爆破块度分布与控制的模拟试验研究.pdf
第2 7 卷第2 期 2 0 1 0 年6 月 爆破 B L A S T Ⅱ呵G V 0 1 .2 7N o .2 J u n .2 0 1 0 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 0 .0 2 .0 1 2 爆破块度分布与控制的模拟试验研究 段宗银1 ,施发伍2 ,张良贵2 1 .铜陵学院机械工程系,铜陵2 4 4 0 0 0 ;2 .铜陵铜都铜业狮子山铜矿生产部,铜陵2 4 4 0 0 0 摘要岩石爆破块度除了受岩石和炸药性质影响外,还受到装药结构、爆破参数和爆破技术等的影响。 在实际的爆破工程中,为了不同的爆破目的,需要采取不同的爆破方法和参数。采用砼和天然岩石试样,通 过改变不偶合系数、炸药单耗、爆破参数和填塞条件等参数进行模拟爆破实验,对爆破后的块度进行筛分统 计分析,以优化爆破参数和实现对爆破块度的控制和预测。 关键词块度控制;爆破参数;装药结构;不耦合系数;炸药单耗 中图分类号T D 2 3 5 .1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X { 2 0 1 0 0 2 0 0 4 5 0 4 S i m u l a t i o nT e s to nD i s t r i b u t i o na n dC o n t r o lo f B l a s t i n gF r a g m e n t a t i o n D U A NZ o n g .Y i n l ,跚F a - t c ,u 2 ,Z H A N GL i a n g - g u i 2 1 .D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ,T o n g l i n gU n i v e r s i t y ,T o n g l i n g2 4 4 0 0 0 ,C h i n a ; 2 .L i o nM o u n t a i nC o p p e rM i n e ,T o n g l i n gT o n g d uC o p p e rS t o c kC oL t d ,T o n g i n g2 4 4 0 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t T h er o c kf r a g m e n t a t i o ni si n f l u e n c e db ys o m ef a c t o r sa sc h a r g es t r u c t u r e ,b l a s t i n gp a r a m e t e ra n db l a s - t i n gt e c h n i q u eb e s i d e st h ep r o p e r t i e so fr o c ka n de x p l o s i v e .T h ed i f f e r e n tb l a s t i n gp a r a m e t e r sa r e 印曲e dt od i f f e r e n t c o n d i t i o ni nt h ep r a c t i c e .T h eb l a s t i n gt e s t sa r ep e r f o r m e db yc h a n g i n gb l a s t i n gp a r a m e t e r ss u c ha su n c o u p l i n gc o e f f l - e i e n t ,s p e c i f i cc h a r g ea n ds t e m m i n gl e n g t ho nr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dn a t u r er o c ks a m p l e s ,t h e nt h es i e v ea n ds t a f i s t i e a la n a l y s i 8o ft h er o c kf r a g m e n t a t i o nW a st a k e n .w h i c ho p t i m i z i n gt h eb l a s t i n