大直徑空孔直眼掏槽爆破效果的實(shí)驗(yàn)研究

范軍平，張召冉，左進(jìn)京，趙志偉

（1.陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 陽(yáng)泉045000；2 北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京100141；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083）

掏槽技術(shù)的選擇是巖巷掘進(jìn)成功與否的關(guān)鍵[1-2]，直眼掏槽是廣泛應(yīng)用于礦山、隧道、水利水電等工程爆破中。直眼掏槽以空孔作為自由面進(jìn)行破巖，掏槽孔平行且抵抗線相同，爆破槽腔形狀規(guī)整，施工簡(jiǎn)單。但是直眼掏槽一般需要多個(gè)不裝藥炮孔提供弱自由面和碎漲空間，導(dǎo)致掏槽炮孔距離較近，炮孔數(shù)量多。

基于以上原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)能夠提供大碎漲空間及自由面的大直徑空孔掏槽技術(shù)及機(jī)理進(jìn)行研究。如林大能[3-4]認(rèn)為掏槽爆破形成的拉應(yīng)力對(duì)破巖具有重要作用，拉應(yīng)力取決于空孔直徑；郭東明等[5-6]通過(guò)數(shù)值模擬并對(duì)比分析了基于大直徑的不同直眼掏槽方案，確定最優(yōu)掏槽布置方式和爆破參數(shù)；李萍[7]對(duì)漸進(jìn)式大空孔螺旋掏槽技術(shù)進(jìn)行研究，確定了合理炮孔數(shù)目、空孔直徑等參數(shù)；劉優(yōu)平等[8]認(rèn)為空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)破巖影響較大，大直徑空孔有利于提高爆破效果。宗琦等[9]利用數(shù)值模擬的方法得到空孔具有自由面、補(bǔ)償空間、應(yīng)力集中效應(yīng)。汪海波等[10]認(rèn)為大直徑空孔的存在使得應(yīng)力波峰值提高為無(wú)空孔時(shí)的2.2 倍。

從以上分析可以看出，大直徑空孔直眼掏槽技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題，從大直徑空孔破巖機(jī)理出發(fā)，以數(shù)值模擬為手段探討大直徑空孔爆破時(shí)應(yīng)力波傳播規(guī)律及爆破振動(dòng)特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分析其爆破效果。

1 大直徑空孔直眼掏槽破巖機(jī)理

1.1 應(yīng)力集中效應(yīng)

掏槽孔炸藥爆炸后，沖擊波衰減為應(yīng)力波在巖石介質(zhì)中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)空孔孔壁時(shí)發(fā)生反射，空孔附近巖石介質(zhì)中應(yīng)力值相對(duì)于無(wú)空孔時(shí)要大，此為空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)。應(yīng)力集中后，在炮孔與空孔聯(lián)線處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力σmax，當(dāng)σmax大于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，空孔處會(huì)出現(xiàn)徑向裂紋。σmax表達(dá)式如式（1）：

式中：λd為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，與動(dòng)態(tài)泊松比有關(guān)；p0為透射入炮孔壁的初始?jí)毫?，MPa；r1為炮孔半徑，m；r2為空孔半徑，m；L 為炮孔到空孔距離，m；α 為應(yīng)力波衰減系數(shù)。

1.2 自由面效應(yīng)

當(dāng)炸藥爆炸后，應(yīng)力波在巖石介質(zhì)中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)自由面時(shí)會(huì)發(fā)生應(yīng)力波的反射，此時(shí)壓縮應(yīng)力波變?yōu)槔鞈?yīng)力波，自有面處巖石受到拉伸應(yīng)力，由于巖石的抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/15，如果反射的拉伸應(yīng)力波的強(qiáng)度大于巖石抗拉強(qiáng)度，則自由面處巖石被拉伸破壞，此即為空孔的自由面效應(yīng)，自由面效應(yīng)示意圖如圖1。

圖1 自由面效應(yīng)示意圖Fig.1 Free surface effect

1.3 碎漲空間效應(yīng)

巖體爆破后體積具有增大特性，增大后體積為被爆巖體體積的Ks倍，Ks為巖石的碎漲系數(shù)。增大的部分體積需要新的空間來(lái)容納，若無(wú)多余體積容納，破碎的巖石無(wú)運(yùn)動(dòng)空間，容易導(dǎo)致炮孔利用率降低，致使掏槽失敗。大直徑空孔提供的大空間，使得炮孔在徑向的抵抗線最小，破碎的巖石優(yōu)先向空孔方向運(yùn)動(dòng)，大空孔提供的空間能抵消掉巖石的碎漲體積，有利于巖石運(yùn)動(dòng)和拋擲出腔，此即為空孔的碎漲空間效應(yīng)。

