长江航道水下炸礁工程炸药单耗优化研究.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T I N 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 2 5 长江航道水下炸礁工程炸药单耗优化研究 梁 禹1 ，吴立2 ，左清军2 1 ．中南大学土木工程学院，长沙4 1 0 0 0 0 ；2 ．中国地质大学工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要结合长江莱航道水下炸礁工程，根据瑞典经验公式，初步确定该工程的炸药单耗值；之后通过现场 正交爆破试验，确定了炸药单耗的合理取值为1 ．2k g ／m 3 ，并运用A N S Y S ／L S - - D Y N A 软件对正交试验的结果 进行了数值模拟，模拟结果与现场试验较为吻合。验证了取值的可靠性与合理性。 关键词水下爆破；炸药单耗；正交试验；数值模拟 中图分类号0 3 8 3 ’．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 9 5 0 4 O p t i m i z i n gR e s e a r c ho nE x p l o s i v eS p e c i f i cC h a r g eo fU n d e r w a t e r R e e fB l a s t i n gE n g i n e e r i n gi nY a n g t z eW a t e r w a y L I A N GY u l ，W UL i 2 ，Z U O 口孰酽加霸2 1 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．F a c u l t yo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e dO i lap r o j e c to fu n d e r w a t e rr e e fb l a s t i n ge n g i n e e r i n g ，t h ee x p l o s i v es p e c i f i cc I 唧W qi n i t i a l l y d e t e r m i n e df o rt h i sp r o j e c t ，∞c 0 柑i n gt os o m ee m p i r i c a lf o r m u l a ．A n dt h e nt h r o u g hf i e l do r t h n g o n a lt e s t ．t h eI W ．R S O I l l R - h i ev a l u e 1 ．2k g ／m 3 W a So b t a i n e d ，w h i c hW B ．Se o m p a r e dw i t ht h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yA N S Y S ／L s D Y N A o f t w a r e ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h ev a l v eg i Y 口b yf i e l do r t h o g o n a lt e s tw ∞r e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e ． K e yw o r d s u n d e r w a t e rb l a s t i n g ；e x p l o s i v es p e c i f i cc h a r g e ；o r t h o g o n a lt e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 工程概况 长江某航道位于长江下游，平面形态为鹅头型 分汉水道，其东港中段有一大型礁石耸立江中。长 期以来，经常发生过往船只触礁事故。因此，需要实 施水下钻孔爆破炸除暗礁，按两级平台炸除江矶矶 头，切除江矶外侧礁石，同时不得妨碍该航道正常的 水上交通及不对两岸民房和防洪措施产生破坏⋯。 工程炸礁深度分别为黄海高程一4m 和一5m 即航 收稿日期2 0 1 1 1 2 一1 6 作者简介梁禹 1 9 8 6 一 ，男，汉族，湖南长沙人。博士研究生，从 事地质工程与爆破相关方向的研究。 E - m a i l l y c u g y a h o o ．C O I n ．C 1 1 。 通讯作者吴立 1 9 6 3 一 ，男，汉族，湖南株洲人，教授／博导，主要 从事凿岩爆破和地下上程等方面的教学和科研工作， E m a i l 1 w u c u g ．