gp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l l i n ga n dp r e d i e - r i n gt h eb l a s t i n gf r a g m e n t a t i o n K e yw o r d s f r a g m e n t a t i o nc o n t r o l ;b l a s t i n gp a r a m e t e r ;c h a r g es t r u c t u r e ;u n c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ;s p e c i f i c 0 引言 随着现代科学技术发展,特别是先进的现代测 试技术和计算机技术的发展,爆破块度的预测和控 制研究取得了可喜的进展。爆破块度的预测和控制 的研究受到岩体爆破机理发展的制约,由于岩体爆 破破碎过程是一个复杂的动态演化过程,该过程由 炸药爆炸后生成的高温、高压气体产物和岩体的动 态本构关系的复杂性,炸药与岩体之间相互作用的 收稿日期2 0 0 9 一1 2 3 1 作者简介段宗银 1 9 6 1 一 ,男,副教授,学士,研究方向矿山爆破 工程,E m a r l d z y f l u .e d u .C l l o 复杂性,以及岩体本身的非均质性和各向异性等使 得岩体爆破机理的研究显得十分复杂和困难。因 此,对岩体爆破机理和破碎过程进行深入细致的研 究已成为预测和控制岩体爆破块度及现代爆破技术 迫切需要解决的问题。 1 模拟实验材料及其力学参数 1 .1 砼材料和配比 试件的形状为圆柱体,其直径为3 0 0l n l n ,高为 3 0 0r a i n 。正中预留炮孔,孔径西1 6m i l l ,深1 0 0m m 。 为了制备3 组不同强度的爆破试件,在试验准备 阶段,选用水泥、河砂、石英砂、石子和珍珠岩粉等材 万方数据 爆破2 0 1 0 年6 月 料进行配比设计和试验。对试件材料的要求为选用 4 2 5 。普通矿渣硅酸盐水泥、河砂、粒径小于3m i T t 的石 英砂、粒径小于5r n l T l 的石子,珍珠岩粉为一般的建筑 保温材料。试件的有关参数如表l 所示。 表1 试件配比及力学参数表 T a b l e lT h et a b l eo fs p e c i m e nr a t i oa n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 注以上数据除配比外均为平均值。c 为水泥,形为水,s 。为石英砂,S 2 为河砂,s 3 为石子,P 为珍珠岩。 1 .2 大理岩的力学参数 实验所用的岩石材料为同层人工开挖的大理 岩,以减小开挖对岩石初始损伤的影响。这种岩石 比较均质、结晶致密、夹杂很少。岩石取样后被切割 成2 5 0m i l lx 2 5 0r n l T l 2 5 0i n i n 的立方体,为模拟台 阶爆破,试件上部钻出装药孔2 个。大理岩的力学 性能参数实验结果见表2 。 表2 大理岩的力学性能参数 T a b l e 2T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r so fm a r b l e 1 .3 爆破器材 模拟爆破实验中所使用的炸药为D D N P 炸药, 采用电雷管引火药头引爆,起爆电源为B Q - 2 型电 雷管综合参数测试仪,并同时进行爆速测定,当装药 密度为1g /c m 3 、直径为3 ~6m m 时,D D N P 的平均 爆速为49 5 0m /s 。填塞材料采用摩擦系数大、粘性 好的橡皮泥。 2 爆破参数与破碎块度分布的模拟试验 采用正方形的大理石试件进行台阶爆破模拟实 验,由于试件的尺寸较小,为了减少和消除试件四周 自由面对爆破效果的影响,实现边界条件相似,在岩 样四周和底部涂上1 层黄油,然后用5 块1 0m i n 厚的 铁板夹制 布孔侧不用铁板夹制 ,并用螺栓固定。 根据爆破实验的目的,设计了3 种不同的装药 条件①偶合无填塞、②偶合填塞、③不偶合填塞 不偶合系数为1 .6 。布孔方式为采用双孔爆破 实验,炮孔直径6m i l l 、深度1 0 0m l n 、间距5 0n l i n ,炮 孔布置在岩样距侧面5 0m m 处,每孔装药0 .3g 。 