2 大直徑空孔直眼掏槽數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

為分析大空孔直眼掏槽爆破過(guò)程中掏槽區(qū)內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律，建立有限元模型，模型長(zhǎng)、寬、高分別為4.5、1.8、1.8 m。中心大空孔直徑為400 mm，深度為3 m，炮孔直徑為42 mm，裝藥長(zhǎng)度2 m，堵塞長(zhǎng)度1 m?？紤]到模型對(duì)稱(chēng)性，兼顧計(jì)算的可行性，取1/4 模型計(jì)算，單位總數(shù)計(jì)40 萬(wàn)。中心大空孔周?chē)? 個(gè)菱形炮眼先起爆，5 ms 后大空孔最外圍4 個(gè)矩形炮眼起爆。沿炮孔軸向在距掏槽孔300 mm 處從孔底開(kāi)始均勻布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)考察其應(yīng)力變化情況。

2.2 應(yīng)力傳播規(guī)律

直眼掏槽應(yīng)力云圖如圖2。各測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力曲線如圖3。

圖2 直眼掏槽應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of straight-cut

圖3 各測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力曲線Fig.3 Effective stress curve of each measuring point

從圖2 可以看出，當(dāng)內(nèi)掏槽孔首先爆破后，2 000 μs 時(shí)在掏槽孔與炮孔之間區(qū)域形成高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)，以空孔中心為軸對(duì)稱(chēng)分布，并且在空孔附近應(yīng)力強(qiáng)度最大，該區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到200 MPa 以上，應(yīng)力波開(kāi)始凸起狀向孔口附近傳播，其他區(qū)域隨著應(yīng)力波強(qiáng)度的衰減逐漸降低。結(jié)合圖3 可知，到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度已經(jīng)衰減為20 MPa 左右。5 000 μs 時(shí)外掏槽孔起爆，1 000 μs 后在炮孔附近形成高應(yīng)力區(qū)，并逐步向炮孔外部傳播，到8 000 μs 時(shí)，形成以空孔為中心的高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力強(qiáng)度可到100 MPa 左右，且應(yīng)力分布較為均勻，對(duì)該區(qū)域內(nèi)巖石進(jìn)行破壞，同時(shí)從自由面返回的應(yīng)力波與其疊加，增加了其強(qiáng)度。而后逐漸衰減，到16 000 μs 時(shí)已經(jīng)衰減為10～15 MPa。

結(jié)合圖3 可以看出，炸藥的第1 次起爆和第2次起爆在巖石中形成2 個(gè)應(yīng)力峰值，應(yīng)力達(dá)到峰值后先下降后上升，持續(xù)一段時(shí)間后再逐漸降低。主要原因?yàn)榈? 次起爆，由于空孔對(duì)應(yīng)力波的反射，由于反射回的應(yīng)力波對(duì)應(yīng)力波強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，使其重新上升到較高的應(yīng)力強(qiáng)度，而后逐漸降低。第2次應(yīng)力峰值是在第2 次起爆后與第1 次起爆殘余應(yīng)力波疊加導(dǎo)致，此時(shí)槽腔已經(jīng)形成，應(yīng)力波在新自由面處反射，同樣增強(qiáng)了應(yīng)力波強(qiáng)度，持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間后開(kāi)始衰減?？梢钥闯觯捎诖罂湛椎拇嬖跒樘筒劭椎钠茙r提供較強(qiáng)的應(yīng)力波強(qiáng)度及延長(zhǎng)了應(yīng)力波作用時(shí)間。可以看出，大空孔直眼掏槽技術(shù)中，空孔的自由面效應(yīng)顯著，有利于掏槽區(qū)巖石的破碎。

3 大直徑空孔直眼掏槽爆破實(shí)驗(yàn)

3.1 模型掏槽方案

模型試驗(yàn)一般按照相似比進(jìn)行確定，本次實(shí)驗(yàn)確定幾何相似比K=10。為驗(yàn)證空孔直徑對(duì)爆破振動(dòng)的影響，選取實(shí)際直徑為400 mm 和直徑42 mm 作為含空孔直眼掏槽的原型方案。實(shí)際掏槽方案的技術(shù)參數(shù)如圖4。大空孔直徑為400 mm、小空孔直徑為42 mm，所有炮孔均垂直于模型表面，即掏槽孔及空孔鉆孔角度均為90°。

圖4 掏槽炮眼布置圖Fig.4 Arrangement of cut blasthole

由于模型炮孔制作特別是裝藥方面的原因，模型炮眼直徑采用8 mm，原型炮眼直徑為42 mm，原型炮眼直徑與模型炮眼直徑比約為5.25，與幾何尺寸相似要求有些差別，當(dāng)炮眼長(zhǎng)徑比較大（＞10 mm）時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果影響較小。其他掏槽參數(shù)的尺寸按照相似比K 進(jìn)行等比例縮小。