e d u ．C l l o 行基面以下6 ．0 3m 和7 ．0 3m 。 该河段的河床除东港大部分右岸基岩裸露外。 其余部分都被中细砂和砾石组成的河流冲积物所覆 盖。岩性主要为石灰岩，该岩石为细晶结构，块状构 造，致密坚硬，裂隙较发育，多为方解石脉填充。岩 溶发育，层面埋深相差较大。钻探岩心中出现大量 竖向岩溶裂隙及小型溶槽、溶沟，仅局部上部存在粘 土及粘土夹碎石层。场区岩溶虽较发育，但规模较 小，对场区稳定性没有影响。岩石坚硬程度为较硬 岩，岩石坚固性系数为1 2 ，根据工程岩体分级标 准 G B 5 0 2 1 8 - - - 9 4 ，基本质量等级为Ⅲ级。 2 炸药单耗值的初步确定 目前普遍使用的计算炸药单耗的公式，主要是 基于大量工程实践，且尚不能普遍运用在各种工况 万方数据 爆破2 0 1 2 年6 月 下的经验半经验计算公式。如瑞典经验公式，日本 炸药协会所给公式、我国水利系统常用的计算公式 等心] ，均是如此。因此在工程实际设计过程中，根 据经验公式所得的炸药单耗值，只能作为初步的设 计值以供参考。瑞典经验公式如下式所示 q q 1 q 2 q 3 q 4 1 式中q 。为基本装药量，本工程取1 ．0k s ／m 3 ；q 为爆 区上方水压增量，q 0 ．0 1 h ，h 为水深，m ；q 3 为爆 区上方覆盖层增量，q ， 0 ．0 2 h ，，h ，为覆盖层 淤泥 或土、砂 厚度，m ；q 。为岩石膨胀增量，q 。 0 ．0 3 h ， h 为岩石梯段高度，m 。 根据瑞典经验公式，设定水深h 6 ．5 3m ；覆 盖层厚度h ， 0m ；梯段高度h 5 ．3 一1 0 ．8m 。经 计算，则本工程q 1 ．2 2 ～1 ．3 9k s ／m 3 。 根据水运工程爆破技术规范J ，r s2 0 4 - - 2 0 0 8 } 中 所列数据‘3 ，工程岩体岩性属于中等坚硬岩石到坚硬 岩石之间，因此炸药单耗取值应在2 ．0 9 2 ．4 7k s ／m 3 之间。 根据本工程之前进行的爆破情况看，实际炸药 单耗值通常在1 ．0 一1 ．5k s ／m 3 之间，跟瑞典经验公 式的取值相近，而从规范中查得的参考值过大过 保守，在实际运用中往往造成经济上的浪费。 3 正交试验 在对炸药单耗优化的诸多方法中，现场试验是 重要也是必须的检验方法与测试手段。现场试验方 法能够通过对爆破效果的观察如爆破后是否留有 余埂，块石破碎度是否达到要求、爆破后的浅点是否 规则等，提供爆破效果优劣最直接的信息。水下钻 孔爆破炸药单耗、孔距与排距、超深深度和堵塞长度 等4 个参数是相互影响的，为了验证单项参数的合 理性，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往 因试验条件的限制而难于实施，所以采用正交试验 的方法，验证在6m 水深、石灰岩环境下水下钻孔爆 破的最优设计参数，从而得出在此条件下的最佳炸 药单耗优化值。 3 ．1 试验设计 本试验的试验因素为炸药单耗、孔距与排距、超钻 深度和堵塞长度，分别记为A 、B 、C 和J D ，进行4 因素正 交试验，各因素均取3 个水平，因素水平表见表1 。 表1 因素水平表 T a b l elL e v e lo fF a c t o r 试验有4 个3 水、F 吲素，不考虑冈素问的交互作 用，故宜选用k 3 4 正交表，本实验不考虑交互作用， n T 将炸药单耗 A 、孔距与排距 剐、超钻深度 c 和堵 塞长度 D 依次安排在L 3 4 的第1 、2 、3 一列上。 3 ．2 试验步骤 1 钻爆船定f 扛及钻孔 水下钻孔是通过水上钻爆船配以套管穿过水层 对岩石进行钻孔，船与平台必须依靠钢缆和桩定位。 试验定位后的钻爆船见图1 。钻孑L 采用“一管一钻” 法，即钻孔前先下套管，再从套管中下钻具进行钻 孔。钻孔为避免泥砂及石渣淤孑L ，钻孔过程中边提 升钻杆边送风吹渣进行反复洗孔，以便钻孔中的碎 渣排出孔外。钻孔至设计深度即提升钻具，然后进 行炮孔检查及装药作业。实验采用的套管见图2 。 图1 定位后的钻爆船 F i g ．1 D r i l lb l a s t i n gs h i p a f t e rl o c a t i n g 图2 钻孔所采用的套管 F i g ．2C a s i n gp i p eu s e di nd r i l l i n gh o l e 2 装药及堵塞 为防止泥沙和石渣淤孔，钻孑L 完成后应立即装 药。装药结构示意图如图3 所示。 万方数据 第2 9 卷第2 期梁禹，吴立，左清军长江航道水下炸礁工程炸药单耗优化研究 图3 装药结构示意图 F i g ．3 D i a g r a mo fc h a r g i n gs t r u c t u r e 3 联线及起爆 当一排孔施工作业结束后，对本排施工的所有 的孔进行串联，当排数达到设计排数时，联接主线准 备起爆。