柱狀藥包爆炸應(yīng)力場(chǎng)及在地下中深孔爆破中的應(yīng)用＊

王德勝，龔 敏，王子學(xué)，張文哲

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

目前我國(guó)金屬露天礦的全部及地下礦的近85%采用中深孔爆破破碎礦巖，但中深孔爆破仍依托球形藥包爆破理論設(shè)計(jì)，存在不少無(wú)法克服的技術(shù)缺陷，特別是井下扇形炮孔爆破時(shí)孔底距與孔口距不等，炸藥在被爆破巖體內(nèi)分布不均［1］;以球形集中爆轟理論設(shè)計(jì)確定的裝藥，使孔口部過(guò)渡破碎，孔易出現(xiàn)大塊或懸頂現(xiàn)象;在地下深部開(kāi)采時(shí)，高地壓將以巷道、炮孔形成的內(nèi)部空間為釋放自由面，特是遇軟弱、破碎的礦巖，常造成炮孔縮孔、錯(cuò)孔、堵孔等破壞，致使中深孔裝藥困難，甚至無(wú)法裝藥。加球形藥包本身固有的爆轟特性，上向扇形孔同排多個(gè)群藥包爆破時(shí)，整體效果較差。針對(duì)集中藥包爆破理論的缺陷與指導(dǎo)中深孔爆破設(shè)計(jì)時(shí)的不符，提出了以柱狀裝藥為特征的條形藥包理論［2］，基本思就是利用中深孔炮孔長(zhǎng)徑比大的特點(diǎn)，力求爆炸能量在巖體中均勻分布，從而實(shí)現(xiàn)效果好，效率高的破。遺憾的是，柱狀藥包爆破的理論研究目前還相當(dāng)欠缺，許多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有弄清楚，研究工作遠(yuǎn)比形藥包復(fù)雜，理論研究難度大且進(jìn)展緩慢，致使廣泛應(yīng)用的柱狀藥包爆破設(shè)計(jì)沒(méi)有擺脫靠經(jīng)驗(yàn)的局面

1 柱狀藥包爆炸應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖Fig.1 Layout of experimental model

進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn):2組采用柱狀藥包模型，1組采用集中藥包模型。2組柱狀藥包實(shí)驗(yàn)的藥柱長(zhǎng)度、線裝藥密度、裝藥量保持一致;且集中藥包的總藥量與柱狀藥包總藥量也相同。集中藥包直徑為10 mm;柱狀藥包直徑為6 mm，長(zhǎng)為 4.2 cm，線裝藥密度為 3.45 g/m，裝藥量為 145 mg，炸藥為迭氮化鉛。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?50 mm×250 mm×80 mm，取相同的剖面進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析。藥包布置如圖1所示;對(duì)于柱狀藥包，一組實(shí)驗(yàn)從O點(diǎn)起爆、另一組實(shí)驗(yàn)從O、F等2點(diǎn)同時(shí)起爆。數(shù)據(jù)分析時(shí)選取OA、EE剖面分別對(duì)藥包的軸線方向(端部)、中垂線方向進(jìn)行研究。其中OA剖面取O點(diǎn)為原點(diǎn)，中垂線剖面原點(diǎn)在E點(diǎn)。3組實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波傳播的記錄時(shí)間相同，分別為炸藥爆炸后 18、33、45、63 μs。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖2～4是按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)爆破后獲得的3組全息動(dòng)光彈等差條紋圖。

圖2 集中爆破載荷動(dòng)光彈等差條紋Fig.2 Dynamic photo-elasticity isochromatic fringe of globular charge denotation

圖3 單點(diǎn)起爆時(shí)的柱狀藥包動(dòng)光彈等差條紋Fig.3 Dynamic photo-elasticity isochromatic fringe of linear charge detonated at one end

圖4 同時(shí)起爆時(shí)的柱狀藥包動(dòng)光彈等差條紋Fig.4 Dynamic photo-elasticity isochromatic fringe of linear charge detonated synchronously at two ends

1.2.2 集中藥包與柱狀藥包中垂線方向上的應(yīng)力場(chǎng)