3.2 模型制作

1）模具的制作。根據(jù)試驗(yàn)要求，本實(shí)驗(yàn)采用直徑800 mm、高300 mm、壁厚為3 mm 無(wú)蓋有底的鐵桶作為實(shí)驗(yàn)中盛放水泥砂漿的容器。同時(shí)為了確保炮孔位置的準(zhǔn)確性，預(yù)先制作定位模板裝置。模型的掏槽炮眼嚴(yán)格按照?qǐng)D4 的尺寸制作，直眼掏槽空孔直徑分別為大空孔直徑D=40 mm，小空孔直徑d=8 mm，炮孔深度均為150 mm。

2）模型材料。所用的材料為水泥砂漿，其配比為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.45。其中水泥為PO.42.5R 普通硅酸鹽水泥，砂子是中砂，水為飲用自來(lái)水。澆注過(guò)程邊澆注邊振動(dòng)，以減少混凝土中的氣泡，常溫養(yǎng)護(hù)28 d。

3.3 裝藥方式及起爆

為避免炸藥集中于炮孔底部，影響爆破模擬效果，設(shè)計(jì)了一種裝藥方便的藥包，藥徑為6 mm，外殼為硬質(zhì)管。藥包采用疊氮化鉛（RDX）作為起爆藥，每只藥包200～300 mg，RDX 作為主爆藥，藥量200 mg。采用MD-2000 多通道脈沖點(diǎn)火器進(jìn)行同時(shí)點(diǎn)火，先引爆起爆藥疊氮化鉛，由疊氮化鉛引爆黑索金，既能確保每個(gè)藥包都能起爆，又能有足夠的爆炸威力。

3.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

爆破振動(dòng)實(shí)驗(yàn)采用TC-4850 爆破測(cè)振儀、實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前首先測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試件的力學(xué)參數(shù)，水泥砂漿模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水泥砂漿模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of cement mortar model

實(shí)驗(yàn)過(guò)程先裝藥每個(gè)炮孔中裝入1 個(gè)藥包，然后用黃土和砂的混合物封實(shí)；裝藥檢查無(wú)誤后，用石膏液把測(cè)振儀固定在距離炮孔中心的x、y 方向，距離炮孔中心為350 mm，使y 方向?qū)?zhǔn)炮孔中心。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 爆破效果

實(shí)驗(yàn)后掏槽腔體變化如圖5。從圖5 可以看出，小直徑空孔對(duì)模型的破壞范圍很大，但是形成的掏槽深度較淺，而大直徑空孔掏槽對(duì)模型的破壞范圍較小，且掏槽深度較深。掏槽腔體深度和破壞范圍對(duì)比見(jiàn)表2。從表2 可以看出，大直徑比小直徑破壞范圍要小30.8%，而掏槽深度增加20%。

圖5 實(shí)驗(yàn)后掏槽腔體變化Fig.5 Changes in the cavity after the experiment

4.2 振動(dòng)速度

大空孔掏槽爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3 可以看出，大空孔掏槽爆破x、y、z 方向爆破振動(dòng)上的最大值為20.5、57.3、46.7 cm/s。最大合速度為76.71 cm/s；小空孔爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。從表4 可以看出，小空孔掏槽爆破x、y、z 方向爆破振動(dòng)上的最大值為29.4、62.1、62.0 cm/s，合速度為92.3 cm/s，合速度比大直徑空孔掏槽合振速提高20.6%。所以無(wú)論從x、y、z 3 個(gè)方向上觀測(cè)，還是從合速度上分析，小空孔掏槽所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)要比大空孔掏槽要大。

表2 掏槽腔體深度和破壞范圍對(duì)比Table 2 Comparison of the depth and failure range of the cavity

表3 大空孔掏槽爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)Table 3 Blasting vibration data of large empty-hole cut

表4 小空孔爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)Table 4 Blasting vibration data of small hole

4.3 振速與爆破效果綜合

由于模型體積及質(zhì)量基本相同，結(jié)合振動(dòng)速度及爆破效果分析，小直徑空孔掏槽振動(dòng)速度大，掏槽深度小、振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，充分說(shuō)明小直徑空孔掏槽爆破能量中用于振動(dòng)的要多于大直徑空孔。換句話說(shuō)，大直徑掏槽在破巖方面對(duì)爆破能量的利用更高。綜上分析可得，空孔直徑的大小對(duì)于改變爆破效果及爆破振動(dòng)有重要影響。

5 結(jié) 論

1）直眼掏槽爆破中，空孔直徑對(duì)直眼掏槽的爆破效果和爆破振動(dòng)均產(chǎn)生影響，大直徑空孔掏槽效果要優(yōu)于小直徑掏槽，而爆破振動(dòng)危害要小于小直徑掏槽。

2）小直徑空孔掏槽爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)及振動(dòng)速度高，說(shuō)明小直徑掏槽爆破振動(dòng)對(duì)爆破能量的消耗要高于大直徑空孔掏槽。

3）在直眼掏槽中，要取得良好的爆破效果及消除爆破振動(dòng)危害的影響，在條件允許的條件下盡量選擇大直徑空孔直眼掏槽技術(shù)。