一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法

摘要

本发明公开了一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法，包括以下步骤：采用炮泥机制作炮泥；选取陶粒支撑剂；将选取的陶粒支撑剂掺入水中，将掺入陶粒支撑剂的水灌入塑料袋中制作成水袋；使用钻孔台车在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排超前应力解除爆破孔；装药：采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构分次序装入水袋、炸药，用炮泥堵塞；采用微差起爆方法按排顺次起爆超前应力解除爆破孔；出渣，并重复循环上述步骤直至开挖完成。本发明方法适用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中强烈岩爆（冲击地压）的防治。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法，适用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中强烈岩爆（冲击地压）的防治。

背景技术

国家产业政策调整和西部大开发战略的实施，使我国水电建设进入发展的时期。与已建成的水利水电工程相比，当前开发的水电工程多处于我国西部地区的高山峡谷中，埋深极大，地应力水平极高。岩爆等工程地质问题多发，常常造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。

岩爆是高地应力的产物，国内外不少学者就岩爆问题进行了广泛的研究，也积累了很多岩爆防治的成功经验。目前防治岩爆多采用锚杆、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有一定的效果。但这种方法也被证明是被动、消极、非治本的，只适用于弱～中岩爆的情况。而对于强岩爆和极强岩爆，这些方法很难达到满意的效果，而且施工条件非常危险。

水压致裂技术自1947年在美国堪萨斯州试验成功至今已经过了半个多世纪的发展，作为油、气井增产增注的主要措施已广泛用于低渗透油、气田的开发中，并取得大量研究成果。Gidley(1959)、Veatch(1953)和Murdoch(1991)等都曾对此项技术作过综述研究，后来又被用于其他的岩体工程。其实质是在一段封闭的钻孔内注入高压水，使孔壁附近产生大量裂纹，使岩体中原有裂纹张开和扩展。要获得高渗透率的裂缝，必须加入支撑剂，支撑剂的作用在于支撑裂缝的两壁，以使原有裂纹的张开和扩展更具效果。水力压裂自20世纪40年代末开始以来，其支撑剂经历了半个多世纪的发展，所用的支撑剂大致可分为天然的和人造的两大类，前者以石英砂为代表，后者主要为电解、烧结陶粒。石英砂体积密度较高(1.6g/cm³左右)，圆球度较低(低于0.8)且在28MPa压力下开始破碎。因此，石英砂难以满足闭合压力为35MPa及以上的压裂作业。目前，水力压裂中主要使用陶粒支撑剂。

该技术通过增加岩体裂隙进而破坏其整体强度和软化岩体的双重作用来改变岩体的物理力学性质，达到防治岩爆的目的。但该技术存在施工成本较高、施工技术较为复杂、环境友好性较差等缺点。

超前爆破应力解除法是一种针对强岩爆和极强岩爆比较有效的防治方法，通过降低洞壁上的切向应力的幅值达到岩爆防治的目的，其具体做法该方法是在预计可能发生岩爆的洞段内，通过钻机进行垂直于掌子面的钻孔施爆工作，造成掌子面内相当深度的地方成为一个破碎带，以减轻掌子面上的压力，从而使岩爆的烈度和影响范围得以降低。这一技术是上世纪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。

炸药在岩体中爆炸瞬时释放出大量的爆炸能，并以动载荷的形式作用于周围介质，使岩体产生破碎。一般认为，岩体破碎的原因在于压应力，反射拉应力和高压爆生气体三者共同作用的结果。从岩石动力学观点看，钻爆开挖的实质是在岩体钻孔内施加爆炸荷载，通过爆炸荷载和孔壁围岩相互作用，达到破碎岩石、抛掷碎块，并完成开挖轮廓面上开挖荷载瞬态释放的过程。

传统的应力解除爆破法主要依靠炮孔中炸药爆破在围岩中产生的应力波以及爆破气体膨胀共同作用破碎炮孔围岩。然而炸药爆破能量因压缩炮孔中的空气受到一定损失，造成应力波强度下降，不利于开挖轮廓面上开挖荷载的瞬态释放。传统的应力解除爆破法炮孔采取用土或岩屑堵塞炮孔或无回填堵塞，存在爆破不能充分利用炸药能量，污染环境两大问题。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。