中垂線剖面上的應(yīng)力分布是爆破應(yīng)力疊加效果最直接的體現(xiàn)，也是爆炸應(yīng)力場(chǎng)全場(chǎng)最大應(yīng)力分布的區(qū)段，因此有必要對(duì)中垂線方向上的應(yīng)力條紋級(jí)次變化進(jìn)行研究。

根據(jù)應(yīng)力-光性定律，最大剪應(yīng)力與激光條紋級(jí)數(shù)之間存在下列線性關(guān)系

式中:Nc為等差條紋級(jí)數(shù);t為模型厚度;fσd為動(dòng)態(tài)等差材料條紋值。

將3個(gè)爆破模型不同時(shí)刻的受力區(qū)間內(nèi)的平均條紋級(jí)數(shù)(最大剪應(yīng)力)、最大條紋級(jí)數(shù)讀出，畫成圖5以便直觀地反映模型中垂線方向上條紋級(jí)數(shù)Nc隨距離藥包中心距離d變化的情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)集中爆破載荷不僅在中垂線上受力區(qū)段最短，而且應(yīng)力極值也最小。對(duì)于柱狀藥包，一端起爆模型在初期t1=18 μs時(shí)條紋級(jí)值最大的，為14.5級(jí)，同時(shí)起爆模型極值為11.5級(jí)?？傮w來(lái)看，一端起爆在爆炸應(yīng)力波傳播的動(dòng)態(tài)過(guò)程中維持了較高的應(yīng)力值，同時(shí)起爆柱狀藥包雖然由于相向應(yīng)力波的強(qiáng)烈迭加在33 μs達(dá)到全場(chǎng)的最大應(yīng)力，但從維持較長(zhǎng)時(shí)間高應(yīng)力區(qū)考慮，顯然一端起爆效果較好。

圖5 EE剖面上條紋級(jí)次變化規(guī)律Fig.5 Fringe order distribution on EE profile

1.2.3 端部效應(yīng)

將2種柱狀藥包與集中藥包模型軸線延長(zhǎng)線的條紋級(jí)次變化進(jìn)行對(duì)比，圖6給出了3個(gè)模型沿OA剖面等差條紋級(jí)數(shù)的變化規(guī)律。在記錄的任何時(shí)刻軸線相同位置處，集中爆破載荷的條紋級(jí)數(shù)明顯比2種柱狀藥包模型大得多。2種柱狀藥包模型的應(yīng)力場(chǎng)總體相當(dāng)且較低，并且隨時(shí)間變化小，且與起爆方式無(wú)關(guān)，始終存在端部方向應(yīng)力場(chǎng)較其他方向顯著減弱的情況。而集中爆破載荷在同一半徑處應(yīng)力場(chǎng)是相等的，因此端部方向較2種柱狀藥包的應(yīng)力條紋級(jí)數(shù)高得多。這一點(diǎn)對(duì)巖石爆破可能是一個(gè)缺陷，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)正是利用這一特點(diǎn)以減少爆破對(duì)軟弱礦巖中孔口部位巷道眉線的破壞影響。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)對(duì)于中深孔爆破，以往將它簡(jiǎn)化為集中爆破載荷處理是錯(cuò)誤的，二者不僅在應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布及強(qiáng)度大小上有本質(zhì)不同，而且即使對(duì)于柱狀藥包的不同起爆方式，應(yīng)力波的傳播規(guī)律和應(yīng)力分布也存在巨大的差別。

(2)中深孔爆破應(yīng)力場(chǎng)作用的關(guān)鍵區(qū)域在中部:在爆破作用的主要時(shí)間內(nèi)，集中藥包受力區(qū)間最小，柱狀藥包2種模型受力段差別不明顯，但同時(shí)起爆在爆破后期中部受力區(qū)間大于一端起爆的情況。平均應(yīng)力條紋強(qiáng)度及各時(shí)刻條紋極值均以一端起爆最大，同時(shí)起爆柱狀藥包與集中爆破模型在相同量級(jí)。

