摘 要:简述了定向卸压隔振爆破原理、破岩机理及爆破效应,通过超动态、动焦散、动光弹等试验及数值模拟,初步了解动力特性及爆轰波分布规律。试验表明:炮孔隔振护壁面一侧比无护壁面一侧应变降低45.31%,压力降低大于30%,底部空气间隔压力降低在30%以上,无护壁面一侧最大剪应力是护壁面的3.5倍,孔底空气间隔装药结构,可延长应力波在岩石中的作用时间2～5倍。显然爆炸能量集中自由面方向,提高岩体破碎质量,显示隔振半圆形管材与底部空气间隔对炮孔爆炸压力的卸压作用,减轻对岩体破损,保护围岩的稳定性。
关键词:卸压隔振爆破 隔振材料 孔底间隔。
中图分类号:TB772文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)08(c)-0062-03
长期以来,人们在对爆破技术进行积极而有益的探索中,提出了许多新的理论和方法。在工程控制爆破中,20世纪50年代出现的光面爆破、预裂爆破,80年代前后出现的定向断裂控制爆破(切槽爆破、聚能药包爆破、切缝药包爆破)。光面、预裂爆破的基本原理是利用空孔或后爆炮孔的导向作用,在炮孔连线方向上,形成应力集中优先产生裂缝,使炮孔间裂隙连通;定向断裂控制爆破主要是通过改变炮孔和药包形状,或药包外添加切缝套管的方式,达到改变爆炸产物对孔壁的作用方向,并在炮孔连线间的孔壁形成应力集中,达到该处优先形成裂纹的目的。
但由于岩土工程开挖规模越来越大,人们对岩土工程保留岩体部分的稳定性和安全的要求越来越高。传统的光面、预裂爆破对于普通爆破来说。虽然能够减少超挖量、减轻对保留岩体的破裂深度降低爆破后的维护工作量,提高劳动和经济效率,推动了工程控制爆破的发展。但对保留岩体存在比较严重的损伤破裂。而定向断裂控制爆破技术虽然进一步有效的解决了光面、预裂爆破的裂缝开裂方向不确定的问题,但仍然没有完全解决爆炸产物对孔壁保留岩体或围岩的损伤破裂问题。并存在药包加工和切槽作业困难外,对于爆炸能的充分利用和保护保留岩体或围岩方面仍然存在较大不足。
笔者在技术服务的实践、认识的过程中采取隔离爆炸冲击波、应力波和降低爆轰的压力,达到定向卸压隔振的目的。故称“定向卸压隔振爆破”,简称“卸压隔振爆破”。
简言之,定向卸压隔振爆破的原理为定向卸压隔振爆破技术是指在炮孔爆破时对保留部分的岩体或围岩采取卸压阻隔爆炸冲击波、应力波,定向削减爆炸压缩应力的控制爆破方法。它是一种既能同时在预定方位集中能量形成光滑开裂面和较好的破碎效果,又能保护孔壁和孔底保留岩体免受爆破损伤或缩小损伤范围的控制爆破新技术。其实质是在炮孔保留岩体一侧的药包加装一层或两层具有弹塑性、硬性和无毒无害无污染价格便宜的半圆形管材。利用半圆形管材达到径向不耦合装药结构和孔底轴向间隔。孔底轴向间隔是在药柱下端与孔底之间留一段不装药,其上连续不耦合装药至填充段的一种装药结构,如图1所示。
定向卸压隔振爆破中的半圆形管材在爆炸近区有效地阻隔冲击波的直接作用,削减了应力波的破岩能量,起到了隔振护壁的作用。炮孔底部的空气间隔卸掉炮孔底部的压缩应力,保护了炮孔底部不产生裂隙及原有裂纹扩展,从而缩小了破坏范围,起到了定向卸压的作用。而在半圆形管材上部端点和临空面(自由面)一侧,由于不存在任何阻力,该方向上的岩体受直接冲击,导致半圆形管材上部两端和临空面(自由面)一侧岩体首先破裂,在两端点处和半圆形周边形成一个很大的应力差拉伸岩体,从而按预定开裂的方向形成了光滑的开裂面。同时,爆炸产物还能降低爆破后冲作用和爆破地震效应,在需要破碎的临空面(自由面)方向汇聚爆炸能量,从而提高能量的利用率,获得较好的爆破效果。