在无限岩体条件下，炸药起爆后，在炮孔附近由内向外依次产生爆炸冲击波、爆炸应力波和地震波，岩石在剧烈的爆炸荷载作用下，呈现出不同的损伤和破碎状态。通常把爆破影响范围划分为粉碎区、径向开裂区和弹性区三部分，如图1所示。粉碎区和弹性区之间的整个区域（径向开裂区）完全破坏，岩石没有环向承载力，只能传递径向应力。然而在实际情况中，炮孔远区的岩石受到极高的径向压应力，在泊松效应的作用下，必然会受到周围岩石的约束，从粉碎区到弹性区之间的岩石不可能完全破坏。靠近粉碎区的岩石，主要受径向和环向应力，主要破坏形式是压剪破坏；而靠近弹性区的岩石，主要受裂纹扩展造成的径向开裂，主要破坏形式是拉裂破坏，宏观表现就是部分大裂纹和大量微裂纹。

随着爆破破岩技术的发展，径向开裂区的破碎效果称为一个改进方向，可以采取一些工程措施大大增强径向开裂区，以达到更好的破岩效果，同时使应力释放更彻底、应力释放范围更大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法，可进一步地加强钻爆开挖瞬态卸载效应，达到防治深埋地下洞室开挖过程中的岩爆的效果，广泛适用于水利水电工程、交通、矿山等领域，环保施工，简便实用。

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法。该方法在传统应力解除爆破法的基础上，利用水作中间介质，以水代替空气，传递爆炸压力，大大增强爆破径向开裂区，从而达到提高炸药能量利用率、加强瞬态卸载效应，使应力释放更彻底、应力释放范围更大，提高岩爆防治效果、提高施工效率、提高经济效益和保护作业环境的目的。水中掺一定细度的陶瓷原料制备的球形颗粒即陶粒支撑剂，通过爆炸压力楔入裂隙中，形成永久应力释放区，同时缝内充水，软化岩体，改善围岩的物理力学特性，能显著降低岩爆的风险。陶粒支撑剂的优点：①抗盐、耐温性能；②具有较高的强度；③其破碎率在相同的闭合压力下与石英砂相比要更低一些，而随着闭合压力的增加或承压时间的延长，其破碎率与石英砂相比同样也要低很多，因此具有较好的应力释放效果。

本发明主要利用以下原理：

（1）与空气相比，水的密度大，可压缩性小，故炸药在水中爆炸时，水本身消耗的变形能很少，爆炸能量的传递效率高。利用爆炸应力波在水中的传播速度快、消耗能量少的特性将炸药爆炸时的爆轰波快速、高效、充分地传递到炮孔壁，快速形成对炮孔围岩的冲击。

（2）水是液体，流动性大，是波的良导体。但水的可压缩性差，通常作为不可压缩的介质对待。利用水的不可压缩性把炸药爆轰时产生的气体产物的膨胀压力均匀地传递至炮孔壁，在爆炸冲击波离开后，爆炸产物在水中以气泡的形式继续膨胀，形成气泡胀缩脉动（或气泡脉动），这种高压气团的膨胀力（即气泡的脉动作用）和由其所形成的高速水流作用于炮孔表面，继爆炸冲击波之后又一次对炮孔围岩施加突跃荷载，加剧炮孔围岩的破裂，以水代替空气，大大增强爆破径向开裂区。水中掺一定细度的陶粒支撑剂，用于充填压裂产生的水力裂缝，使之不再重新闭合，通过爆炸压力楔入裂隙中，形成永久应力释放区，同时缝内充水以软化岩体，改善围岩的物理力学特性，显著降低岩爆的风险。

（3）水压致裂的实质是在一段封闭的钻孔内注入高压水，使孔壁附近产生大量裂纹，使岩体中原有裂纹张开和扩展。利用在炸药爆炸的一瞬间渗流到炮孔周围裂缝中的水形成“水楔”的水压致裂作用与爆轰气体产物形成的“气楔”的劈裂作用使爆生裂隙得以扩展和延伸。而且由于水的传能作用，水携带的能量远远高于气体携带的能量，“水楔”的致裂作用远远大于“气楔”。同时在水中掺入陶粒支撑剂，可以起到传递能量的作用，使炸药的爆炸能通过水与支撑剂进一步传递到岩体中，大大增强爆破径向开裂区，从而提高炸药能量利用率、加强瞬态卸载效应，使应力释放更彻底、应力释放范围更大，提高岩爆防治效果。