(3)在柱狀藥包應(yīng)力波傳播的初期(本模擬研究在起爆后33 μs)，即波陣面到達(dá)藥柱長(zhǎng)度的2倍或3倍時(shí)應(yīng)力場(chǎng)平均強(qiáng)度和應(yīng)力峰值達(dá)到整個(gè)過(guò)程的最大值。集中載荷達(dá)到最大值的時(shí)間較前者晚，本研究在起爆后45 μs。

(4)集中爆破載荷由于應(yīng)力波傳播的對(duì)稱性，沒(méi)有端部應(yīng)力降低效應(yīng)的產(chǎn)生。對(duì)于柱狀藥包，無(wú)論以何種方式起爆，端部效應(yīng)現(xiàn)象始終存在，利用這一特點(diǎn)可以減小巷道的破壞。

(5)從全應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度、均勻性綜合考慮，在采用柱狀藥包進(jìn)行井下上向扇形中深孔爆破時(shí)，推薦使用孔底單點(diǎn)起爆柱狀藥包的方式。

圖6 OA剖面上條紋級(jí)次的變化規(guī)律Fig.6 Fringe order distribution on OA profile

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

采用扇形布孔方式的中深孔爆破是井下采礦爆破的主要方式，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，采用孔底起爆法［3-4］，結(jié)合寬孔距大密集系數(shù)m布孔［5-8］等配套技術(shù)，用爆破后不合格大塊率k和巷道眉線破壞距離L為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合小官莊鐵礦的現(xiàn)場(chǎng)條件，確定了對(duì)炮孔排距w、孔底距a和起爆位置3個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了不同參數(shù)水平的擬水平法正交實(shí)驗(yàn)。共進(jìn)行了9個(gè)組別計(jì)44排中深孔爆破實(shí)驗(yàn)，爆破后跟班觀察、統(tǒng)計(jì)爆破效果，組中各排爆破效果取平均值作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

在方差分析的基礎(chǔ)上，明確了影響中深孔爆破效果的關(guān)鍵因素，制定了改善爆破效果的技術(shù)措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:

(1)孔底起爆法:根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，改變傳統(tǒng)的孔口起爆法而采用孔底起爆法，并結(jié)合技術(shù)參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析后，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)起爆藥包的位置對(duì)爆破效果影響最顯著，不僅可以改善爆破效果，而且對(duì)巷道眉線破壞距離降低有利。

(2)改變柱狀藥包中部應(yīng)力可使爆破礦巖破碎塊度均勻:實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用排距1.6 m、孔底距2.4～2.6 m，孔底密集系數(shù)1.5～1.7的孔網(wǎng)參數(shù)，并結(jié)合孔底起爆方式能較大幅度改善中深孔爆破破碎效果，提高采礦效率。

(3)利用端部效應(yīng)減小巷道眉線破壞:根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分利用孔底起爆時(shí)柱狀藥包爆炸壓力加強(qiáng)崩礦中、底部的破碎效果;在孔口加大中間炮孔不裝藥長(zhǎng)度至5 m，兩翼炮邊孔1.5～3.5 m的措施，不僅可以改善爆破效果，同時(shí)可以大幅減小爆破對(duì)炮孔完整性的影響及巷道眉線破壞。

表1 中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of optimization of middle-depth hole blasting parameters

3 結(jié)語(yǔ)

在模型實(shí)驗(yàn)對(duì)球形集中藥包和柱狀藥包對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，明確了2種裝藥形式爆炸應(yīng)力場(chǎng)的差異;對(duì)柱狀藥包不同起爆位置應(yīng)力場(chǎng)特征的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步深化了對(duì)柱狀藥包爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，利用柱狀藥包一端起爆時(shí)爆轟波的傳播特征，采用孔底起爆法，并配合寬孔底距大密集系數(shù)布孔，充分利用柱狀藥包中、底部應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)，大幅度改善了小官莊鐵礦井下高壓力、軟弱、破碎礦體上向扇形中深孔爆破效果，大塊率平均由7.5%降至(1.5～2.6)%，炸藥單耗從0.65 kg/t降至0.45 kg/t;有效降低了爆破成本，提高了礦石回收率。

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