最小抵抗線對(duì)深孔巖石爆破塊度的影響

周 游， 陳作彬， 王 靜， 謝興博， 溫尊禮

(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007； 2.核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司， 南京 210003)

最小抵抗線對(duì)深孔巖石爆破塊度的影響

周 游1， 陳作彬2， 王 靜2， 謝興博1， 溫尊禮2

(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007； 2.核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司， 南京 210003)

針對(duì)最小抵抗線對(duì)深孔巖石爆破塊度影響的問題，應(yīng)用相似理論推導(dǎo)深孔巖石爆破中爆破塊度與其影響因素的關(guān)系，得到小臺(tái)階模型下的相似律，并以此為依據(jù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到最小抵抗線對(duì)深孔巖石爆破塊度的影響規(guī)律：隨著抵抗線的增加，爆堆特征塊度和均勻指數(shù)均增加。將此結(jié)論運(yùn)用于連云港核電擴(kuò)建山體爆破開挖工程，確定其最小抵抗線范圍為3.5～4.5 m，爆破后規(guī)格石料的成材率相比一期工程提高了23%，達(dá)到了預(yù)期效果。證明此設(shè)計(jì)合理，可為同類工程提供參考。

最小抵抗線；爆破塊度；相似理論；小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一些重大工程，尤其是一些大型港口、航道等交通工程和核電工程的相繼動(dòng)工建設(shè)，工程爆破技術(shù)的作用日益重要。由于爆破完成后期需要及時(shí)將爆堆鏟裝運(yùn)輸，適宜的大塊率能夠縮短作業(yè)周期，減少二次爆破量，節(jié)省工程成本，因此爆破塊度作為衡量工程爆破質(zhì)量的主要指標(biāo)而愈發(fā)重要。在深孔巖石爆破中，有多達(dá)數(shù)十個(gè)的因素影響巖石爆破塊度，其中包括孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥參數(shù)、巖石參數(shù)及其力學(xué)特征等各種不同類型的因素，它們共同決定了巖體爆破塊度，而其中最小抵抗線的大小對(duì)爆破后的大塊率和平均塊度等具有直接影響，因而在爆破參數(shù)設(shè)計(jì)中是一個(gè)不可忽略的重要因素。

爆破塊度的控制是一項(xiàng)較為復(fù)雜的爆破技術(shù)，20世紀(jì)60年代以來，各國學(xué)者細(xì)致研究了巖石爆破塊度控制技術(shù)，對(duì)影響爆破塊度的因素也進(jìn)行了大量的研究。馬建軍等〔1〕建立了一種露天礦多排孔臺(tái)階爆破塊度計(jì)算模型，定量分析了網(wǎng)孔參數(shù)和爆破塊度的關(guān)系；周傳波〔2〕通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相似理論分析,得到了該實(shí)驗(yàn)條件下的模型相似律，模型計(jì)算結(jié)果和工程生產(chǎn)實(shí)際吻合較好；成雪純等〔3〕從巖體結(jié)構(gòu)和孔網(wǎng)參數(shù)兩方面較詳細(xì)地闡述了其對(duì)爆破塊度的影響，為達(dá)到控制爆破塊度尺寸的目的，提出了應(yīng)在鉆孔前確定巖體主結(jié)構(gòu)面并對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施。目前，對(duì)控制爆破塊度影響因素的研究已取得一定進(jìn)展，但是最小抵抗線作為影響爆破塊度的一個(gè)重要因素，單獨(dú)將其進(jìn)行研究的文章仍然鮮見報(bào)道。

本文對(duì)影響爆破塊度的因素進(jìn)行了分析，利用相似定理得到了小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)中的模型相似準(zhǔn)則，并以此為依據(jù)進(jìn)行了小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得到了最小抵抗線對(duì)爆破塊度的影響規(guī)律，并將結(jié)論運(yùn)用于連云港核電擴(kuò)建山體爆破開挖工程。

