深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T 玳G v 0 1 ．2 9N o ．2 J u n ．2 0 1 2 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 2 ．0 2 ．0 0 6 深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究 张西良，崔正荣 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，马鞍山2 4 3 0 0 0 摘要水介质预裂爆破时水中的冲击波可认为是炸药中爆轰波的透射波，采用等效球药包叠加理论来求 解水介质预裂爆破柱状装药的应力波参数，炸药爆炸时在岩体内某一点产生的应力值可由所分解成的多个 单元球药包产生的各应力分量叠加求得。水介质预裂爆破预裂缝的形成经历开裂、扩展、止裂3 个阶段，是 应力波和水介质准静态压力联合作用的结果。 关键词水介质；预裂爆破；成缝机理 中图分类号T I 】2 3 5 ．3 7 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 2 0 0 2 2 0 4 R e s e a r c ho nW a t e r - m e d i u mP r e - s p l i t t i n gB l a s tf o rR i c h W a t e rR o c kM a s si nD e e pO p e n - p i tM i n e s Z H A N G X i l i a n g ，C U IZ h e n g r o n g S i n o s t e e lM a a n s h a nI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dR e s e a r c hC oL t d ，M a a n s h a n2 4 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h es h o c k Ⅷei nw a t e x - m e d i u mp r e s p l i t t i n gb l a s tC a r lb ec o n s i d e r e dt ot r a n s m i s s i o nw a v eo fd e t o n a - t i o nw a v e ．H o m o t a c t i cb l a s t i n gb a l ls u p e r p o s i t i o nt h e o r yw a su s e dt os o l v es h o c kw a v ep l m m 咖o fc y l i n d r i c a lb i a s - t i n gc 删, 4 a s ei nw a t e r - m e d i u mp r e - s p l i t t i n gb l a s t ．T h em a g n i t u d eo f8 t r e ∞o fa n yp o i n ti nr o c km ⅢP A i nb eo b t a i n e d f r o ms u p e r i m p o s i n g8 t r e s s e so fe a c hb a l s t i n gb a l lu n i t ．I nw a t e r - m e d i u mp r e - s p l i t t i n gb l a s t ，t h ee s t a b l i s h m e n to fp r e c r a c kg o e st h ∞n g ht h r e ep e r i o do fc r a z i n g ，e x t e n d i n ga n ds t o p p i n g ，w h i c hi sc o m b i n e de f f e c to fs h o c kw s v ea n ds t a t i c p r e s s u r eo fw a t e r - m e d i u m ． K e yw o r d s w a t e r - m e d i u m ；p r e s p l i t t i n gb l a s t i n g ；c r a c k i n gm e c h a n i s m 水介质预裂爆破与普通预裂爆破不同之处在于 预裂孔中充满水，而不是空气，水代替了空气作为预 裂爆破的偶合介质。工程实践表明，预裂爆破技术 的关键在于预裂孔的破坏控制和预裂缝的形成及其 质量。