柱状装药和侧向环形切缝装药分别实施若干次爆破掘进试验，然后对两种装药结构下的整体爆破效果进行统计分析。
现场试验在某煤矿巷道进行，巷道掘进宽度、掘进高度和掘进面积分别为5.0 m，3.7 m和17.35
现场试验所使用的侧向环形切缝管提前定制，包括管体和管盖两部分，管体上每隔100 mm设置一条半圈环形切缝，将炸药放置于管体当中并加扣管盖便得到侧向环形切缝装药。使用时将环形切缝对准槽腔内侧，其装药的制作与装填如
a. preparation
b. loading
图15 侧向环形切缝装药的制作与装填
Fig.15 Preparation and loading of lateral annular slit charge
由于测试手段的限制，目前无法在不影响整体施工进程的前提下单独对掏槽效果进行评估。因此，借助岩巷全断面爆破掘进的整体循环进尺、炮孔利用率和炸药单耗等指标来间接反映掏槽效果。对掏槽孔采用不同类型装药分别进行10次试验，全断面爆破效果统计见
| No. | conventional column charge | lateral annular slit charge | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I1 / m | I2 / % | I3 / kg· | I1 / m | I2 / % | I3 / kg· | ||
| 1 | 1.65 | 75.0 | 1.87 | 2.00 | 90.9 | 1.55 | |
| 2 | 1.70 | 77.3 | 1.82 | 2.10 | 95.5 | 1.47 | |
| 3 | 1.70 | 77.3 | 1.82 | 2.05 | 93.2 | 1.51 | |
| 4 | 1.65 | 75.0 | 1.87 | 2.15 | 97.7 | 1.44 | |
| 5 | 1.75 | 79.5 | 1.77 | 2.10 | 95.5 | 1.47 | |
| 6 | 1.65 | 75.0 | 1.87 | 2.10 | 95.5 | 1.47 | |
| 7 | 1.70 | 77.3 | 1.82 | 2.00 | 90.9 | 1.55 | |
| 8 | 1.75 | 79.5 | 1.77 | 2.05 | 93.2 | 1.51 | |
| 9 | 1.70 | 77.3 | 1.82 | 2.10 | 95.5 | 1.47 | |
| 10 | 1.75 | 79.5 | 1.77 | 2.05 | 93.2 | 1.51 | |
| average value | 1.70 | 77.3 | 1.82 | 2.07 | 94.1 | 1.50 | |
| relative value | - | - | - | 0.37 | 16.8 | ‑0.32 | |
Note： I1， I2 and I3 represent cycle footage， hole utilization rate and specific charge， respectively.
根据
（1）侧向环形切缝装药爆炸后在切缝位置会形成聚能效应，促使切缝位置处岩体承受更强爆炸载荷，进而形成相对发育的初始裂隙，然后引导大量爆生气体进入其中，促进裂隙进一步扩展延伸，最终切缝方向的破岩能力得到提高。
（2）常规柱状装药四周的爆炸应变沿炮孔中心对称分布，侧向环形切缝管的存在则会降低非切缝方向爆炸应变和提高切缝方向爆炸应变，应变分布表明常规柱状装药的爆炸能量沿装药四周均匀分配，而侧向环形环形切缝装药在切缝方向具有聚能现象。
（3）常规柱状装药爆破后形成了三条长度约100 mm径向宏观裂纹，裂纹扩展方向具有随机性；侧向环形切缝装药爆破后在切缝所在高度形成了一条水平宏观裂纹，该裂纹在切缝方向的扩展长度达到200 mm，表明切缝方向的裂隙扩展能力得到明显提高。
（4）与采用常规柱状装药掏槽技术相比，当采用侧向环形切缝装药掏槽技术，循环进尺和炮孔利用率分别提高了0.37 m和16.8%，炸药单耗降低了0.32 kg·
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