1 定向卸压隔振爆破作用机理与卸压隔振效应
(1)卸压隔振爆破作用机理。
岩石爆破时,爆轰产物直接冲击半圆形隔振套管内壁和炮孔底部空气间隔。由于隔振护壁套管的密度大于爆轰波阵面上爆炸产物的密度,且固体介质的压缩性一般小于爆轰产物的压缩性,故作用于管壁上的冲击波,除产生透射波外,还有向爆炸中心反射的压缩波。透射波经管壁的阻隔和管壁与孔壁之间的环形空气衰减后,能量大大降低。同时,管壁本身也产生变形与位移,吸收部分能量,从而大大降低了冲击波对孔壁介质的损伤破坏作用,因此能达到保护孔壁介质免受或少受爆破损伤影响的目的。因此,隔振护壁面方向的半圆套管有反射和聚能的作用,两端还能产生端部效应,更有利于临空面方向的爆破作用。
孔底空气间隔能大大降低由冲击压缩传给岩石的冲量,无疑减弱了对孔底岩石的破损作用,缩小了破坏范围,有利于孔底岩体的完整性。同时,炮孔底部空气间隔使得脉冲压力作用时间增长,爆破脉冲冲量增大,对岩体的破碎就更加有利。
而临空面方向由于没有这些条件,不存在任何阻力作用,该方向上的孔壁介质直接受到爆炸产物(包括护壁面一侧反射的爆炸产物和孔底空间瞬时储存的脉冲冲量)的冲击,其冲量密度大于被爆介质的临界冲量密度,必然导致隔振套管的两个端点处即预定开裂方向形成一个很大的应力差。这个应力差值起到一个拉伸作用,在开裂方向首先形成较长、较宽的裂纹,从而实现在开裂方向形成光滑开裂面的目的。
(2)卸压隔振爆破力学分析。
1)临空面方向的爆破作用。
设炮孔和药包中心不耦合装药,隔振半圆形套管与孔壁介质泊松比相同。
①应力波作用:临空面方向由于无隔振套管,爆破冲击波和爆生气体直接作用于孔壁,类似于普通光面爆破。孔壁岩体受到较大的切向拉应力波峰值和径向压应力波峰值[1]:
(1)
式中,为切向拉应力峰值;为与介质泊松比和应力波传播距离有关的系数,孔壁处取=1;为径向压应力波峰值;为普通光面爆破作用于孔壁的初始径向应力峰值。
②爆炸气体作用:孔壁受到的准静态应力:
(2)
式中,为普通光面爆破作用在炮孔壁的准静态压力。
爆炸气体直接作用于孔壁,易产生“气楔”作用,增加爆破损伤程度。
2)隔振护壁面方向的爆破作用。
假设岩石和隔振护壁面管材泊松比相同,根据弹性力学厚壁筒理论,隔振面方向孔壁初始拉应力峰值和准静态应力可按下式计算[2]:
, (3)
式中,为套管半径;为套管层数;为套管厚度;为套管或岩石的泊松比。
由此可见,隔振半圆形管材同样可起到防止爆炸气体“楔入”孔壁岩体的作用。临空面方向孔壁岩体在较高的应力峰值和高温高压的爆轰气体“气楔”作用下容易破坏,而隔振护壁面方向孔壁岩体受到保护。同时,由式(3)可以看出,隔振半圆套管层数越多,孔壁切向拉力应力峰值和孔壁准静态应力越小。
当安装有多层隔振护壁套管材时,应力波通过隔振管材之间以及隔振管材和孔壁之间的多次反射作用,受到更大的衰减作用,对孔壁随机裂纹起到更有效的抑制作用。同时,内层管材对外层管材具有瞬时保护作用,避免外层管材受爆轰波气体的直接破坏作用,隔振护壁效果得到改善。
3)炮孔底部间隔装药的爆破作用。
炮孔底部间隔装药、间隔空间对爆轰波起到缓冲作用。炮孔底部的初始爆轰压力和爆炸作用时间将随空气间隔长度的变化而变化。
