基于现场混装的宽孔距空气间隔预裂爆破技术.pdf

第3 3 卷第3 期 爆破 V o l 3 3 N o 3 2 0 1 6 年9 月B L A S T I N GS e p ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 0 1 基于现场混装的宽孔距空气间隔预裂爆破技术木 陈明l a , l b9 张n l a , l b ，郑炳旭2 ，胡英国l a , l b ，卢文波1 8 ’岫，宋锦泉2 1 ．武汉大学a ．水资源与水电工程科学国家重点试验室；b ．水工岩石力学教育部重点试验室，武汉4 3 0 0 7 2 ； 2 ．广东宏大爆破股份有限公司，广州5 1 0 6 2 3 摘要采用理论分析与现场试验相结合的方法研究了混装车装药条件下的宽孔距空气间隔预裂爆破技 术。理论分析结果表明空气间隔装药预裂爆破条件下，即使预裂孔间距较大，炮孔间岩体在爆生气体压力 作用下产生的应力强度因子也往往大于岩石的断裂韧度，炮孔间可以形成预裂缝。结合河南经山寺露天铁 矿上覆岩层剥离进行的现场试验结果显示岩体质量较好时，采用1 8 倍孔径的宽孔距空气间隔装药预裂爆 破技术，可获得较好的边坡轮廓成型质量，但是炮孔装药段的岩体损伤较严重，损伤深度明显大于非装药段。 关键词炸药混装车；空气间隔；预裂爆破；轮廓；损伤 中图分类号0 3 8 3 ．1 ；T V 5 5 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 3 0 0 0 1 0 4 W i d e - s p a c ea n dA i r d e c k i n gP r e - s p l i t t i n gB l a s t i n g T e c h n i q u eb a s e do nE x p l o s i v eM i x i n g - l o a d i n gT r u c k C H E NM i n g 吣，Z H A N GJ u n l 8 ’玷，Z H E N GB i n g - x u 2 ，H UY i n g - g u 0 1 8 岫，L UW e n b 0 1 8 ，岫，S O N G 胁．g 蝴2 1 ．a ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n g i n e e r i n gS c i e n c e ； b ．K e yL a b o r a t o r yo fR o c kM e c h a n i c si nH y d r a u l i cS t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g ， M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，W u h a nU n i v e r s i t y ，W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a ； 3 ．G u a n g d o n gH o n g d aB l a s t i n gC oL t d ，G u a n g z h o u5 1 0 6 2 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ew i d e - s p a c ea n da i r - d e c k i n gp r e s p l i t t i n gb l a s t i n gt e c h n i q u eb a s e do ne x p l o s i v em i x i n g l o a d i n g t r u c kW a ss t u d i e dc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dt e s t ．