某矿山爆破岩体破裂范围试验分析.pdf

第3 3 卷第2 期 爆破 V 0 1 ．3 3N o 2 2 0 1 6 年6 月B L A S T I N G J u n ．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 2 ．0 0 9 某矿山爆破岩体破裂范围试验分析术 李鸿，胡浩川，赵明生，陶铁军 贵州新联爆破工程集团有限公司，贵阳5 5 0 0 0 2 摘要矿山爆破过程中岩体的破裂范围对边坡的稳定性有着重要的影响。以某矿山爆破施工为研究背 景。通过现场声波试验对岩体的破裂范围进行了测定，并通过理论计算得出了现场边坡岩体爆破后的压碎 圈、裂隙圈范围，计算了减小炮孔直径后爆破岩体的破裂圈范围。结果表明现场测试岩体的爆破破裂范围 为3 ．4 6m ，理论计算岩体裂隙圈平均范围为3 ．4 2 8m ，现场实验结果与理论计算误差为0 ．9 ％。炮孔直径由 1 6 0m m 变为9 0m m 后裂隙圈范围缩小为1 ．9 2 8m 。通过减小炮孔的直径能有效控制矿山边坡岩体的破裂 范围．为边坡的爆破控制防护措施提供理论支撑。 关键词裂隙圈；声波测试；小孔径；边坡稳定性 中图分类号T D 2 3 5 ．4 6文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 4 5 0 4 E x p e r i m e n t a lA n a l y s i so fR o c kM a s sR u p t u r e R a n g eb yM i n eP r o d u c t i o nB l a s t i n g U H o n g ，H UH a o c h u a n ，Z H A OM 诫g s h e n g ，T A OT i e - j u n G u i z h o uX i n l i a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gG r o u pC oL t d ，G u i y a n g5 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h er u p t u r er a n g eo fr o c km a s sh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fs l o p ei nt h ep r o c e s so f m i n eb l a s t i n g ．W i t ht h eb l a s t i n gc o n s t r u c t i o no fam i n ea sar e s e a r c he x a m p l e ，t h er u p t u r er a n g eo ft h er o c km a s si s d e t e r m i n e db yt h ef i e l da c o u s t i cw a v et e s ta n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ．T h es c o p e so ft h ec r u s h e dr i n ga n dt h e c r a c kr i n gw e r eo b t a i n e da f t e rt h eb l a s t i n go ft h es l o p er o c km a s s ，a n dt h er a n g eo ft h er u p t u r ec i r c l ew i t hs m a l l e rd i a m e t e rh o l ei sa l s oc a l c u l a t e d ．R e s u l t ss h o w st h a tt h er u p t u r er a n g eo fr o c km a s sb yf i e l dt e s ti s3 ．4 6ma n dt h ea v e r a g er u p t u r er a n g eb yt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni s3 ．