炮孔底部间隔装药时,爆炸初始压力按公式[3](4)计算:
(4)
炮孔底部间隔装药时,底部爆炸作用时间按公式(5)计算:
(5)
式中,为炸药爆炸脉冲初始压力;,La为底部空气间隔长度;L0为装药长度;A为大于0的空气间隔长度值;K为爆轰产物等熵系数,K=3;为炸药密度;D为炸药爆速;I为爆破冲量。
由式(4)(5)可知,<,>。即底部间隔装药爆破较近于连续装药爆破降低了爆炸脉冲初始压力,延长了爆炸产物在界质内部作用时间达2～5倍[4]。
爆破冲量与作用时间的关系[5]如公式(6)所示:
(6)
式中符号与前面一致。
由此可见,空气间隔装药可降低炸药脉冲初始压力,延长爆炸作用时间;可以通过改变值来调整脉冲初始压力和爆破作用时间,从而增加冲量密度,达到改善爆破效果的目的。
2 定向卸压隔震爆破的试验
2.1 定向卸压隔震爆破炮孔护壁面的超动态测试与分析①
试验在有机玻璃板(尺寸400mm×400mm×5mm)上进行。应变测试选用电子应变片(动态),炸药选用叠氮化铅,起爆用MD-2000多通道脉冲点火器。卸压隔振护壁管材选用PVC塑料管。试验用有机玻璃模型、装药和应变片位置如图2所示。图2中2,3号应变片与孔心距离都为4mm;1,4号应变片与孔心距离为6mm;试验结果如图3,表1。
如表1和图3可以看出,与孔心同一距离上的3号应变片比2号应变片峰值降低44.57%,4号应变片比1号应变片峰值降低43.37%,护壁面方向比临空面方向应变平均峰值降低45.31%,说明隔振护壁管材对护壁面方向介质有明显的保护作用。1号应变片比2号应变片峰值降低25.95%,4号应变片比3号应变片峰值降低28.30%,说明隔振护壁面方向应变峰值比临空面方向衰减更快,爆炸对隔振面方向介质的影响深度较小,有利于保护壁面方向介质少受爆破损伤破坏作用。
2.2 定向卸压隔震爆破的动焦散试验
定向卸压隔振爆破隔振护壁面试验模型中,在炮孔需要保护的一侧设置隔振护壁材料。试件采用40mm×40mm×5mm的有机玻璃板。炮孔布置在试件中心,直径8mm,隔振材料为PVC-U,装药不耦合系数为1.5。试验结果见图4。
图4为定向卸压隔振爆破护壁面和临空面一侧应力强度因子随时间的变化曲线。从图4可以明显看出,一开始裂纹应力强度因子就呈下降趋势,随时间的推移,隔振护壁面方向和临空面方向应力强度因子虽然稍有起伏,但总体都呈现快速减小的趋势。然而隔振护壁面方向应力强度因子绝对值大大小于临空面方向,说明隔振护壁材料起到了保护孔壁介质的作用。由于临空面方向冲击波直接作用在孔壁上,其在介质中运动的时间更长一些,因此临空面方向能够测出的应力强度因子要多余隔振护壁面方向。
2.3 卸压隔振爆破动态光弹性试验②
光弹模型由整块边长500mm、厚度为6mm的聚碳酸酯板制作,在其中心钻9mm孔作为炮孔。
图5为卸压隔振爆破隔振护壁序列等差条纹图。图下时间为以起爆为零点的该幅照片的曝光时刻。
(1)根据隔振护壁面爆破等差条纹5图分析图6中的照片,爆炸初始时,随着爆生气体量的增加,首先在临空面方向产生等差条纹,而且其条纹数量增长速度较快,并迅速向外扩展。在隔振护壁面方向,由于隔振护壁管材对爆炸作用力的阻滞,条纹产生的时刻明显滞后,而且增长速度缓慢。因此在炮孔左右两侧产生右偏的不对称椭圆条纹,如图5的(1)～(4)幅照片所示。