T h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ，u n d e rp r e s p l i t t i n gb l a s t i n gc o n d i t i o no fa i r - d e c k i n gc h a r g e ，e v e ni ft h es p a c i n gb e t w e e np r e s p l i t t i n gh o l e sW a sr e l a t i v e l yb i g ，t h e s t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro fb l a s t h o l er o c km a s sr e s u l t e df r o md e t o n a t i o ng a sp r e s s u r eW a sg e n e r a l l yl a r g e rt h a nr o c kf r a c t u r et o u g h n e s s ．T h e r e f o r e ．t h ep r e s p l i t t i n gc r a c k sc o u l db ef o r m e db e t w e e nt h eb l a s t h o l e s ．C o m b i n e dw i t ht h ef i e l dt e s t r e s u l t so fo p e np i ti r o nm i n eo v e r b u r d e ns t r i p p i n gi nJ i n g s h a nt e m p l eo fH e n a np r o v i n c e ，s o m ec o n c l u s i o n sc o u l db e d r a w nt h a tw h e nt h er o c km a s sq u a l i t yW a sr e l a t i v e l yg o o d ，m u c hb e t t e rf o r m i n gq u a l i t yo fs l o p ec o n t o u rp r o f i l ec o u l d b eo b t a i n e dw h e nt h ep r e s p l i t t i n gb l a s t i n gt e c h n i q u eW a sa p p l i e dw i t hw i d e s p a c ea n d a i r d e c k i n gc h a r g ew i t h 18 t i m e so fb l a s t h o l ed i a m e t e r ．H o w e v e r ，t h ed i s a d v a n t a g eo ft h i sm e t h o dm a i n l yd u et ot h es e r i o u sd a m a g eo nr o c km a s s a r o u n dt h eb l a s t h o l ec h a r g es e g m e n t s ，a n dt h er o c kd a m a g ez o n eW a so b v i o u s l yl a r g e rt h a nt h en o n - c h a r g es e g m e n t s ． K e yw o r d s e x p l o s i v em i x i n g - l o a d i n gt r u c k ；a i r d e c k i n gc h a r g e ；p r e - s p l i t t i n gb l a s t i n g ；c o n t o u rp r o f i l e ；d a m a g e 收稿日期2 0 1 6 0 7 0 2 作者简介陈明 1 9 7 7 一 ，男，博士、副教授，主要从事水利水电工 程施工技术及岩石动力学方面的教学与研究， E m a l l w h u c h m w h u ．e d u ．c n o 基金项目国家自然科学基金面上项目 N o ．5 1 2 7 9 1 4 6 、N o ．5 1 4 7 9 1 4 7 ；水利部科技推广计划项目 T G l 5 2 2 矿山开采过程中，为了达到安全、经济及快速开 采的目的，邻近矿山边坡部位的岩体开挖通常采用 轮廓控制爆破技术。传统的轮廓爆破技术在装药时 采用径向不耦合装药结构方式，费时且造价高。探 求一种既能达到控制爆破开挖质量，又能快速、经济 万方数据 2 爆破2 0 1 6 年9 月 施工的新型轮廓爆破方式，是工程爆破领域的新需 求。