试件爆破后,收集爆破块度,按5n 蚰一级进行 筛分统计,按重量统计筛下累计百分比,并作出其与 块度尺寸的关系曲线,其分布方程和曲线见图1 a 、 b 、c ,最后根据其回归统计结果求出其块度指标 K S 0 和K 8 0 分别指5 0 %、8 0 %的总重的爆破块度能 通过筛目的块度尺寸,大块率 B f r 则是指大于6 0 n l m 的爆破碎块重量占总重量的百分比。图l d 为爆破漏斗体积分布图。分析图1 中的结果,可以 得到以下结论 1 0 0 毋8 0 16 0 璧4 0 壕2 0 0 51 01 52 0 2 53 04 05 0 ∞7 0 51 0 1 5 2 02 53 0 柏5 0 6 0 7 0 ∞ B 4 1 块度尺- f J /m m 1 水1 0 0 i 8 0 士6 0 誓4 0 岳2 B 4 3 B 4 2 块度尺寸/m m b d 图1 大理岩台阶爆破块度分布及爆破体积 F i g .I T h es t e pb l a s t i n g 丘a g m e n t a f i o nd i s t r i b u t i o n a n d6 l e tv o h u n eo fm a r b l e 1 不偶合装药 1 3 4 3 的爆破破岩效果最好,因 为其爆破下的岩石体积最大、块度指标最小,偶合填 塞 B 4 2 次之,偶合无填塞 B 4 1 最差。 2 爆炸应力波的破岩作用主要体现在爆破近 区,中远区的破碎作用主要是由于爆生气体的作用 一图豳且粥~且眦一圈盟肌 .1..-..-_....JLr.....Lrlf.-1Lr.....Lr.-1.._-_.L ∞∞∞∞∞∞∞o 瑚湖湖伽|戛瑚m o / 荔 毳~ 万方数据 第2 7 卷第2 期段宗银,施发伍,张良贵爆破块度分布与控制的模拟试验研究 4 7 结果。偶合无填塞的爆破块度主要为碎块和大块, 块度分布不均匀,反映在块度指标上是K S 0 较小、 K 8 0 和大块率均大;而偶合填塞爆破的块度较均匀, 大块明显减小。 3 爆破模拟实验结果证明不偶合装药对岩石 的爆破损伤和破碎作用程度要明显优于偶合无填塞 装药,由此说明了爆破气体在损伤和破坏过程中起 了十分重要的作用。 因此,针对以上实验结论,下面对砼试件不偶合 装药进行深入的试验研究。 3 装药结构对爆破块度影响试验 由于目前工程爆破中普遍采用不偶合装药结构 来改善和控制爆破块度,以前的研究也表明了不偶 合装药结构的优越性刮,因此,本课题也采用了改 变不偶合装药系数的方法来研究其对爆破块度分布 的影响,以求找到获得最佳爆破效果的不偶合系数。 3 .1 实验方法 采用砼试件在自由边界爆破条件下,通过在相 同药量下改变装药直径的方法来模拟不偶合装药系 数对爆破块度分布的影响规律,一共采用了5 组不 偶合装药系数k ,它们分布为1 .0 、1 .3 、1 .6 、2 .0 和 2 .7 。根据试件尺寸和爆破试验要求,爆破试验时的 装药量应使得试件基本上破碎,因此选择的装药量 为5g ,装药中心位于试件中心,炮孔非装药部分全 部填塞。爆破后收集碎块,从大到小进行筛分,筛孑L 直径每1 0m m 一级,称出并记录每一级的筛上量。 试验对3 种不同强度砼试件的5 个不偶合系数爆破 试验的块度进行了筛分和统计。 3 .2 爆破块度分布统计 采用G G S 分布和R R 分布对爆破块度的分 布进行描述,其函数形式描述如下⋯ G - G - S 分布 Y 1 0 0 x /x o “,% 1 R .R 分布 Y 1 0 0 { I e x p [ 一 x /x 。 “] } ,% 2 式中,Y 为通过筛孔尺寸;石的块度重量百分比;茹。,n 为分布参数。 为了求得块度的分布函数,采用一元线性回归 求分布参数菇。和1 7 , 。对于线性方程的回归分析,在 作回归之前要对原方程作线性化,然后再用最小二 乘法拟合的直线来表示。对于G .G S ,R - R 分布代 换后的形式为。 Y A X B 3 对于G G S 分布Y I ny ;X I n 名;A I n1 0 0 一 nI n 戈o ;B n o 对于R R 分布Y I n [ 1 0 0 / 1 0 0 一Y ] ;x 并; A 一nI n 戈o ;B r t o 这2 个分布函数前人都普遍采用过,认为R .R 分布在大块部分符合实际的程度比细颗粒部分更 好;而G G S 分布在粗粒部分较差而在细粒部分较 好。因此在引用时,对2 个分布函数都采用,最后通 过回归分析由相关系数及F 检验来确定这2 个分 布符合程度。 