本发明提出一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法，包括以下步骤：

一、采用炮泥机制作炮泥；

二、选取抗压强度高于欲实施岩爆防治措施区域地应力强度的陶粒支撑剂；将陶粒支撑剂掺入水中，然后将掺入陶粒支撑剂的水灌入塑料袋中后将塑料袋封口，制作成水袋；

三、使用钻孔台车在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排超前应力解除爆破孔，超前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；

四、超前应力解除爆破孔装药：采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构：先在炮孔底部装入水袋，然后装入炸药，最后在炮孔顶端用炮泥堵塞；

五、采用微差起爆方法按排顺次起爆超前应力解除爆破孔；

六、出渣，并重复循环上述步骤直至开挖完成；其中，

步骤一、二、三无先后顺序。

步骤一中所述炮泥根据炮孔尺寸按照土:砂:水=0.75:0.1:0.15的比例制作，炮泥在使用前1～2h制作好。

步骤二中所述陶粒支撑剂按照以下方法选取：当地应力强度在52MPa以下时，选用粒径为0.45～0.9mm的陶粒支撑剂；当地应力强度在52~69MPa时，选用粒径为0.9～1.25mm的陶粒支撑剂；当地应力强度在69~86MPa时，选用粒径为1.0～1.70mm的陶粒支撑剂。

步骤二中所述水袋使用塑袋灌装封口机加工制作。

步骤二中所述塑料袋为聚乙烯塑料材质，其尺寸为长200mm、直径35mm、袋厚0.8mm。

步骤四中炮孔内装药量不得超过相同条件下松动爆破装药量的50%，从超前应力解除爆破孔底端开始装药，装药段长度不超过超前应力解除爆破孔深度的1/3。

本发明基于上述基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法还提出了一种掘进爆破方法，包括以下步骤：

一、采用炮泥机制作炮泥；

二、选取抗压强度高于欲实施岩爆防治措施区域地应力强度的陶粒支撑剂；将陶粒支撑剂掺入水中，然后将掺入陶粒支撑剂的水灌入塑料袋中后将塑料袋封口，制作成水袋；

三、使用钻孔台车在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排超前应力解除爆破孔，超前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；

四、超前应力解除爆破孔装药：采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构：先在炮孔底部装入水袋，然后装入炸药，最后在炮孔顶端用炮泥堵塞；

五、使用钻孔台车钻常规掘进爆破孔，然后对常规掘进爆破孔装药：采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构分次序装入水袋、炸药，用炮泥堵塞；

六、将超前应力解除爆破孔和常规掘进爆破孔联于同一爆破网络中；

七、采用微差起爆方法先安排引爆超前应力解除爆破孔后再引爆常规掘进爆破孔；其中，

步骤一、二、三无先后顺序。

步骤一中所述炮泥根据炮孔尺寸按照土:砂:水=0.75:0.1:0.15的比例制作，炮泥在使用前1～2h制作好。

步骤二中所述陶粒支撑剂按照以下方法选取：当地应力强度在52MPa以下时，选用粒径为0.45～0.9mm的陶粒支撑剂；当地应力强度在52~69MPa时，选用粒径为0.9～1.25mm的陶粒支撑剂；当地应力强度在69~86MPa时，选用粒径为1.0～1.70mm的陶粒支撑剂。

本发明上述方法可应用于水利水电工程、交通、矿山领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中强烈岩爆的防治。

鉴于传统的应力解除爆破法仅依靠炮孔中炸药爆破在围岩中产生的应力波以及爆破气体膨胀的共同作用破碎炮孔围岩，本发明方法往炮孔中一定位置注入一定量的水袋，并用专用的“炮泥”回填堵塞炮孔，利用在水中传播的冲击波对水的不可压缩性，使爆炸产生的爆轰波（能量）经过水传递到围岩中几乎无损失；水中掺一定细度的陶粒支撑剂，用于充填压裂产生的水力裂缝，使之不再重新闭合，通过爆炸压力楔入裂隙中，形成永久应力释放区，扩大应力解除爆破成缝效果。同时，缝内充水以软化岩体，改善围岩的物理力学特性，显著降低岩爆的风险。水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”具有水压致裂效应，楔入围岩裂隙，使围岩损伤范围扩大，同时更进一步地加强瞬态卸载效应，使应力释放更彻底、应力释放范围更大，提高岩爆防治效果；另外，炮孔底部水袋水击波反射作用加强应力波强度更有利于围岩破碎炮孔而不留炮根，加强爆破横向破岩效果；最后，炮孔中的水可以起到雾化降尘作用，大大降低爆破粉尘对环境的污染，真正做到了环保施工，从而达到防治岩爆的最佳效果。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