采用现场混装车装药条件下的空气间隔装药预 裂爆破技术，就是能够满足上述要求的新型轮廓爆 破方式之一。与传统预裂爆破不同的是，该技术采 用径向耦合装药，且装药相对集中，利用炸药爆炸后 在孔内空气中形成的冲击波及爆生气体压力破坏岩 体形成预裂缝。 关于空气间隔装药预裂爆破技术的理论和工程 实践，国内外已有研究。1 9 8 1 年M o h a n t yB 首次在 英国的一个露天煤矿中将空气间隔爆破技术用于预 裂爆破⋯。N i c h o l a s 等随后在澳大利亚的矿山开采 中使用了空气间隔预裂爆破技术【2J 。C o r r e a 等在实 验室和现场对空气间隔爆破技术用于预裂爆破进行 了较为详细的研究∞J 。孙再南在武钢大冶铁矿东 露天采场临近边坡爆破起爆方式采用空气间隔爆破 技术【4J 。毕可程在露天铁矿进行了大孔径预裂爆 破技术的实验与应用研究bJ 。以上的空气间隔预 裂爆破技术研究，预裂爆破炮孑L 间距一般局限于7 一 1 2 倍孑L 径，而且炮孔径向较少采用耦合装药。基于 现场混装的的空气间隔装药预裂爆破技术，因炮孔 装药段周围岩体的爆破损伤相对较严重，以及相关 的爆破机理和设计准则尚需完善，在实际工程中应 用并不多。 基于矿山经济、快速开采的需求，分析空气间隔 预裂爆破的成缝机理，并结合现场生产进行试验，研 究炸药混装车装药条件下的边坡宽孔距空气间隔装 药预裂爆破技术。 1 空气间隔装药预裂爆破成缝机理 1 ．1 空气间隔装药爆炸荷载的确定 炸药混装车装药条件下的轴向空气层间隔装药 爆破，其装药段为耦合装药，根据凝聚炸药爆轰波的 C J 理论，对于耦合装药，炮孔初始平均爆轰压力P 。 为波阵面后最大压力的一半，即 P e D 2⋯ p o2 玎而 o1J 式中P 为炸药密度；D 为炸药的爆轰速度；y 为爆生 气体的绝热指数，7 近似取为3 ．0 。 空气段的孔壁受到的荷载主要由装药段炸药起 爆后沿炮孔轴向传播过来的冲击波所提供，经过炮 孔中反射波及稀疏波的反复作用后，炮孔平均压力 P 为‘6 1 p - p 。 彘 2 式中L ，为炮孔内装药长度；L 。为炮孔内空气层长 度，其他符号含义同式 1 。 1 ．2空气间隔装药预裂爆破裂纹扩展模型 预裂爆破成缝理论分析中，假定岩体为均质材 料。预裂爆破中要形成炮孔间贯穿裂缝，需满足2 个条件①沿炮孑L 连线方向发展的裂缝的尖端应力 强度因子超过岩体的断裂韧度；②非装药段炮孔内 的爆生气体压力小于岩石的动态抗压强度，炮孔周 围的岩体不被压碎。 裂纹稳定传播的条件可描述为 K ， t K ，D 3 式中K I t 为缝裂纹尖端应力强度因子，‰为岩石 的动态断裂韧度。 卢文波等改进了轮廓爆破裂纹扩展模型和相应 的裂纹尖端应力强度因子的计算方法J 。考虑相 邻炮孑L 爆炸荷载和岩体地应力的联合作用的裂纹扩 展模型如图1 所示。 I I I ；冬1 1 爆生7 i f 辛 驱动F 的裂纹扩腱模} 魁 F i g ．1 C r a c kp r o p a g a t i o nm o d e lu n d e rd e t o n a t i o ng a s 图1 中，u x ，t 为t 时刻裂纹的张开位移；L t 为t 时刻爆生气体驱动的裂纹的总长度；L 。 t 为t 时刻爆生气体贯人裂纹的长度；L 。为应力波作用下 产生的径向裂纹的初始长度，这里厶取3 R ，尺为炮 孔半径；o 为炮孔间距；p t 为炮孔中气体压力衰减 过程；p 戈，t 为沿裂纹方向分布的爆炸气体压力；o r 为垂直于裂纹面的岩体远场应力。 邻近炮孔的爆生气体准静态压力引起的炮孔裂 纹尖端侧向拉应力盯。和盯，可通过轮廓爆破过程 中围岩瞬态应力场的数值计算得到。 则作用在裂缝面上的有效闭合应力盯7 为 盯’ 盯一仃l 一盯2 4 由此得到此模型下的裂纹尖端的应力强度因子 为 舶净[ 半“H 8 商龋出 5 式中裂纹扩展总长度L t I ．c r t d t ，其中， C ， t 为裂纹的扩展速度，一般可取C r t 0 ．3 8 C p ，C 。为岩石介质的纵波波速；爆生气体贯人 万方数据 第3 3 卷第3 期陈明，张俊，郑炳旭，等基于现场混装的宽孔距空气间隔预裂爆破技术 长度￡。 ￡ 也 ￡ d ￡，秽。 t 为爆生气体在裂纹中 前端的流动速度。 裂纹的张开位移可用P a i r 公式计算 出∽ 掣，8 哺管帮】． 万‰ 6 f 一菇2 0 ‘5 7 式中肛为岩体的泊松比；G 为岩体的剪切模量；孝为 裂纹扩展的瞬间长度；f 为该瞬间长度的微段长度。 计算中假设爆生气体压力沿裂纹长度方向呈近 似均匀分布，且等于P t 。