4 2 8m ．w h e r et h ee r r o ri sn om o r et h a n0 ．9 ％．T h er u p t u r er a n g e g e t sr e d u c e dt ob e1 ．9 2 8m w i t ht h eh o l ed i a m e t e rc h a n g i n gf r o m16 0m mt o9 0m m ．B yr e d u c i n gt h eh o l ed i a m e t e r ， t h er u p t u r er a n g eo fr o c ks l o p ec o u l db ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h eb l a s t i n gs a f e t yc o n t r o li ns l o p es t a b i l i t y ． K e yw o r d s f r a c t u r ea r e a s ；s o n i cw a v et e s t i n g ；s m a l l b o r e ；s l o p es t a b i l i t y 众所周知，矿山装药爆破使岩石产生径向裂隙， 其在岩体压碎圈的外层形成了裂隙圈‘1 ，2 | 。根据经 验，裂隙圈的范围一般为药包半径的8 ～1 5 0 倍。 收稿日期2 0 1 6 一0 1 一1 9 作者简介李鸿 1 9 7 6 一 ，男，本科、高级工程师，从事爆破工程及 管理技术研究， E - m a i l 6 0 2 5 7 4 7 1 6 q q ．C O r n 。 通讯作者胡浩川 1 9 7 2 一 男，本科、高级工程师，从事爆破工程及 管理技术研究， E m a i l 3 7 7 4 1 3 4 5 4 q q ．c o r n 。 基金项目贵州省优秀青年科技人才培养项目黔科合高G 字 [ 2 0 1 5 ] 4 0 0 4 ；贵州省工业和信息化发展专项基金计划 2 0 1 5 0 3 0 目前国内、外学者多采用理论分析、现场试验及 数值模拟等技术对岩石爆破后的裂隙圈范围及其损 伤分布规律进行研究。闫长斌、徐国元等对厂坝铅 锌矿某巷道围岩在爆破动荷载作用下产生的累积损 伤效应进行了现场试验研究，提出了爆破装药位置 和药量对岩体损伤累积规律有一定的影响J 。郭 磊、程康利用声波测试仪对隧道围岩松动范围进行 了检测，并对实测数据进行了整理分析，提出隧道爆 破作业后的松动范围HJ 。陈俊桦在现有岩石爆破 万方数据 爆破 2 0 1 6 年6 月 损伤理论的基础上，通过现场爆破试验、爆破振动速 度测试以及钻孑L 声波测试，验证爆破参数的合理性 以及完善爆破参数设计”j 。谢瑞峰、曲国鹏将压碎 圈和裂隙圈范围的确定简化为平面应变问题，推导 出耦合装药和不耦合装药条件下深部岩石松动爆破 的压碎圈和裂隙圈半径计算公式怕J 。 以某露天矿爆破施工工程为背景，在爆破现场 进行岩体声波测试。通过对测试数据进行分析，获 得了现场岩体的爆破破裂范围。并结合理论计算对 现场实验结果进行验证，通过减小炮孔直径优化矿 山爆破参数，确定控制爆破区间范围，确保矿山永久 边坡的稳定性。 1 现场声波测试 1 ．1 工程概况 贵州省某矿山为山坡露天矿，矿区内地势东高 西低，海拔高度2 1 0 0 ～2 6 5 0m ，相对高差达到 5 5 0m 。该露天矿岩石性质主要为灰岩及含燧石灰 岩，岩体较为破碎，导致边坡稳定性较差。现场爆破 参数为台阶高度1 5m ，孔深1 6i n ，超深1i n 。孔径 1 6 5m m ，孔距6i n ，排距5m ，堵塞长度为4 ．5i n 。现 场采用膨化硝铵炸药，密度为1 0 0 0k g ／i n 3 ，爆速为 3 2 0 0m ／s ，单孑L 药量1 5 6k g 。 1 ．2 测试方法 现场测试采用武汉岩海R S S T D lD 跨孔声波检 测仪。为保证测试孑L 能装满水减少声波在空气中的 发射接收 上 拉 探 头 觥 1R S S T 0 1 D P L 一非金属声波 深I检测仪 度L 一 a 测试方法示意图 a S c h e m a t i cd i a g r a m o ft e s tm e t h o d 衰减，声波孑L 位于边坡岩体之上，与水平呈3 0 。