（1）可直接利用市场上现有的炮泥机、塑袋灌装封口机等工程机械实现该方法，简便易行；

（2）利用在水中传播的冲击波对水的不可压缩性与水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”具有的水压致裂效应，提高炸药能量利用率，使围岩损伤范围扩大，同时更进一步地加强瞬态卸载效应，使应力释放更彻底、应力释放范围更大，提高岩爆防治效果。

（3）水中掺一定细度的陶粒支撑剂，用于充填压裂产生的水力裂缝，使之不再重新闭合，通过爆炸压力楔入裂隙中，形成永久应力释放区，同时缝内充水以软化岩体，改善围岩的物理力学特性，显著降低岩爆的风险。

（4）炮孔底部水袋水击波反射作用加强应力波强度更有利于围岩破碎炮孔而不留炮根，加强爆破横向破岩效果。

（5）炮孔中的水形成的水雾作用有利于降尘和吸附有害有毒气体，大大降低爆破粉尘对环境的污染，真正做到环保施工。

附图说明

图1为爆破分区示意图；

图2为装药结构图；

图3为超前应力解除爆破孔横断面示意图；

图4为超前应力解除爆破孔纵断面示意图；

图5为超前应力解除爆破孔爆后效果图，其中，(a)无陶粒支撑剂，(b)含陶粒支撑剂。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

一种基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法，包括如下步骤：

步骤一：

采用PNJ-A型炮泥机制作炮泥。制作炮泥可就地取材，节约成本，按照土:砂:水=0.75:0.1:0.15的比例制作。炮泥不应过软或过硬，过软捣固时容易挤压出炮孔口，过硬捣固时不易把炮泥捣固碎，堵塞不坚实。制作好的炮泥放置时间不应过长，最好在使用前1～2h制作好，否则会失水变硬，堵塞后影响降尘效果;如放置时间较长，可在加工好的炮泥外包裹塑料薄膜，或放置在阴凉处。

步骤二：

（一）选取陶粒支撑剂。目前在市场上有不同厂家提供不同产品规格的陶粒支撑剂，主要有低密度高强度陶粒支撑剂、中密度高强度陶粒支撑剂、高密度高强度陶粒支撑剂三类，三者区别为抗压强度不同，应当根据地应力与炮孔直径选取不同类别与粒径的陶粒支撑剂，基本原则为在考虑经济性的前提下应当保证陶粒支撑剂的抗压强度高于欲实施岩爆防治措施区域的地应力强度。

表1 陶粒支撑剂产品规格

陶粒支撑剂类别抗压强度(MPa)粒径(mm)低密度高强度520.45～0.9中密度高强度690.9～1.25高密度高强度861.0～1.70

当地应力强度在52MPa以下时，选用粒径为0.45～0.9mm的陶粒支撑剂；当地应力强度在52~69MPa时，选用粒径为0.9～1.25mm的陶粒支撑剂；当地应力强度在69~86MPa时，选用粒径为1.0～1.70mm的陶粒支撑剂。

（二）使用KPS-60塑袋灌装封口机加工制作水袋。水袋的原材料即为掺入一定细度陶粒支撑剂的水和塑料袋。将一定细度陶粒支撑剂与水混合即可得到掺入一定细度陶粒支撑剂的水。使用塑袋灌装封口机将掺入一定细度陶粒支撑剂的水灌入直接购买的塑料袋中，制作成水袋。塑料袋为常用的聚乙烯塑料材质，为厂制品直接购买，长200mm，直径为35mm，袋厚约0.8mm。具体操作：首先将水管连接塑袋灌装封口机，并用塑袋灌装封口机扎圈锁紧为防漏气；打开塑袋灌装封口机电源调节温度到220℃~230℃，预热十到十二分钟；试运转塑袋灌装封口机，从塑袋灌装封口机出水口排除气体；然后把塑料袋套在塑袋灌装封口机出水口上，按动塑袋灌装封口机电钮，掺入一定细度陶粒支撑剂的水即可由水管灌入塑料袋中，随后塑料袋被自动封口，水袋便加工成。

步骤三：

使用钻孔台车在待开挖隧洞掌子面上布置至少3排超前应力解除爆破孔，超前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。