当前国内涉及水孔预裂爆破的原理的研究较 少，而将炮孔中的水作为爆破介质，寻求水介质预裂 爆破的成缝机理和工艺参数计算方法，有助于减少 炮孔中水对预裂爆破的影响，获得良好的预裂爆破 效果。 收稿1 3 期2 0 1 2 0 2 0 8 作者简介 张西良 1 9 8 1 一 ，男，硕士研究生、工程师，从事采矿及爆 破工程设计研究， E - Ⅲ_ i l m i 口z I I _ m g x l 1 6 3 ．t o m 。 1 水介质预裂爆破应力场数学模型的 建立 研究水介质预裂爆破应力场及成缝机理，采用等 效球药包叠加理论来求解水介质预裂爆破柱状装药的 应力波参数，进而得出水介质预裂爆破成缝机理u 】。 1 ．1 预裂孔孔壁初始压力的计算 水介质预裂爆破中，炸药与水完全接触，可认为 炸药和水之间是偶合的。在偶合装药条件下，可认 为水中的冲击波是炸药中爆轰波的透射波。对一个 完全偶合的系统，在炸药中的压力P 。对水中的压力 只的关系由阻抗失配方程给出Ⅲ】。而当炮孔与炸 药之间存在环状空间的时候。就应采用炮孔压力 万方数据 第2 9 卷第2 期张西良．崔正荣深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究 R ，炮孔压力与绝热压力有关H J 。由于水在高冲击 载荷下的非弹性特征及水质点间的能量损耗的特 性，在炮孔水到炮孔壁之间将出现一个衰减的渡阵 面，炮孔中水中波阵面压力随距离的衰减为 P 乃P ，。 ； m 描P ，。Xf _ r o1 ⋯。 ∥* 【订丽F o J 1 式中r 为比爆心距．r ；r 为至爆心距离，m ；6 为 炸药半径，I n 。 可得炮孔壁上的初始压力为 P 糕蚶 赢 一㈣ 式中p 。为炸药密度，g ／c m 3 ；D 为炸药波速，m ／s ；p r 为水的密度，r , ／c m 3 ；C ，为水的波速，m ／s ；a 为系数， 在这种情况下口一2 ．5 ；△为炸药体积对炮孔容积的 比值，即炮孔被炸药所占据的部分。 1 ．2 单个球药包应力波参数计算 当装药孔起爆后，炸药开始施加在介质上的荷 载为冲击荷载，其压力在很短的时间内上升到峰值， 然后迅速下降，在介质内所引起的应力、应变和位移 均以波动形式传播，其应力随时间变化很快，可以用 弹性应力波的波动方程来描述∞1 。 在以球状药包中心为原点的球坐标 r ，口，妒 中，球对称压缩应力波的波动方程为 f 坩 _ r 雌 f 一 0 5 式中r t 一丢j ，t ，o 丁 垦生毛；盟。 由于预裂缝的形成主要是由于垂直于预裂缝方 向的拉伸破坏，矿，、o r 。只是预裂缝形成的补充和扩展， 是一种次要的破坏作用，在预裂缝形成过程中起主要 作用的是垂直于炮孔连心线方向的应力分量盯．。 1 ．4 应力波叠加的分析和计算 在任意t 时刻，单孔在该点产生的应力值可由 所分解成的n 个单元球药包产生的各应力分量叠加 求得 ％ ∑q ．； 6 ／ l 设共有m 个炮孔，则第J 个炮孔在该点产生的 叠加应力为盯} J 。 则所有炮孔内炸药爆炸在该点产生的总的叠加 应力为 m 矿 ∑o r 州 7 』一 r ’ ‘。 由于爆生气体在水介质预裂爆破中对预裂缝的 作用，只是在应力波形成初始裂缝的基础上使裂缝扩 展贯通，并最终形成预裂缝，故认为是一种较次要的 作用，实际计算中，可采用一个修正系数K K 1 ，以 适当地弥补由于忽略爆生气体对预裂缝形成所起作 用而造成的误差。 盎a r 2 手警一2 号 专雾 3 2 水介质预裂爆破成缝机理 式中“为质点位移，m ；q 为纵波速度，m ／s ；r 为距 原点径向距离，m ；f 为时间，s 。 1 波动方程的初始条件为t 0 时，￡‘ O 。 2 波动方程的边界条件 当r r o 时 “ u 。 峄O m , r r o e 一一e 也 4 1 ．3 台阶中一点的应力状态 根据球座标的应力波理论，可求得从某一球状药 包抵达台阶岩体中某一点的应力波的各应力分量 旷 A 跏 【时 半一半卜 2 A 业 西 ％ 2 a 弘 丛掣 柚r ，掣～掣竽】 由于初始裂缝的形成是受拉破坏，在相邻炮孔 应力场未相遇之前各炮孔内的应力波仅在各自孔壁 上产生不定向和不定量的裂缝。由于相邻炮孔的存 在改变了炮孔壁附近的环向应力分布，在炮孔连心 线方向产生应力叠加，当集中拉应力大于岩体的动 态抗拉强度时，则在炮孔连心线方向上首先产生裂 纹，这样才能形成预裂缝。即当孔壁处岩体内拉应 力值超过岩石的动态抗拉强度即时，岩石中将出现 破坏裂缝。 盯1 P ≥[ o r 。 ＆[ 矿] 拉 8 式中[ 仃。] 为岩石的动态抗拉强度，M P a ；岛为岩石 的抗拉动载荷系数；[ 矿] 拉为岩体静载荷下轴极限抗 拉强度，M P a 。 此后，爆生产物挤压水介质楔人应力波作用在 炮孔连心线方向上形成的初始裂缝，产生“水楔”效 应，爆生产物与水一起驱动裂缝扩展，并最终贯通形 成预裂缝。故裂缝扩展的基本条件为 万方数据 爆破2 0 1 2 年6 月 士由‘晴确』，互饿h ‘9 ’ 3 水介质预裂爆破在首钢水厂铁矿应用M P 式中，矿胂为距孔中心r 处岩体应力， a 。 ”⋯”“”、4 ⋯””斗8 ”””’⋯”“。”。 同时随着爆生产物的膨胀和耗散，其压力不断 衰减，当其压力衰减至不足以使裂缝发展时，裂缝扩 展停止。所以初始裂缝在爆生产物和水的作用下所 能扩展的长度也是有限的，但如果两相邻孔的间距 在裂缝所能扩展的长度范围内时，裂缝就会相互贯 通№J 。当相邻炮孔应力波叠加产生的集中拉应力 小于岩石的动态抗拉强度即口憎≤[ 盯。】时，裂纹停 J E 发展。 首钢水厂铁矿东帮岩石的强度低，如混合花岗 岩厂 5 ～6 ，节理裂隙较多，大部分为含水岩层，属于 多裂隙软岩和破碎型岩体。之前东帮的预裂和缓冲 爆破大部分都没有形成完整的预裂面；在台阶坡面 上也很少见到完整的半壁孔痕；超、欠挖现象严重， 伞岩和根底也较多。在首钢水厂铁矿东帮的2 种主 要靠帮岩性 混合岩和片麻岩 中分别进行了水介 质预裂爆破，其参数见表l 。 表1 水厂铁矿水介质预裂爆破试验参数及效果 T a b l e1W a t e r - m e d i u mp r e - s p l i t t i n gb l a s tp a r a m e t e r sa n de f f e c t si nS h u i c h a n gm i n e 现场试验共统计了l l 炮，3 0 0 余各孔，预裂孔 长度约4 50 0 0m ，形成预裂面约3 5 0m ，取得了较好 的预裂爆破效果。后冲破碎较小，无顶部龟裂；无超 欠挖现象。坡面基本上是平整的，预裂孔基本上都明 显保留了半壁孔痕迹，保留孔痕的百分比较高，不平 整度较小，凹凸一般在 2 0c l n 以内。坡面明显的 爆破裂隙较少，坡面积和境界线达到了靠帮爆破要 求。通过现场试验表明，炸药在水介质中爆破传压 能量大、均匀且时间长，炸药能量利用率高。可以节 约药量，获得较好的预裂爆破效果。 4 结语 采用等效球药包叠加理论来求解水介质预裂爆 破柱状装药的应力波参数，炸药爆炸时在岩体内某 一点产生的应力值可由所分解成的多个单元球药包 产生的各应力分量叠加求得。水介质预裂爆破预裂 缝的形成经历开裂、扩展、止裂3 个阶段，是应力波 和水介质准静态压力联合作用的结果，其过程包含 有爆炸应力波的作用和高压水介质的准静态压力作 用2 个阶段，但形成预裂缝的主要动力是应力波在 岩体内叠加形成的拉应力作用。 水介质和空气介质预裂爆破相比，炮孔壁上受 到的初始冲击压力不同，所产生的准静态应力场也 不同。这都与水介质的性质有关，在等量炸药爆炸 时水中爆炸冲击波作用于孔壁上的峰值压力远比空 气中的高，并且水中冲击波的传播遵循与空气冲击 波不同的规律，爆生产物的膨胀速度在水中要慢得 多。这是由于水的可压缩性小，密度较空气大。其 结果是在一定的不偶合系数及相同装药时，炮孔水 介质预裂爆破可在孔壁上产生较大的冲击力，并且 准静态应力场的强度大，作用时间长。水还具有传 压均匀的特性，因而水压所形成的准静态应力场更 具规律性，对炮孔连线上裂纹扩展方向有更好的控 制作用。通过在首钢水厂铁矿的现场试验验证，即 使对于极其破碎复杂的富水岩体实施水介质预裂爆 破技术，半壁孔率仍然可以达到6 0 ％～7 0 ％，达到 较好的水介质预裂爆破效果。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] S F A R F I E DAM ，P U G L [ F 皓EJM ．G 叩即他“∞M 殍脒卅 a t e di nr o c kb y 碘墙c a Ie x p l e e i v ed I 皿弩嘲a ∞m 掣晡鲥I b e I №∞a ∞掣c e rm o d da n dm e a e m [ c ] ∥I r 正J R o c kM e e hM i nS c i ，1 9 6 8 5 6 5 - 7 7 ． [ 2 】亨利奇J ，爆炸动力学及其应用[ M ] ．北京科学出版 万方数据 第2 9 卷第2 期张西良，崔正荣深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究 2 5 上接第3 页 是 芒 暑 n - D0 - 0 2 l x l ．E 6 ] D ．3 5 O ．3 0 O ．2 5 0 ．2 0 0 ．1 5 O ，l O 0 ．0 5 1 ．0 彳、 0 暑 釜 甚 尘 0 - - 0 ．5 0 0 ．0 4o 0 60 ．0 8o ’1 0 t ／s 图7 压力时程曲线 r 1 5 0H 撒通滤波后的压 l 一龙旨中心位置处节点2 9 5 ’ J I j’‰ 肌 燃州黻 一 ．u1 o ．0 2o ．0 4 0 ．0 6o ．0 80 ．1 0 f ，● 图8 龙骨中心位置处节点2 9 速度和压力时程曲线 F j g ．