2 最小抵抗線選取分析

在深孔爆破設(shè)計(jì)中，最小抵抗線是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它直接影響每米鉆孔爆破量、拋散距離和塊度的破碎效果。根據(jù)相關(guān)的爆破要求和巖石性質(zhì)，爆破有關(guān)參數(shù)(如孔距、排距、填塞長度等)的選取也會(huì)隨著最小抵抗線的變化受到一定影響。因此，最小抵抗線的選取需要慎重。本文“最小抵抗線”特指深孔臺(tái)階爆破的“前排炮孔最小抵抗線”。

在既定的巖體性質(zhì)、炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)及特定的起爆條件下，當(dāng)最小抵抗線變化時(shí)，將對(duì)爆破質(zhì)量造成很大影響。鄭瑞春等〔4〕曾進(jìn)行室內(nèi)砂漿模型實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了最小抵抗線對(duì)爆破質(zhì)量的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：X50(篩下累積率為50%時(shí)的篩孔尺寸)隨抵抗線的增加呈單調(diào)增加。因此，抵抗線不能取太大，以保證取得較好的爆破質(zhì)量。

規(guī)格石料的生產(chǎn)中，有苛刻的級(jí)配要求，應(yīng)當(dāng)使爆破后的巖塊最大化地利用，所以不能按常規(guī)的方法來確定最小抵抗線。當(dāng)最小抵抗線改變時(shí)，孔距和臺(tái)階高度等參數(shù)也隨之變化，因此會(huì)對(duì)爆破塊度產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而規(guī)格石料的產(chǎn)出和利用率也會(huì)受到影響。生產(chǎn)的巖體塊度應(yīng)該滿足級(jí)配要求中各級(jí)巖石塊度的占比，此時(shí)選取的最小抵抗線是級(jí)配要求下的一個(gè)范圍，可根據(jù)模型計(jì)算或設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選取。

3 小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)的相似律推導(dǎo)

連云港核電擴(kuò)建山體爆破工程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，最小抵抗線取值較小(不超過25 m)，可以忽略重力效應(yīng)，原型與模型滿足幾何相似律〔5〕。

3.1 小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)中的變量

對(duì)爆破塊度產(chǎn)生影響的因素主要來自4個(gè)方面。

(1)網(wǎng)孔參數(shù)。最小抵抗線W，孔距a，孔徑d，排距b。

(2)巖石參數(shù)。巖石密度ρr，巖石抗拉強(qiáng)度σt，巖石縱波速度cλ。

(3)炸藥參數(shù)。炸藥密度ρb，炸藥爆轟速度v，炸藥質(zhì)量q。

(4)起爆時(shí)間。延時(shí)時(shí)間τ。

3.2 影響因素量綱分析

以長度量綱L，質(zhì)量量綱M，時(shí)間量綱T為基本量綱〔6〕，各物理量量綱如表1所示。

表1 變量與量綱

根據(jù)相似第二定律，爆破塊度線性尺寸x與影響因素的函數(shù)關(guān)系式為

x=f(W,a,d,b,σt,ρr,cλ,ρb,v,q,τ)

(1)

以v、q、W為基本量綱，式(1)可以寫成無量綱形式:

(2)

小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)在爆破現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，即小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)與原型(生產(chǎn)爆破)的巖體情況和爆破條件完全相同，故模型與原型的巖體情況和爆破條件相似，且相似常數(shù)為1〔7〕。下標(biāo)p表示原型，m表示模型。取原型與模型的幾何尺寸相似常數(shù)為r，則3個(gè)基本量綱的相似常數(shù)為

(3)

根據(jù)模型相似律與相似準(zhǔn)則，式(2)中模型與原型的無量綱項(xiàng)應(yīng)該分別對(duì)應(yīng)相等，可得:

(4)

(5)

(6)

由該模型的相似律式(3)～式(6)可知，實(shí)驗(yàn)選定的幾何相似常數(shù)r，確定了現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)原型的爆破塊度尺寸關(guān)系。當(dāng)所有有關(guān)自變量滿足上述模型律與相似準(zhǔn)則時(shí)，原型和模型的爆破塊度尺寸滿足關(guān)系式xp/xm=r。