将船移动至安全距离范围以外，并向施工 区域上下游派出警戒船，按规定发出信号，确认安全 后起爆。 4 验证水下爆破效果 由于试验指标是定性指标，所以将试验结果确 定为5 个等级很差、较差、好、较好、很好，分别用数 字1 、2 、3 、4 、5 表示。本试验的试验方案及试验结果 见表2 。 表2 试验方案及试验结果 T a b I e 2T e s ts c h e m ea n dt e s tr e s u l t s 5 试验结果分析 分析A 因素各水平对试验指标的影响。由表3 可以看出，A 1 的影响反映在第l 、2 、3 号试验中，A 2 的影响反映在第4 、5 、6 号试验中，A 3 的影响反映在 第7 、8 、9 号试验中。 A 因素的1 水平所对应的试验指标之和为 心1 r 】 r 2 r 3 3 4 1 8 ，k l K A I ／3 2 ．6 7 ； A 因素的2 水平所对应的试验指标之和为 K 脏 r 4 r s r 6 5 2 3 1 0 ，k 2 K s ／3 3 ．3 3 ； A 因素的3 水平所对应的试验指标之和为 K 3 r 7 r 8 r 9 2 l 2 5 ，k 3 K 3 ／3 1 ．6 7 。 根据正交设计的特性，对A l 、A 2 、A 3 来说，3 组 试验的试验条件是完全一样的 综合可比性 ，可进 行直接比较。如果因素A 对试验指标无影响时，那 么k 。k 肥、k 应该相等，但由上面的计算可见，k 。。、 k 小k 。，实际上不相等。说明，A 因素的水平变动对 试验结果有影响。因此，根据k 。k 小k ∞的大小可 以判断A1 、A 2 、A 3 对试验指标的影响大小。由于试 验指标为水下钻孔爆破的效果，而k 。 k ∞ k 。所 以可断定以2 为A 因素的优水平。 同理，可以计算并确定B 1 、C 2 、D 2 分别为B 、c 、 D 因素的优水平。4 个因素的优水平组合 A 2 8 1 C 2 D 2 为本试验的最优水平组合，即在石灰岩 条件下水深为7m 时的水下钻孔爆破的最优爆破参 数为孔距与排距为2 0 0c m 1 5 0c m ，超钻深度为 1 6 0c m ，堵塞长度为1 4 0c m ，炸药单耗1 ．2k g ／m 3 。 4 数值模拟试验 由于A N S Y SL S D Y N A 软件对于模拟动态爆 炸过程有一定的优势，因此将此软件作为数值模拟 分析的主要工具‘4o 。数值模型尺寸如下图4 所示 在本组模型里，我们保持孔径、孔深、孔距、排距、超 深值等设计参数不变，在不同岩石条件下，分别建立 1 1 个模型。通过改变炸药的堵塞值，即改变炸药的 装药长度，来达到调整炸药单耗的目的。 1 1 种模型的模型参数见表3 。 表3 模型参数表 T a b l e3M o d e lp a r a m e t e r s 以表3 中的设计参数写入A N S Y S 模型中，以模 型3 为例 钻孔堵塞长度为1 0 0c m ，图5 显示的是 万方数据 爆破 2 0 1 2 年6 月 模型3 在t 2 5 9 8p ．s 内爆炸压应力场的发生过程。 依据模型坐标，在Y 0 ，z 3 0 0 处依次选取4 个 单元点 N o d e A 1 0 0 ，0 ，3 0 0 、B 2 0 0 ，0 ，3 0 0 、 c 3 0 0 ，0 ，3 0 0 、D 4 0 0 ，0 ，3 0 0 ，围绕这4 点选取4 个 单元 E l e m e n t ，在A N S Y S ／I S D Y N A 后处理软件中 绘出 p l o t 这4 点随时间变化的过程曲线J 。 移／ 弓 引 臂 I 0 ／ - ●， ‘- ／7 ／．一 ．’ j ／ o o 弓 n ‘k／司 薯，／ ，，’ ／ ．『 ，。 ，一t ‘ ／ ．’ ’力 墨． ／ a 1 2 5 0 0 图4 模型尺寸图 单位m F i g ．4 D i a g r a mo fm o d e ls i z e u n i t m 蒌00|2778 2 1 9 压征 盘髻i 孙。。／|／| _ “- o．d d I ，L ～，l r “Ⅲk ’e l - 。15 ，2 a ，e 。。 ，31- m ～， | 1 91 5 5 e - 0 4 一 图5 爆破压应力场模拟图 F i g ．5 S i m u l a t i o no fb l a s t i n gp r e s s u r es t r e s sf i e l d 以上4 点单元压力随时间变化曲线见图6 。 图6 模型单元压力时程曲线 F i g ．6 S c h e d u l ec u r v eo fe l e m e n tp r e s s u r e 通过分析计算，模型1 ～模型1 1 的炸药单耗与 模型对应的最大压应力值见表4 。 