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第 31 卷 第 3 期 2014 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 3  Sep. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 03. 024 深水井增加出水量爆破技术及应用 张云鹏 1， 武 旭1， 吴成双1， 2 （1. 河北联合大学 河北省矿业开发与技术重点实验室， 唐山 063009； 2. 河北唐山恒盛爆破公司， 唐山 063009） 摘 要 采用爆破方法可有效地增加深水井出水量。深水井增加出水量爆破的关键是药量计算和裂隙长 度的估算。根据经验确定了深水井爆破装药量。以岩石爆破破碎理论为依据， 通过理论计算得到了压缩区 和裂隙区半径分别为 0. 37 m 和 1. 62 m。基于 ANSYS/ LS-DYNA 有限元数值模拟的方法对深水井爆破的破 裂范围进行了数值模拟， 模拟结果显示裂隙长度沿径向可以达到 1. 65 m， 破碎空腔半径达 0. 25 m。按计算 药量实施了深水井爆破， 爆破后对深水井进行了抽水测试， 出水量由爆破前的 28 t/ h 增至要求的 110 t/ h， 爆 破效果到达要求。工程实践表明 此次深水井爆破药量较为合理， 可以实现增加新裂隙的目的。 关键词 深水井；出水量；破裂范围；数值模拟 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 03 -0123 -04 Blasting Technique of Increasing Water Yield in Deep Well ZHANG Yun-peng1， WU Xu1， WU Cheng-shuang1， 2 （1. Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province， Hebei United University， Tangshan 063009， China； 2. Hengsheng Blasting Company of Tangshan， Tangshan 063009， China） Abstract The blasting could increase the deep well water yield effectively. The key factor was to calcu- late the charge amount and to estimate the crack length. According to the experience， the explosive loading of the deep well blasting was determined. By theoretical calculation and rock crushing theory， the rupture radius of compres- sion zone and fracture zone was 0. 37 m and 1. 62 m， respectively. Through the numerical calculation of ANSYS/ LS- DYNA， the radial crack length reached 1. 65 m and crushing cavity radius reached 0. 25 m. The deep well blasting project was carried out according to the calculation and pumping test after the blasting， and the result indicated the water yield increased from 28 t/ h to 110 t/ h. Engineering practice shows that the explosive loading was reasonable and good effect was obtained in the end. Key words deep well；water yield；fracture ranges；numerical simulation 收稿日期 2014 -05 -05 作者简介 张云鹏 （1963 - ） ， 男， 博士、 教授， 主要从事矿业工程、 爆 破工程等研究，（E-mail） 15133960801163. com。 某区域 4 口深水井， 井深 380 m， 直径 220 mm。 其中一口井出水量偏小。为增加出水量， 使水井与 附近含水岩石裂隙贯通， 拟采用爆破法。爆破部位 岩石为砂岩， 硬度适中。 