爆破块度的统计及回归分析由微机来完成,所 编程序具有对原始数据的初步统计、原始统计数据 的打印、回归分析计算、求块度指标K S 0 、K 8 0 及大 块率等指标瞪j 。回归分析后发现,采用G G S 分布 函数时,其相关系数除2 个低于O .9 5 ,其余都在 0 .9 5 以上;o r 0 .0 5 的,检验通过。而采用R R 分 布函数时的相关系数只有个别大于0 .9 ,其它的均 在0 .7 0 .8 之间。因此只采用G C S 分布函数来 描述本次试验的块度分布。 3 .3 不偶合装药爆破块度分布统计结果分析 根据爆破块度统计结果,可以求出K S 0 、大块 率。根据爆破块度筛分的统计结果可以做出5 种装 药不偶合系数条件下的大块率指标和K S 0 与介质 强度关系折线如图2 所示。 1 1 0 蛊1 0 0 砉9 0 I 龋8 0 7 0 4 0 a e 3 0 苫2 0 ∞1 0 O 02 04 06 08 0 介质强度,M P a a 2 04 06 08 0 介质强g 董./M P a 蜀 1 蜀 1 .3 局 2 蜀 l 局 1 .3 K d - - 2 b 图2 块度指标与介质强度关系 F i g .2 T h er e l a t i o m h i po ff r a g m e n t a t i o n i n d i c a t o r sa n dm e d i u mi n t e n s i t y 1 不同强度介质在同一不偶合系数下的爆破 块度统计结果分析 由图2 可见,随着不偶合系数瓯的变化,各组 试件的2 个块度指标均发生了很大的变化。不偶合 装药条件下的各块度指标均小于偶合装药时的指 标。这说明采用不偶合装药可以改善爆破的效果。 万方数据 4 8 爆破2 0 1 0 年6 月 随着介质抗压强度和波阻抗的增加,各块度指标因 托值的不同而各具特点,但总的趋势是随着介质抗 压强度的增加,大块率是增加的,而K S 0 则是减小 的,且当蜀为2 时的大块率、K S 0 最低。这说明存 在一个比较合理的K d 值或者说取值范围。产生这 种现象的原因是由于装药结构的变化引起了作用 于介质的爆炸能量分配比例发生变化,从而产生了 不同的爆破效果。当采用不偶合装药结构时,炸药 的爆炸能量是沿药包长度方向分布,并大部分集中 于药包长度的1 /3 1 /4 中心部位。采用不同的不 偶合系数装药只对能量分配的大小产生影响,随着 K 。值的增大,条形装药爆炸能量的分布将趋于均匀; 但当羁很大时,因爆炸能量分布带拉得很长会导致 单点能量的减少,从而使切向拉应力的幅值减小,不 能产生足够的径向裂隙来破碎介质使爆破效果下 降。根据上述分析,可以得出以下结论不偶合装药 可以改善爆破的效果,对于不同的介质存在着不同 的最佳蚝值或%取值范围,使得爆破块度的指标 较小。 2 同种介质在不同不偶合系数下的爆破块度 统计结果分析 根据爆破块度筛分统计结果可以做出3 种介质 条件下各块度统计指标与K 的关系曲线如图3 a 和图3 b 。 不偶合系龇 曩 不偶合系飘 b 图3 块度指标与蜀关系 F i g .3 T h er e l a t i o n s h i po ff r a g m e n t a t i o ni n d i c a t o r sa n d 蜀 K S 0 与不偶合系数的关系由图3 a 可见,各 组试验的最大K S 0 取值在蚝等于l 处。第1 组试 验的K S 0 随不偶合系数的增大呈下降趋势。在局 等于1 .6 时K S 0 达到最小值8 3 .7 2m l n 。第1 I 组的 K S 0 与不偶合系数蚝的关系为一折线,在K 。为2 .0 0 时K S 0 达到最小值,为7 8 .4 6l T l n l 。第1 I I 组的规律 与第1 I 组的类似,K S 0 的最小值在蜀为1 .6 处。可 见,在K S 0 未达到最小值前,羁与K S 0 呈反变关系, 当K S 0 超过最小值之后二者又呈正变关系。由此 可见,存在着最佳的%取值范围。随介质强度增 大,使K S 0 最小的磁取值趋于减小。 大块率与不偶合系数的关系由图3 b 可见,第 2 、3 组的大块率指标,在%小于2 时,各组的大块率 指标是随着K 的增加而减小的;当蜀大于2 时大块 率又有所增加。因此,对于每种强度的介质都存在着 一个最佳的民取值范围,使得大块率为最小。 由上述分析可得如下结论装药不偶合系数存在 最佳取值范围,此时的大块率较小,爆破块度更均匀。 