显然,如果没有卸压隔振管材,中心爆炸产生的等差条纹应是走向不同的同心圆,其共同圆心即为炮孔中心。临空面方向之所以首先产生等差条纹,且增长迅速,是由于没有隔振护壁管材,爆生气体首先对炮孔壁直接发生作用,在模型内激发出冲击应力波。卸压隔振护壁面方向由于卸压隔振护壁管材阻滞了爆生气体对模型的直接作用,所以条纹产生迟缓,级次增长缓慢。
由图5的(5)、(6)两幅照片可知,随着爆炸压力的增大,等差条数量增加,条纹级次也提高。而且在炮孔壁附近的条纹密度很大,随着远离炮孔,条纹密度降低,这说明在炮孔壁附近的应力梯度很大,应力集中现象严重;随着应力波的向外扩散,应力趋于均匀,应力梯度减小。
图6为卸压隔振护壁面方向和临空面方向主剪应力与比例距离关系曲线(比例距离为条纹位置到孔心距离与炮孔半径的比)。由于卸压隔振半圆形管材的存在,在临空面方向产生的条纹级次最高为7级,隔振护壁面方向产生的条纹级次最高仅为2级,即临空面方向的最大剪应力是卸压隔振护壁面方向的3.5倍。
3 定向卸压隔振爆破数值模拟③
环境与资源学院肖定军采用数值计算软件ansys/LS-dyna对“定向卸压隔振爆破”模型进行数值计算。对炸药相同距离的临空面、隔振护壁面、炮孔底部间隔三个方向岩体内压力值进行了对比,初步分析了压力分布规律,明确了隔振护壁面半圆形管材与炮孔底间隔空气对炮孔爆炸压力的卸压作用。
试验模型尺寸:40cm×40cm×45cm,预制炮孔直径3cm,孔深25cm,装药长度5cm,堵塞长度20cm径向,不偶合系数1.5,PUC半圆形管材壁厚2mm。炮孔底部空气间隔长度分别5cm、10cm、15cm、20mm条件下,数值计算方法求爆破时的压力时、压力降低率。试验采用2#岩石炸药,密度1.0g/cm3,爆速3600m/s,C-J压力为1.0GPa。药包直径2cm。采用电力起爆。
试验结见表2。
4 结语
(1)根据定向卸压隔振爆破隔振护壁面的超动态测试,护壁面一侧比临空面一侧的应变降低45.31%。(2)根据数值模拟计算隔振护壁面一侧压力降低30%左右,炮孔底部空气间隔压力降低25%以上。(3)根据动光弹试验,临空面一侧产生的条纹级次最大7级,隔振护壁面一侧产生的条纹级次最高仅2级,即临空面方向的最大剪应力是卸压隔振面方向的3.5倍。(4)炮孔底部空气间隔、爆炸产物在界质的作用时间延长2～5倍,当爆破脉冲压力一定时作用时间愈长,爆破脉冲量愈大,对矿岩的爆破破碎就越有利。(5)测试试验表明,定向卸压隔振爆破技术,在隔振护壁一侧和孔底空间间隔中,可以大大降低和削弱爆炸冲击波和应力波对保留岩体和围岩的作用,降低爆破后冲和孔底破裂范围,降低了爆破地震。有效的保护了保留或围岩的完整性和稳定性。而临空面一侧不存在任何阻隔,相反增加了各类汇集能量的渠道,爆炸压力巨增,岩体得到较好的破碎效果。
参考文献
[1]王文龙.钻眼爆破[M].北京:煤炭工业出版社,1984.
[2]郭学彬,张志呈,蒲传金,等.护壁爆破的基本原理与爆破效果的声波评价[J].爆破,2006.
[3]张志呈.定向断裂控制爆破[M].重庆:重庆出版社,2000.
[4]张凤元.集中药包空气间隔层爆破技术的应用[J].工程爆破文集,1997.
注释
①2007年3月西南科技大学委托中国矿业大学现代爆破技术研究所实验结果。
②2007年5月西南科技大学委托解放军理工大学工程兵学院实验。
③西南科技大学环境与资源学院肖定军提供。