8V e l o c i t ya n dp r e s s u r eh i s t o r yc u r v eo f N o d e2 9 , i tt h ek e e c e n t e r 4 结语 利用A B A Q U S 软件可以对水面舰艇和周围水 介质进行建模和水下爆炸仿真，并考虑自由水面、流 固耦合和空化效应等因素的影响。空化效应对舰艇 水下爆炸冲击仿真有重要的影响，不可忽略；空化在 冲击波到达结构表面后就会发生，空化闭合产生显 著的二次冲击加载作用；而不考虑空化则在流固耦 合面上产生尖锐陡峭的负压。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] Y O U N CS h i n ，L E O N A R DS a n l i s 伊．眺e 峋s h o c km o d - e l i n ga n ds i n m i a f i o n t w o - d i m e n d o m la n a l y s i s [ J ] ．S h o c k a n dV i b r a t i o n ，1 9 9 8 5 1 2 9 1 3 7 ． [ 2 ] 李海涛，朱锡，黄晓明，等．水下爆炸冲击波作用下 空化区域形成的特性研究[ J 】．高压物理学报，2 0 0 8 ， 2 2 2 1 8 1 1 8 6 ． [ 2 ] uH 日j T a o ，Z H UX i ，H U A N G i p I n i l l g ，e la l ，O nt h ec h a r - 鼬l e 而侣o fc a v i t a t i o nf o r m a t i o ns u b j e c t e dt ou n d e r w a t e r b l a s ts h o c kw a v e [ J ] ．C h i n №J o u r n a l0 f H 曲P r e s s m ∞ P h y s i c s ，加唪，2 2 C 2 1 8 1 - 1 8 6 ． i nO a n e s e [ 3 ] 李海涛，朱锡，牟金磊，等．水下近距爆炸作用下弹 性钢板处的空化特性研究[ J ] ．海军工程大学学报， 2 0 0 8 。2 0 1 2 1 - 2 4 ， [ 3 ] L IH a l - t a o ，Z H U 【i ，M UJ i n l e i ，e ta 1 ．C h a r a c t e r i s t l c so f c a v i t a t i o na r i s i n gb e l o we l a s t i cs t e e lp l a t es u b j e c t e dt o c l o s eu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．J o u r n a lo fN a v a lU n i v e r s i ． t yo fE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，2 0 I 2 I 珥． i nC h i n e s e [ 4 ] 顾文彬，苏青笠，刘建青，等水下平面爆炸冲击波作用下 空化区域形成及其特征[ J ] ．爆破，2 0 0 4 ，2 1 4 8 - 1 1 ． 4 】G UW e n - b l n ，S UQ a , g - H ，L I UJ i ”呵i n g ，e ta 1 ．F o r m a t i o n p l v c e Mo fc a v i t a U o nr e g i o ne l e c t e db yu n d e r w a t e rp l a n e b l a s ts h o c kw a v ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 4 ，2 1 4 8 一1 1 ． i BC h i n e s e [ 5 ] B L E I c HHH ，S A N D L E RIS ．I n 蒯仰b e t r w e e ns t r u c - t u r e sa n db i l i n c a rf l u i d s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fS o l i d sa n dS t r u e m l Ⅸ，1 9 7 0 6 6 1 7 ，6 3 9 ． [ 6 ] 1 a s s a u l ts y 舳 i n a d i aG 呻．A B A Q U SA n a l y s i sU s e r 7 s 地蛐l a I6 ．9 一E F l [ z ] ．R I ，U S A 1 a s s a n l ts y B 塘m 瞄．2 [ 1 3 9 ． tal￡，∞￡“ 万方数据