1 装药量计算 装药量过大会对井壁造成较大破坏甚至坍塌， 药量太小则产生的裂隙太短， 不能贯通含水层。药 量的确定以爆炸能量能够扩展井壁岩层已有裂隙和 产生新的径向裂隙， 而井壁不坍塌为基本原则 ［1］。 参照以下经验公式确定装药量 ［2］ Q 8. 3 R3 Fη4m  n （1） 式中 Q 为装药量， kg； R 为最大破坏半径， 取1. 5 m； F 为炸药爆炸力系数， 一般取 0. 8 耀1. 2； N 为爆破筒 系数， 铁皮管取 1. 0； η 为岩层抗破坏系数， 砂岩为 0. 5 耀0. 6； m 为爆破药包与井孔差系数， 根据表 1， 取药包直径 165 mm， m 0. 8。 表 1 井孔与爆破器直径系数表 Table 1 The quotient between wellhole and blasting device diameter 井孔与爆破器直径差/ mm0255075100125150175200250300 m 值10. 950. 850. 750. 650. 550. 450. 40. 350. 30. 25 经计算得到爆破药包药量为 24 kg。 2 破裂范围估算 根据水井附近岩石特性及所选用炸药的性质， 爆破后裂隙区范围可按下式计算 ［3］ R2 Rcd R  td 1 α R1 α 2 - μd 1 - μ  d （2） 式中 Rtd为岩石动态抗拉强度， MPa； R1为柱状药包 爆破时压缩区半径， m。按式 （3） 计算压缩区半径 R1 pmB R  cd 1 α rb B 1 槡 2 ［ （1 b） 2 （1 b2）- 2μd（1- μd）（1- b） 2］ 1 2 b μd 1 - μd α 2 μd 1 - μ            d （3） 式中 pm为作用于孔壁的冲击波压力峰值， MPa； Rcd 为岩石动态抗压强度， MPa； rb为药室半径， m； b 为侧 向应力系数； α 为应力衰减指数。 不耦合装药时， 炸药爆炸后首先在炮孔内膨胀， 爆轰气体产物的膨胀过程一般按两阶段等熵绝热膨 胀考虑， 当 p≥pK时， 为等熵过程， pVK C； 当 p pK 时， 为绝热过程， pVγ C， 其中， pK200 MPa， K 3， γ 1. 3。 据此推出孔壁处爆轰气的膨胀压力为 p2 p0 p  k γ K Ve V  2 γ pK（4） 式中 Ve、V2分别是炸药的体积和炮孔的容积。 爆炸生成气体产物的初始平均压力为 ［4］ p0 1 2 （K 1） ρ0D2（5） 式中 ρ0为炸药密度， kg/ m 3； D 为炸药爆速， m/ s； K 为炸药的绝热等熵指数， 凝聚炸药时通常取 K 3。 由于 V2/ Ve （d/ de） 2 Kd2， 式 （4） 可以写成 p2 p0 p  K γ K K-2γ d pK（6） 当孔壁的处的膨胀压力 p2 ≥p K， 按一阶段膨胀 考虑， 孔壁压力为 p2 p0K-2K d （7） 式中 Kd为不耦合系数， Kd d de 。 研究表明， 爆轰产物膨胀碰撞炮孔孔壁时， 压力 增大， 作用于孔壁的压力峰值为 ［5］ pm np2（8） 式中 n 为压力增大系数， 一般取 n 8。 本次爆破实际为水介质不耦合装药， 孔径 220 mm， 药包直径 165 mm， 不耦合系数 Kd 1. 33。 为简化计算， 按空气不耦合装药考虑并忽略水压的 影响， 采用乳化炸药， 由式 （7） 、（8） 计算作用于孔壁 压力峰值为 3238 MPa。动态抗压强度一般为动态 抗拉强度的 10 倍， 再由式 （2） 、（3） 计算得到压缩区 半径 R10. 37 m， 裂隙区半径 R21. 62 m。 3 爆破过程数值模拟 3. 1 有限元模型的建立及参数设置 为了方便运算， 假设介质是连续、 均质、 无初始 应力、 各向同性的弹塑性材料， 由于爆破现场实际尺 寸较大， 为了缩短运算时间， 依据爆破裂隙区范围进 行建立模型， 药包半径为 8. 25 cm， 破裂区的范围一 般为药包半径的几十倍， 即可认为其产生的裂隙长 度可达到药包半径的几十倍 ［6-9］。为了能够更客观 地模拟无限介质爆破效果， 模型宽度取 165 cm， 建 立四分之一模型， 模型尺寸如图 1 所示。 选取的岩石力学参数如表 2 所示。 表 2 爆破模型岩石材料参数 Table 2 Rock material parameters of blasting model 岩石 岩石密度/ （gcm -3） 弹性模 量/ GPa 泊松 比 屈服强 度/ GPa 切线模 量/ GPa 抗压强 度/ MPa 砂岩2. 65400. 30. 10. 