表4 模型1 一l l 的炸药单耗值和压应力峰值 T a b l e4E x p l o s i v es p e c i f i cc h a r g ea n dp e a k p r e s s u r es t r e s so fm o d e I1 ～l l 堡型壁曼堕墨丝壁 竺监垫皇錾 虹里2 巫堕垄 些 l 3 5 00 ．3 93 4 6 ．9 8 2 23 0 0O ．4 83 7 8 ．7 3 1 3 2 5 00 ．5 74 0 6 ．3 5 8 4 2 0 0O ．6 8 4 2 6 ．8 4 7 51 8 00 ．8 04 4 2 ．5 9 5 61 6 0 O ．9 14 5 9 ．5 1 6 7 1 4 01 ．0 34 5 6 ．6 8 4 81 2 0 1 ．1 7 4 6 9 ．2 8 2 91 0 01 ．3 04 6 4 ．9 1 5 1 0 5 01 ．5 44 5 6 ．3 3 9 1 l 01 ．8 84 5 6 ．0 2 9 模型l 一模型1 1 的炸药单耗与模型对应的最 大压应力值见图7 。 由图7 可以看出，模型上各点的压应力峰值开 始时随着炸药单耗值的增加而逐渐增加，当炸药单 耗值在1 ．1 7k g ／m 3 左右时，各点压应力峰值达到最 大值，当单耗值继续增加时，各点压应力峰值逐渐趋 于稳定，不再增加。 5 结语 1 运用现场正交试验试验方法确定的在特定 工况下的炸药单耗优化值，与运用数值软件模拟所 得优化值基本符合，证明了现场正交试验的合理性 与可靠性。 2 炸药单耗值的选取跟岩性、水层深度、破碎 块度的要求等外部条件有着较密切的联系，通过现 场试验所得出的值，是综合了所有外部条件与自身 其他设计参数的前提下得出的炸药单耗的优化值， 而规范里给出的炸药单耗值，考虑的因素较少， 得出的值往往是偏安全与保守的，是适应于大多数 工程的综合值，并未从经济角度进行过多的考虑，而 瑞典经验公式考虑的外部因素较多，因而有着较广 泛的适用性。 3 水下爆破是一门试验性很强的科学，在实 际操作工程中，爆破效果的优劣受到诸多外界条件 与自身技术水平的约束，且进行试验时的操作具有 相当大的随意性，设计的试验参数没有代表性。因 此，很有必要对不同工况下水下爆破炸药单耗的优 化试验的各项操作规程进行规范，这样才能为后续 的相关科学研究提供有参考价值的数据，才能真正 做到指导后续施工、提高爆破效率的目的。 下转第1 0 6 页 co。回一、￡3bq￡～ 万方数据 爆破2 0 1 2 年6 月 5 为保护耐火砖不受破坏，药包至耐火砖的 距离必须控制在1 0C l l r l 以上。 6 由于高温作业区杂散电流异常丰富，且炉 体周围处于高温状态，不允许进行组网起爆，所以选 择非电起爆系统，用激发针直接起爆导爆管，能满足 高温环境下快速施工的要求悼，。 7 爆破工作顺序 一般的爆破摹本顺序为“布孔一钻孔一装药一 堵塞一连线一警戒一起爆一爆后检查一解除警 戒”HJ 。而在高温凝结物爆破中由于爆破器材的不 稳定的特性，从炮孔开始装药起就存在着潜在的危 险性，将装入P V C 管内并做好隔热措施的药包按要 求提前连接好网路，然后再放入高温孔内，这样就可 以缩短作业时间，所以将工序改为“布孔一钻孔一 警戒一装药一堵塞一连线一起爆一爆后检查一解除 警戒”，具体要求是每次爆破孔不超过3 个，在装药 前将炸药按每孔装药量进行分配，采用导爆索连接 网路，然后进行警戒，开始装药、堵塞、撤离、起爆。 在此工序中节省了装完药后连线、警戒的时间，从开 始装药到其爆破时间要求在1 ．5r a i n 内完成。 在经历5d 后，将冶炼炉上部的高温凝结物爆 破清除。由于底部的铁合金层散热面积增大，加之 每天晚上浇水，温度已经降至1 0 0 ℃左右，放入隔热 的P V C 管，6 08 后测量温度在3 8 ℃左右，可直接用 P V C 管装药爆破。在此类型的爆破中，每次我们通 过此方式。完全能达到安全拆除的目的，同时底部碳 砖及炉壳都不损伤，达到了预期的爆破效果。 4 结语 通过数次高温凝结物的爆破拆除施工，得出以 下经验 1 对高温凝结物进行爆破前，必须测量出炉 膛中炮孔内温度随时间的变化规律。 2 所采用的药包降温措施必须保证炮孔装药 后到起爆的时间段内药包温度控制在6 0 ℃以内，以 保证爆破作业安全顺利实施。 3 采取各种隔热及降温措施，可以大大缩短 高温凝结物爆破施工工期。 参考文献IR e f e r e n c e s [ 1 ] 狂旭光．爆破安全规程[ M ] ．北京中国标准出版社， 2 0 0 4 ． [ 1 ] W A N GX u g l i b ．S I f f e t yr l 瑁u ] t l l J o n sf o r 峨[ M ] ．1 l e i - 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