炮孔中爆生气体的压力 可由多方气体状态方程得到 P t [ V t ] 7 c o n s t 7 式中V t 为爆生气体的总体积；7 为等熵指数，近 似取为3 ．0 。 由式 2 ～式 7 可判断裂纹的扩展状态，进而 分析裂纹的整个扩展过程。 为防止预裂爆破本身对孔壁附近保留岩体产生 过大损伤，需要保证预裂爆破过程中非装药段炮孔 压力低于孔壁岩体的动态抗压强度，即 P o [ o r d ] 8 式中[ 盯。] 为岩石的动态抗压强度。 1 ．3 宽孔距空气间隔装药预裂爆破成缝分析 由以上裂纹扩展模型，分析空气间隔装药预裂 爆破成缝。选取河南经山寺露天铁矿上覆盖的大理 岩作为研究对象，其相关的岩石物理参数如表l 所 示。常规露天台阶预裂爆破不考虑地应力的影响， 垂直于缝面的地应力取为零。经山寺露天铁矿矿体 开采及上覆岩层剥离中使用的混装炸药密度约为 1 ．2 5g ／e r a 3 、爆速约为4 5 0 0m ／s ，炮孔直径1 4 0m m 。 空气间隔预裂爆破中空气层的比例通常为7 0 ％一 9 0 ％，可由式 2 计算预裂爆破炮孔中的爆炸荷载，由 式 5 一式 7 可得到不同孑L 距、不同空气层比例时 炮孔中心连线上各点的应力强度因子的变化规律MJ 。 表1 岩石动力学参数表 T h M e lP a r a m e t e r sl i s to fr o c kI 啦l 豁m e c b t m i c s 计算结果表明，宽孔距即孔间距取较大倍数孔 径的预裂爆破，当炮孔间距取为1 2 2 4 倍孑L 径时， 炮孔间的应力强度因子主要受爆炸荷载变化的影 响，如炮孔间距为1 8 倍孔径时，岩石应力强度因子 随空气层比例及距离的变化如图2 所示，其他炮孔 间距条件下炮孔间的岩石应力强度因子分布规律近 似于图2 。 空气层比例9 0 ％ 图2 应力强度因子的变化规律 F i g ．2 T h ec h a n g i n gr u l eo ft h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r 由图2 可知，当爆炸荷载足够大时，即使预裂炮 孔间距较宽，炮孔间的应力强度因子仍可大于大理 岩0 ．6 1 ．5M P a m Ⅳ2 的断裂韧度旧J ，表明较大的 炮孑L 间距也可预裂成缝。如图2 所示，当预裂孔中 空气层比例小于8 5 ％时，炮孔间距为1 8 倍孔径仍 可预裂成缝。 2 宽孔距空气间隔装药预裂爆破现场 试验 2 ．1 爆破试验设计 为进一步验证宽孔距预裂爆破效果，结合河南 经山寺铁矿上覆岩层的剥离施工，开展了空气间隔 装药预裂爆破的现场试验研究。预裂孔布置设计如 图所示，预裂孔长约1 2 ．5m ，孔径1 4 0m m ，炮孔倾 角8 0 0 ，炸药采用现场混装乳化炸药。为了比较不 同孔间距预裂爆破孔的轮廓成型质量，设计预裂孔 为宽孔距即孑L 间距取较大倍数孔径，预裂孔间距分 别取1 2 倍、1 5 倍及1 8 倍孔径，预裂孔距离前排缓 冲孔3 ．0m ，孔底装药，为了确保预裂成缝，试验中 的空气层比例约为7 5 ％，堵塞长度1 ．2m 。爆破试 验的炮孑L 布置及起爆网路见图3 。 2 ．2 预裂爆破轮廓成型的质量分析 1 轮廓成型的质量 预裂爆破完成后，形成了较为平整的轮廓面，图 4 和图5 给出了爆后预裂爆破部位的轮廓图。 图4 中由空气间隔装药预裂爆破形成的轮廓面 以上，是铁矿开采中实际采用的缓冲爆破形成的开 挖轮廓J ，对比可知，采用空气间隔装药预裂爆破 形成的开挖轮廓相对较为平整。 万方数据 4 爆破 图3 炮孔布置及起爆网路图 单位m F i g ．3 T h ed i a g r a mo fb o r e - h o l el a y o u ta n dd e t o n a t i n gn e t w o r k u n i t m 图4 空气间隔装药预裂爆破边坡轮廓面 F i g ．4S l o p ec o n t o u rr e c o r do fp r e s p l i u i n g b l a s t i n go fa i r d e c k i n gc h a r g e 炸药混装车条件下的空气间隔装药预裂爆破试 验受试验场地工程地质条件的影响较大，预裂爆破 区试验区域跨过一段较为破碎的岩体，爆破后，破碎 岩体段难以发现残存的半孔，但在岩性较好的试验 段，岩体的半孔率较高，尤其是炮孑L 间距为1 8 倍孔 径 距离约2 ．