夹 角。现场布3 个测孔，呈一条水平直线分布，孑L 径为 1 6 0m m 。孑L 距为1 ．2 5i n ，声孔深为6m ，如图1 所示。 图1现场布孔不意图 单位m F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fh o l el a y o u t u n i t m 在钻凿完测孑L 后，用竹竿检验声波孔，保证测孔 壁内通畅，不影响发射器的顺利放入和提升。由于 岩性较为破碎，现场利用矿山的洒水车对声波孑L 进 行灌水，并通过薄壁塑料袋紧贴孔内壁减少孔内水 分的流失，保证测试过程中让水与孔壁耦合。在测 试前，将仪器开启，设置好测试参数，等待采集。首 先将发射和接收的探头放置于孑L 底，调整发射、接受 器在同一水平高度。测试时缓慢提升发射、接收探 头，通过深度记数滑轮记录孔问岩石的声波纵波波 速。现场测试如图2 所示。 b 现场实验仪器及炮孑L 布置 b F i e l de x p e r i m e n t a li n s t r u m e n ta n db l a s th o l ea r r a n g e m e n t 图2 现场声波测试 F i g ．2 S i t ea c o u s t i cw a v et e s t 2 岩体破裂圈范围结果分析 经现场采样进行室内岩石声波试验测试，测得 完整岩块的纵波声波速度为4 2 0 0m ／s 。分别对A B 、 B C 孔进行现场声波测试，得到岩体在0 ～6m 范围 内的声波在两孔之问的传输时间，并推算出不同孔 深的速度变化，将测试结果绘制成声波测试曲线如 图3 所示。 由测试结果可知A B 炮孔之间此处岩体的纵波 速度从0I n 到4m 时，波速一直在3 7 7 0m ／s 到 万方数据 第3 3 卷第2 期李鸿，胡浩川，赵明生，等某矿山爆破岩体破裂范围试验分析 4 7 4 0 0 0m ／s 范围内无规律变化，深度超过4m 后声波 速度稳定在4 1 5 0 m ／s ；B C 炮孔之间此处岩体的纵波 速度从0m 到4m 时，波速从一直在3 6 5 0m ／s 到 3 9 5 0m ／s 范围内无规律变化，深度超过4I n 后声波 速度稳定在4 1 5 0m ／s 。由上述数据分析可知，0 ～ 孔深／m a A B 测孔区间内声速与孑L 深关系 a R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o u n dv e l o c i t y a n dh o l ed e p t hi nA Bt e s tb o r e 4m 范围内声波速度小于完整岩体的声波速度，超 过4m 后岩体声波速度趋于稳定，略小于室内岩体 声波速度，可确定0 ～4I l l 孑L 深区域为爆破引起的裂 隙圈范围，即裂隙圈半径为4XC O S3 0 。 3 ．4 6i n 。 3 0 2 0 1 0 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 孔深／m b B C 测孔区间内声速与孔深关系 b R e l a t i o n s h i pb e t w e e na c o u s t i cv e l o c i t y a n dh o l ed e p t hi nB Ct e s tb o r e F i g ．3 T h ea c o u s t i cv e l o c i t ycurve 3 爆破破裂范围理论计算 式中’6 为侧向应力系数 矿山装药爆破后，将在炮孔壁周围形成压碎圈 6 2 ‰ 7 和裂隙圈。根据式 1 一式 7 ，可计算得到压碎圈 此外，根据式 8 ～式 11 可计算得到裂隙圈 半径‘7 ，8 1半径 耻、p 4 0 仉D Z A B ，] i ‘r ㈩ R 2 [ 筹h ㈣ 式中，O c d 为岩石动态抗压强度，岩石的动态抗 式中，盯。。为岩石动态抗拉强度，由于岩石的动 压强度随着加载应变率的提高而增大。对于常见的 态抗拉强度随加载应变率的变化很小，因此在矿山 岩石，其动态抗压强度可近似表达为 爆破中可以简化为 盯，d O r ．