4 小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)

小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)在連云港核電擴(kuò)建山體爆破開挖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果為爆破參數(shù)的確定提供依據(jù)。通過現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)，選取合適的幾何相似常數(shù)r，調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，獲得模型實(shí)驗(yàn)爆破塊度分布結(jié)果，并通過統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到最小抵抗線對(duì)爆破塊度的影響規(guī)律，達(dá)到控制大塊和獲得合適級(jí)配的目的，為實(shí)際施工提供參考，并獲得可供推廣的巖石爆破塊度控制技術(shù)。

4.1 小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)以上相似理論，分析得出了原型與模型的幾何相似常數(shù)為設(shè)定的r值，巖石力學(xué)及材料相似常數(shù)為1。

連云港核電擴(kuò)建山體，巖性為含二長淺粒巖和以脈狀產(chǎn)出的綠泥石片巖，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=14～18。相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)為飽和狀態(tài)塊體密度2 600 kg/m3、飽和吸水率0.68% 、飽和抗壓強(qiáng)度123.3 MPa，抗拉強(qiáng)度12.41 MPa，飽和狀態(tài)彈性模量5.74×104MPa。模型實(shí)驗(yàn)按幾何常數(shù)r=10取值，小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)及其原型參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)采用生產(chǎn)原型炸藥,2#巖石乳化炸藥，巖石及炸藥性能參數(shù)如表3所示。

表2 原型與模型爆破參數(shù)

表3 原型與模型巖石及炸藥性能參數(shù)

4.2 小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際施工情況，選取雙排扇形孔形式進(jìn)行，孔徑40 mm，臺(tái)階高度為1.2 m，單孔裝藥量相同，實(shí)驗(yàn)選取最小抵抗線為0.3，0.35，0.4，0.45，0.5 m，取炮孔密集系數(shù)m=1.2～1.5，每一種抵抗線進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，共完成10次模型實(shí)驗(yàn)(見表4)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。

表4 模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.3 小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)每種抵抗線爆堆分布進(jìn)行篩分統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均(見表5)。進(jìn)行一元線性回歸，可求出分布參數(shù)X0和均勻指數(shù)n(G-G-S分布)。爆破塊度分布回歸結(jié)果如表6所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the site layout

最小抵抗線W/m塊度小于或等于x的巖塊體積百分比/%x/cm34568101203035235104612268778598925597100353011450355726510832191789746040265431634198569182209312965904521993510481358117074836891730501540240138964481606077439245

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出均勻指數(shù)n隨抵抗線的變化如圖2所示，特征塊度隨抵抗線的變化如圖3所示。

由圖2可以看出，均勻指數(shù)隨著抵抗線的增大而變大(從1.54增大到1.99)，說明巖石塊度均勻性隨著抵抗線的增大而變差,n值越大時(shí)，爆破后巖塊的超大塊數(shù)量增多。

表6 雙排孔小臺(tái)階模型實(shí)驗(yàn)塊度分布回歸結(jié)果

圖2 均勻指數(shù)n隨抵抗線的變化曲線Fig.2 Change curve of n with W

圖3 特征塊度X0隨抵抗線的變化曲線Fig.3 Change curve of X0 with W

由圖3可知，爆堆特征塊度X0均隨抵抗線的增大而增大，試驗(yàn)中特征塊度從5.36 cm 增大到7.82 cm。X0越大，巖塊的平均塊度越大；X0越小，平均塊度越小。

K50與特征塊度具有相似的變化規(guī)律(見圖4)。K50隨抵抗線增大而變大，且當(dāng)?shù)挚咕€大于0.45 m時(shí)，K50的值增長更加迅速。