5m 的空气间隔装药预裂爆破试验 段，如图5 所示，轮廓的平整度较好，半孔率较高。 试验结果表明，在岩性较好的开挖段，采用较大的孑L 间距，仍可取得较好的效果。 2 损伤范围 图5 给出了爆破完成后，开挖轮廓面保留岩体 的宏观损伤破坏图。由图5 可知，爆破过程中，爆炸 荷载对后台阶岩体有较强的抬动、拉裂作用。岩体 爆后保留岩体表层分布有不同密集程度的爆生裂 隙，这些裂隙以张开拉裂为主要特征，分布无明显规 律，在地质条件较好，岩体均一性较强的区域裂纹密 度较低，而在地质条件较差的区域，不但裂纹密度 大，而且伴随有岩体破碎的特征。其中装药段的保 留岩体较未装药段岩体的裂隙明显增多，装药部位 炮孔壁岩体被明显破碎。而传统的预裂爆破，由于 沿炮孔的径向及轴向均是不耦合装药，炮孔周围的 可能产生爆生裂纹，但一般不产生粉碎区。 【割5预裂孔间距为1 8 倍孔径试验段的轮啷面 F i g ．5 T e s ts e c t i o nc o n t o u rs u r f a c eo fp r e - s p l i t t i n gd i s t a n c e b e t w e e nh o l e so f1 8t i m e sb l a s t ．h o l ed i a m e t e r 通过布置在炮孑L 装药段及非装药段岩体中的声 波检测孔得到的声波波速变化趋势也表明，非装药 段的损伤深度较装药段的明显偏小，岩体较好的区 域，损伤深度一般较小，预裂孑L 间距为1 8 倍孔径 2 ．5m 的预裂爆破试验段声波检测结果表明，其 空气间隔段声波速度没有明显的降低。而装药段的 声波速度则有明显降低。通过测孔声波速度变化趋 势并以声波速度较平均速度降低1 0 ％为标准判别 的各个测孔的损伤深度，则预裂孔间距为1 8 倍孔径 的试验区装药段损伤深度约为1 ．2m ，空气层段损 伤不明显。其他部位的声波检测结果表明，岩体质 量较差的区域，损伤深度较大。 2 ．3空气间隔装药预裂爆破轮廓成型的影响因素 本次现场试验发现，在保证钻孔质量、起爆网路 质量的前提下，影响空气间隔装药预裂爆破轮廓成 型的因素主要有工程地质条件、炸药性能和装药结 构。岩体的工程地质条件，直接影响到预裂爆破的 成型质量。在岩性较差的试验段，即使采取较小倍 数的炮孔间距，也难形成质量较好的轮廓，而岩性较 好的试验段，较大倍数的炮孔间距可得到质量较好 的轮廓面。 下转第3 0 页 万方数据 3 0爆破 2 0 1 6 年9 月 上接第4 页 炸药的性能和装药结构 空气层比例 ，直接影 响到爆破过程中整个炮孔的平均爆轰压力以及耦合 装药段的初始平均爆轰压力，初始平均爆轰压力过 大，将导致装药段岩体的压碎区及损伤区显著增大。 3 结论 通过以上分析，可得如下初步认识 1 空气间隔装药预裂爆破条件下，即使炮孔 间距较大，由炮孔爆生气体压力形成的应力强度因 子也往往大于岩石的断裂韧度，炮孔间仍可以形成 预裂缝。 2 岩体的工程地质条件直接影响空气间隔装 药预裂爆破的轮廓成型质量。岩体质量较好时，采 用宽孑L 距的空气间隔装药预裂爆破技术，可取得较 好的轮廓成型质量。 3 炸药混装车装药条件下的空气间隔预裂爆 破，装药段的损伤受炸药的性能和装药结构影响。 装药段的损伤深度明显大于非装药段的。 需要说明的是，本次现场试验仅进行了3 组参 数的爆破试验，有待结合现场生产进行更多的试验， 以积累更多的试验数据，完善炸药混装车条件下的 空气间隔装药预裂爆破设计，控制装药段的爆破损 伤破坏问题，从而推广该项技术在水电、矿山等行业 领域非关键开挖轮廓部位的应用。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] M O H A N T YB ．W a l lc o n t r o lb l a s t sa n de x p l o s i v es y s t e m s [ R ] 。C ILT e c h n i c a l ，D e c e m b e r ，1 9 8 1 ． [ 2 ] C A R L A N DR o b e r tM ，B I G G SH o r a c eG e n e ，H O L L A N D D a v i d ．A c h i e v i n go r e w a s t es e p a r a t i o nb yd u a l - 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