55100 爆破为水藕合密实装药方式， 爆轰产物采用 JWL 状态方程进行爆轰压力计算， 状态方程为 421爆 破 2014 年 9 月 图 1 计算模型剖面示意图 （单位 cm） Fig. 1 Cross-section of calculation model （unit cm） P A 1 - ω R1  V e-R1V B 1 - ω R2  V e-R2V ωE 0 V （9） 式中 P 为爆轰压力， MPa； E 为初始能量密度， J/ m3； V 为爆轰产物的相对比容； A、 B、 R1、 R2、 ω 为所选炸 药的性质常数。 选取的炸药材料及状态方程参数如表 3 所示。 表 3 炸药材料及状态方程参数 Table 3 Parameters of explosive material and equation of state 密度/ （g cm-3） 爆速/ （cm μs -1） 爆压/ GPa A/ GPa B/ GPa R1R2 ω E/ GPa 1.260.383.43 321.9 0.182 4.2 0.8 0.15 3.51 在 ANSYS 前处理中进行模型的网格划分， 模型单 元采用 Hex Sweep 网格划分， 网格划分如图2 所示。 图 2 网格划分图 Fig. 2 Mesh generation map 3. 2 模拟结果及分析 药包爆炸后裂隙发展动态效果如图 3 所示。 由裂隙效果图可以看出， 当 t 68. 81 μs 时， 岩石开始产生裂隙并随着爆破应力波的扩散， 裂 隙逐渐延长， 当时间达到 122. 56 μs 时， 岩石裂隙达 到最大， 此后裂隙不再扩展。可以认为此时是装药 量为 24 kg 爆破后能够产生的最大的破裂范围。裂 隙扩展局部放大效果如图 4 所示。 模拟结果表明此次水井爆破可以实现增加新裂隙 的目的， 裂隙长度延径向可以达到1.65 m 左右， 轴向致 裂范围可以达到1.1 m， 破碎空腔半径为0.25 m。 图 3 裂隙发展效果图 Fig. 3 Crack developing effect 4 工程应用 4. 1 药包制作 （1） 药包长度 采用圆柱形装药筒装药形式， 装药量为 24 kg， 为便于药包投放， 取装药直径 165 mm， 装药长度为 1. 2 m。 （2） 装药容器 选用密封的圆柱形钢管作为装药容器。对于长 圆柱薄壳金属容器， 在均匀外压作用下将会产生侧 压下的屈曲， 其屈服强度临界值为 521第 31 卷 第 3 期 张云鹏， 武 旭， 吴成双 深水井增加出水量爆破技术及应用 Qcr Eh 4 （1 - μ2） r3 （10） 式中 E 为弹性模量， 普通钢为 196 耀 216 GPa； H 为 装药筒壁厚， mm； μ 为泊松比， 普通钢为 0. 24 耀 0. 28； R 为装药筒半径， mm； 装药筒在 380 m 深的水 中所受压力为 3. 724 MPa， 计算得到装药筒安全壁 厚 4 mm。 图 4 局部裂隙放大图 Fig. 4 Enlarged drawing of part crack 4. 2 起爆网路 为了提高炸药起爆的可靠性， 设计采取在装药 末端并联 2 发电雷管组成起爆网路， 每次爆破一个 装药筒。 4. 3 防水措施 装药筒下端电焊密封， 装药后上口用法兰密封。 紧固时密封垫圈采用紫铜， 在高压水下不易变形漏 水； 从法兰盖中部引出起爆线， 便于在装药后安装电 雷管和接线， 由于电线的外表为橡塑材料， 只能用胶 结密封， 为防止胶结过短而被高压水击穿， 先把电线 胶结在长度 5 cm 的中空螺杆中， 再将螺杆用螺帽固 定。密封容器在装药前先在井底放置一小时， 检验 其抗高压和防水性能。 4. 4 药包定位 确定准确的富水区位置， 采用无弹性的钢丝绳， 根据钢丝绳的下放长度标记定位。在投放过程中， 装药筒会产生旋转， 用于起爆的电线极易缠绕在钢 丝绳上， 可每隔一定长度将电线和钢丝绳固定在一 起， 防止出现缠绕现象。在装药筒下安装沉重物， 重 量大于装药筒的浮力。 装药筒装药密封后， 由多人进行投放。下放过 程中防止电线承受载重， 同时避免电线与井壁发生 摩擦。通过钢丝绳将装药筒下放至预定位置。检查 无误后人员撤离到安全距离以外， 实施爆破。 4. 5 爆破效果 爆破后对深水井进行了清渣和抽水测试， 结果 表明， 出 水 量 由 爆 破 前 的 28 t/ h 增 至 要 求 的 110 t/ h， 出水量增加了 2. 9 倍， 爆破效果到达设计 要求。 5 结论 本次爆破达到了扩展裂隙增加出水量的目的。 文中给出的药量及裂隙范围计算方法可以作为深井 增加出水量爆破的依据， 数值模拟方法较为准确地 模拟出新增裂隙长度和破裂范围。本次研究的工程 实例可作为深井增加出水量爆破工程类比参考。 参考文献 （References） ［1］ 张少光， 徐建华， 张 波. 水井出水增量爆破技术研究 与实践 ［J］ . 爆破， 2011， 28 （1） 95-97. ［1］ ZHANG Shao-guang， XU Jian-hua， ZHAGN Bo. 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