步骤四：

装药，采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构分次序装入水袋、炸药，用炮泥堵塞：先在炮孔底部装入水袋，然后装入炸药，最后在炮孔顶端用炮泥堵塞。

步骤五：

采用微差起爆方法按排顺次起爆超前应力解除爆破孔。

步骤六：

出渣，并重复循环上述步骤直至开挖完成。

上述步骤一、二、三相互之间无先后顺序。

本发明基于上述基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法还提出了一种掘进爆破方法，包括步骤：

首先，采用上述基于爆夯水压致裂的岩爆防治方法的步骤一至步骤四制作炮泥、选取陶粒支撑剂并制作水袋、布置超前应力解除爆破孔并装药；然后，使用钻孔台车钻常规掘进爆破孔，并采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构进行装药，先在炮孔底部装入水袋，然后装入炸药，最后在炮孔顶端用炮泥堵塞；接着，将超前应力解除爆破孔和常规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安排引爆超前应力解除爆破孔后再引爆常规掘进爆破孔。

实施例二：

为说明本发明所述方法实施方式，以某城门洞型掌子面为例。

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，则超前应力解除爆破孔深度可设置为4.0~6.0m。

严格控制超前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%。从超前应力解除爆破孔底端开始装药，装药段长度不超过超前应力解除爆破孔深度的1/3。

假定本实施例的条件下超前常规掘进爆破孔深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，即各超前应力解除爆破孔内大概可装1.5节2#岩石乳化炸药。

步骤一：

根据炮孔尺寸按照土:砂:水=0.75:0.1:0.15的比例使用泡泥机制作炮泥。

步骤二：

（1）根据地应力与炮孔直径选取不同类别与粒径的陶粒支撑剂；

（2）然后使用塑袋灌装封口机将掺入一定细度陶粒支撑剂的水灌入直接购买的塑料袋中，制作成水袋。塑料袋为常用的聚乙烯塑料材质，为厂制品直接购买，长200mm，直径为35mm，袋厚约0.8mm。具体操作：首先连接水管，并用扎圈锁紧为防漏气；打开电源调节温度到220℃，预热十分钟；试运转从出水口排除气体；然后把塑料袋套在出水口上，一按电钮掺入一定细度陶粒支撑剂的水即可冲入袋中，随之自动封口，水袋便加工完成。

步骤三：

参见图3，在城门洞形掌子面上布置5排超前应力解除爆破孔。图4为图3中MS5排超前应力解除爆破孔的A-A剖面图，如图4所示，该排超前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30º，次外端的爆破孔2、4均向隧洞开挖轮廓线以外倾斜15º。除了MS5排超前应力解除爆破孔外，图3中MSl、MS7、MS9排超前应力解除爆破孔也是如此。这样，各排超前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，如图4所示。

步骤四：

采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构（如图2所示），对超前应力解除爆破孔进行装药：先在炮孔底部装入水袋，然后装入炸药，最后在炮孔顶端用炮泥堵塞。

步骤五：

使用钻孔台车钻常规掘进爆破孔，并采用炮孔底水袋及炮孔顶炮泥复合回填堵塞的装药结构（如图2所示）进行装药：先在炮孔底部装入水袋，然后装入炸药，最后在炮孔顶端用炮泥堵塞。

步骤六：

将超前应力解除爆破孔和常规掘进爆破孔联于同一爆破网络中。

步骤七：

装药完毕后，利用微差起爆方法先安排引爆超前应力解除爆破孔后再引爆常规掘进爆破孔。

上述步骤中，步骤一、二、三之间无先后顺序。

实施例二的爆破后超前应力解除爆破孔爆后效果如图5(a)所示。

实施例三：

为对比有无陶粒支撑剂下的应力解除效果，在相同地质条件下的另一掘进进尺中采用相同的装药结构与钻孔方式，仅在水袋制备时不掺入陶粒支撑剂（实施例三与实施例二的唯一区别在于水袋中不掺入陶粒支撑剂），使之与含陶粒支撑剂的工况进行对比。

实施例三的爆破后超前应力解除爆破孔爆后效果如图5(b)所示。

实施例二的超前应力解除爆破孔爆后效果（无陶粒支撑剂）如图5(a)所示，实施例三的超前应力解除爆破孔爆后效果（含陶粒支撑剂）如图5(b)所示，在陶粒支撑剂与水的共同作用下爆破成缝更为剧烈，应力解除效果更好。