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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