3 .4 关于最佳不偶合系数取值范围的探讨 根据以上对大块率、K S 0 两种爆破块度统计指 标的分析,发现这些指标与弱都不是简单的正、反 变关系,都存在着使块度指标最小的蜀取值范围; 介质性质不同,块度指标较小的蜀取值范围也不 同。为了确定本次室内试验的最佳不偶合系数取值 范围,选取爆破块度尺寸等于8 5m m 线与K S 0 和岛 关系折线相交点所限定的蜀上下限作为最佳不偶 合系数取值范围。选取8 5m i l l 线的依据有根据试 验结果,3 组试验的最佳不偶合系数所对应的K S 0 值的最大值为8 3 .7 2m m ,选取8 5m m 线可保证它 与K S 0 - K d 关系折线有相交点;依照上述标准,本试 验第1 、Ⅱ、Ⅲ组试件的最佳鼠取值范围分别是2 .4 2 .7 、1 .8 7 2 .1 7 、1 .4 5 ~1 .9 5 。由于本次试验采 用的炸药是D D N P 炸药,而目前现场施工多用铵梯 或铵油炸药,它们与D D N P 炸药相比,性能指标相差 很大。如果用上面确定的不偶合系数取值到现场试 验必然会带来很大的误差。因此上述毛取值范围 须加以修正才能供现场试验参考。根据作用于孔壁 的峰压调整采用硝铵炸药时的民最佳不偶合系数 取值范围为1 介质抗压强度S 1 9 .7M P a ,蜀 2 .0 8 ~2 .3 2 ; 介质抗压强度S 4 0 .8 M P a ,筑 1 - 6 3 1 .8 9 ; 介质抗压强度S 6 2 .3 M P a ,蜀 1 .2 6 1 .7 0 。 4 炸药单耗对爆破块度分布的模拟试验 4 .1 实验方法 采用模拟爆破漏斗实验方法来研究炸药单耗对 下转第8 3 页 万方数据 第2 7 卷第2 期范学臣,刘学庆,郭磊,等“吉丰6 8 9 ”沉船水下爆破打捞 8 3 上接第4 8 页 爆破块度的影响。选用砼试件进行爆破试验,为了 在试件上部产生爆破漏斗,装药中心距上部自由面 的距离为8 0m m ,试件的圆柱侧面采用铁模具夹制, 模具与试件之间采用黄油偶合,以减小边界效应。 在4 种炸药单耗分别为0 .2 8r /c m 3 、0 .4 2 ∥c m 3 、 0 .5 7r /c m 3 和0 .7 1r /c m 3 ,且分别在偶合装药条件 和不偶合装药 蜀为1 .3 条件下进行模拟爆破 试验。 4 .2 实验结果与分析 爆破试验后对8 个试件进行爆破块度筛分进行 统计分析,爆破块度的统计结果符合G - G S 分布。 对本次试验的爆破块度分析采用K S 0 、K 8 0 两个指 标,即用K 5 0 评价爆破块度的平均碎度,K 8 0 来评 价爆破的大块分布情况。由统计结果作出K 5 0 与 炸药单耗q 的关系曲线如图4 所示。从图中可以分 析出炸药单耗q 与块度指标K 5 0 、K 8 0 之间的关系。 由图4 可知,随着q 值的增加,无论是偶合装药还是 不偶合装药,K S 0 值逐渐减小,即K S O 随药耗增加 而降低。但在相同的炸药单耗条件下,偶合装药条 件下的K S O 值均大于不偶合装药条件下K S O 值,即 不偶合装药时的爆破平均块度小于偶合装药时的平 均块度,其爆破效果优于偶合装药,且随着炸药单耗 的增加,爆破的平均块度逐渐降低,并且降低幅度变 缓,有趋向一固定值的趋势。 5 结论 通过爆破块度分布与控制模拟试验研究可以得 到如下结论 本文的结论仅是根据室内实验结果而 得出的 HJ 1 不偶合装药的爆破破岩效果最好,有利于控 制爆破块度,且爆破块度均匀,偶合填塞装药次之, 偶合无填塞装药最差。 炸药单耗q / g c m ” 图4 炸药单耗q 与块度指标的关系 F i g .4 T h er e l a t i o n s h i po fqa n dK S 0 2 随着炸药单耗的增加,块度指标K S 0 、K 8 0 逐 渐减小,但在相同的炸药单耗条件下,不偶合装药时 的爆破平均块度小于偶合装药时的平均块度,其爆 破效果优于偶合装药,且随着炸药单耗的增加,爆破 的平均块度逐渐降低,并且降低幅度变缓,有趋向一 固定值的趋势,因此,炸药单耗增加至一定值后,对 改善爆破块度就没有效果了。 参考文献 [ 1 ]A L E RJ .M e a s u r e m e n tP r e d i c t i o no ft h eF r a g m e n t a t i o nE f - 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