矿 2 o r m 盯， 9 式中o r 。为岩石静态抗压强度；占为加载应变 式中，盯，为岩石静态抗拉强度；卢为压碎圈外荷 率；其中r 为矿山爆破的炮孔半径；A 的值可由下式 载传播衰减指数，可由下式计算得到 计算得到 ，， 4 丝f 3 卢。2 一尚 1 0 ⋯ ，，⋯、．乞匕p 二。。一一 ，、 式中，盯。为压碎圈与裂隙圈在分界面上的径向 式中p 、P 。分别为岩石和炸药的密度；C p 、D 分 。～一“～ ～一⋯⋯一⋯一～一～‘ 别为岩石纵波波速和炸药的爆速；其中，n 为压碎圈 世刀 内荷载传播衰减指数，可由下式计算得到 盯。坐鍪 1 1 肛d／．、 石 a2z 五 L 斗， 式中，仃和B c d 取值同前式计I 算一致。 l一“J ’、I ，u ’H 协阻l J 玎u 一～r升M o 式中，肛。为岩石动态泊松比。根据相关研究， 现场采用岩石膨化硝铵炸药进行爆破，取炸药 可以近似认为岩石动态泊松比的计算公式为密度p 。 1 0 0 0k g ／m 3 ，爆速D 3 2 0 0 m ／s ；岩石的密 肛d 0 ．轧 5 度p 2 9 3 6k g ／m 3 。岩石泊松比p 0 ．2 4 ，岩石静态 式中，肛为岩石静态泊松比。 抗压强度以1 5 0M P ，岩石静态抗拉强度盯， B [ 1 6 2 1 b 2 一躯d 1 一p d 1 一b 2 ] 了12 4 M P ，加载应变率s 取1 0 3 ，炮孔半径r 0 ．0 8m 。 6 在爆破前通过打垂直孑L 测量其岩体纵波波速，得到 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 A B 孑L 岩体平均波速为4 0 9 2m ／s ；B C 孔的平均波速 为3 9 8 0m ／s 。 将实测爆破参数及岩体条件参数代入上述式 子，可得A B 岩体压碎圈R ， 0 ．3 5 8i n ，裂隙圈R 3 ．2 4 7 m ；B C 岩体压碎圈R ． 0 ．3 li n ，裂隙圈R 2 3 ．6 0 9i n 。平均爆破裂隙圈范围为3 ．4 2 8i n 。 4 小孔径爆破参数优化 为保证矿山永久保留边坡的稳定性，在保留边 坡边界线附近均采用9 0m m 孑L 径的炮孔进行爆破 作业，为确定爆破损伤范围，采用理论计算的方式对 现场掩体爆破裂隙圈范围进行计算。爆破参数与上 述计算参数一致，将炮孔半径r 0 ．0 4 5i n ，平均波 速C ，， 4 0 5 0m ／s 带人式 1 ～式 1 1 ，计算可得， 在小孔径炮孔爆破工况下，爆破作用所产生的裂隙 圈范围为I ．9 2 8i n 。 因此，在距离边坡永久边界1 ．9 2 8 ～3 ．4 2 8i n 范 围内，采用9 0m i n 孑L 径进行爆破作业不会对矿山永 久边坡产生破裂损伤，在1 ．9 2 8m 范围内应采用光 面爆破的形式进行边坡修整。 5结论 对爆破现场声波测试进行数据分析处理，获得 了现场岩体的爆破破裂范围，并结合理论计算得到 了以下结论 1 现场声波测试获得的岩体裂隙圈平均范围 为3 ．4 6I T I ，理论计算的岩体裂隙圈平均范围为 3 ．4 2 8i n ，理论计算与现场实验结果误差为0 ．9 ％。 2 采用9 0m mJ J , f L 径进行爆破作业能减小爆 破裂隙圈范围，能够有效控制爆破作业对边坡岩体 的损伤。 3 在距离边坡永久边界I ．9 2 8 ～3 ．4 2 8m 范 围内，采用9 0i n i n 孑L 径进行爆破作业，超过3 ．4 2 8i n 范围内可使用1 6 0 孔径进行爆破作业，小于1 ．9 2 8i n 时应采用光面爆破等控制作业确保边坡的稳定性。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] 石小兵，庞维强，蔚红建钝感推进剂研究进展和发展趋 [ 8 ] 势[ J ] ．化学推进剂和高分子材料，2 0 0 7 ，5 2 2 4 3 2 ． S H IX i a o b i n g ，P A N GW e i q i a n g ，W E IH o n g - 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