連云港核電擴(kuò)建山體爆破工程開采出的石料主要在連云港港口使用，需求的規(guī)格石料級(jí)配繁多，要求嚴(yán)格，比如用于陸域及碼頭結(jié)構(gòu)建設(shè)、港區(qū)建設(shè)中導(dǎo)流堤和圍堤的填筑，對(duì)巖石級(jí)配有特定要求。同時(shí)，海堤填筑作業(yè)中，受施工條件的限制，一定時(shí)期內(nèi)，各種規(guī)格級(jí)配的石料需求強(qiáng)度也不同。由于海島地形的限制，很難就近找到寬敞平坦的場(chǎng)地，對(duì)爆破石料全部進(jìn)行按級(jí)配要求分堆后集中供應(yīng)，而且?guī)r塊的分級(jí)、分堆困難也會(huì)加大施工成本、延長作業(yè)工期。因此，爆破施工必須根據(jù)石料級(jí)配的需求以及現(xiàn)場(chǎng)具體條件，及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整爆破參數(shù)，盡可能滿足實(shí)際需求及方案的可行性。根據(jù)以上分析，確定連云港核電擴(kuò)建山體爆破工程的較佳最小抵抗線范圍為3.5～4.5 m。爆破后發(fā)現(xiàn)爆堆集中，爆破塊度大小分布合理，滿足級(jí)配要求，對(duì)爆破塊度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),規(guī)格石料的爆破成材率相比一期工程提高了23%，取得良好的爆破效果。

圖4 K50隨抵抗線的變化曲線Fig.4 Change curve of K50 with W

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用相似理論，推導(dǎo)深孔巖石爆破中爆破塊度與其影響因素的關(guān)系，得到了現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階模型試驗(yàn)中的模型相似律。開展的最小抵抗線模型試驗(yàn)結(jié)果表明，最小抵抗線對(duì)爆破塊度影響顯著，隨著抵抗線的增加，爆堆特征塊度和均勻指數(shù)均增加，在一定范圍內(nèi)，抵抗線越大，爆破塊度越大，而且越不均勻。

(2)強(qiáng)調(diào)巖石級(jí)配的工程，可適當(dāng)增加最小抵抗線，而著重于生產(chǎn)成本控制、強(qiáng)調(diào)大塊率盡可能小的工程，可適當(dāng)減小最小抵抗線。針對(duì)連云港核電擴(kuò)建山體爆破工程，其較佳最小抵抗線為3.5～4.5 m。

(3)在連云港核電擴(kuò)建山體爆破工程中，根據(jù)小臺(tái)階模型試驗(yàn)確定的最佳抵抗線范圍設(shè)計(jì)的爆破方案，使爆破后的規(guī)格石料成材率相比一期工程提高了23%，爆破效果良好，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

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Effects of minimum burden on deep-hole rock blasting block size

ZHOU You1, CHEN Zuo-bin2, WANG Jing2, XIE Xing-bo1, WEN Zun-li2

(1.College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China; 2.Nuclear Industry Nanjing Construction Co., Ltd., Nanjing 210003, China)

Aiming at investigating the effects of minimum burden on the rock blasting block size, similarity theory was applied to deduce the relationship between rock blasting block size and its influence factors. The similarity rule was obtained and the model tests of small bench blasting were conducted based on the rule. The effect law of minimum burden on rock blasting block size were obtained through analyzing the tests results, which showed that blasting block size and homogeneity index increased with minimum burden added. It was applied in mountain blasting of Lianyungang nuclear power plant extension engineering, the minimum burden was determined from 3.5 m to 4.5 m, and the rock rolling yield increased by 23% compared with the first stage construction. This design was proved reasonably and it could provide a reference for similar projects.

Minimum burden；Blasting block size；Similarity rule；Model test on small bench

1006-7051(2016)06-0070-05

2016-04-27

周 游(1994-)，男，碩士，從事爆破技術(shù)研究工作。E-mail：707166077@qq.com

陳作彬(1973-)，男，高級(jí)工程師，從事巖土爆破工程施工與技術(shù)管理工作。

TD235.46

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.016