软岩巷道掘进中光面爆破参数的初步探讨.pdf

第 2 7卷第 2期 安徽理工大学学报 自然科学版 2 0 0 7年 6月 J o u r n a l o f A n h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e VoI ． 27 No． 2 J u n ． 2 0 0 7 软岩巷道掘进中光面爆破参数的初步探讨 徐颖， 孙 勇， 傅菊根 安 徽理工大学土木工程系 ， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘 要 为提 高软 岩巷道掘进效率和光爆效果， 利用爆 轰动力学和断裂力学理论 ， 分析 了软岩 巷 道掏 槽及 光爆 参数 ， 结 合 工程 实践经 验 ， 得 出 了软 岩巷 道 光 面爆 破参 数 的取 值 范 围， 对 软 岩 巷道爆破参数的设计和施工具有一定的指导意义。 关键 词 软岩巷道； 光面爆破； 参数选取； 不耦合系数 中图分类号 TD2 6 3 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 0 9 8 2 0 0 7 0 2 0 0 1 4 0 3 Pr e l i mi na r y S t u dy o n Pa r a me t e r s o f Tu nn e l Exc a v a t i o n S mo o t h Bl a s t i n g i n S o f t Ro c k XU Yi n g， S UN Yo n g， FU J u g e n De p t ．o f Ci v i l En g i n e e r i n g．An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Hu a i n a n An h u i Ch i n a 2 3 2 0 0 1 Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e Th e o r y o f d e t o n a t i o n d y n a mi c s a n d f r a c t u r e me c h a n i c s a n d c o mb i n e d wi t h e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s ，t h e p a r a me t e r s o f s o f t r o c k t u n n e l h o l e c h a r g e a n d s mo o t h b l a s t i n g a r e a n a l y s i z e d t O e n h a n c e t u n n e l e x c a v a t i o n p r o f i c i e n c y i n s o f t r o c k a n d s mo o t h b l a s t i n g ．v a l u e s c o p e o f s mo o t h b l a s t i n g i s a c q u i r e d，wh i c h c a n g i v e s o me e x p e r i e n c e f o r p a r a me t e r s d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f s mo o t h b l a s t i n g i n s o f t r o c k t u n n e l e x c a v a t i o n ． Ke y wor d s s o f t r o c k t u n n e l ；s mo o t h b l a s t i n g；p a r a me t e r c h o o s e ；d e c o u p l e c o e f f i c i e n t 光面爆破是按照巷道断面的设计轮廓线合理 布置周边眼、 采用合理的装药结构、 选用适量的炸 药而进行的一种控制爆破， 在爆破之后 ， 其巷道断 面既要符合设计轮廓要求 ， 又要使 围岩不产生裂 缝 ， 从而保持围岩的完整性和 自身承载能力[ 1 ] 。光 面爆破能使巷道围岩不产生炮震裂缝 ， 保护了围 岩 的完整性 ， 增强了围岩 的稳定与 自承能力 ， 达 到 了安全可靠的 目的 ； 使巷道成形规整 ， 尺寸达 到设计要求 ， 减少掘进过程 中的超挖量 ， 减少岩 石装运量 ， 加快了施工进度 ； 降低了通风阻力 ， 减 少瓦斯聚集 ， 便于运输和行人。 光面爆破还能节省 大量材料 ， 降低 了支护费用和在服务年限 内的巷 道维修费用 。 所以 ， 它是软岩巷道施工 中一种理想 的爆破技术 。 虽然经过许多爆破科研工作者的长期努力， 无 论在光爆机理、 光爆参数、 和光爆炸药等方面都取得 了许多引人注 目的可喜成绩。但是， 到 目前为止， 还 有一些问题认识不尽一致和没有得到令人满意的结 果， 还需要在今后的实践和研究中去完善 、 提高。 1 光面爆破的技术指标 要达到理想的光爆效果 ， 必须控制好软岩巷道 周边的光爆炮眼 ， 即不把围岩壁上的岩石炸碎 ， 不 产生明显的爆震裂缝 ， 又要把周边炮眼连线整齐地 收稿 日期 2 O O 7 0 5 1 8 基金项 目 新世纪优秀人才支持计 划资助项 目 NC E T为O 5为0 5 5 9 ； 安徽省 自然科学基金资助项 目 0 7 0 4 1 4 1 6 7 ； 安徽省教育厅 自然科 学 基金 资助项 g l k j 2 0 0 7 A0 6 0 作 者简介 徐颖 【 1 9 6 5 一 ． 男。 安徽泗县人， 教授 ． 博士生导师， 博士 。 从事爆破工程及矿 山建设方面的教学和科研工作 1 4 维普资讯 第 2 期 徐颖 ， 等 软岩 巷道掘进 中光面爆破参数 的初步探 讨 截断下来， 使围岩壁面规整 ， 符合设计的轮廓要求 ， 不能产生较大的凸起或凹入 。 软岩巷道掘进光面爆 破 应达 到 下述 要 求 减 少爆 震裂 隙 ； 要 在周 边 眼之 间及时形成贯穿缝， 以截断岩石 ； 要使裂隙不向围 岩中发展。 其技术指标为 眼痕率达到 7 0 ， 接茬 率达到 5 0 以上； 超挖尺寸不大于 1 5 0 mm， 欠挖 尺寸不大于5 0 mm， 主要运输巷和机 电硐室不大于 设计值的2 0 mm， 其它巷道和硐室的尺寸不大于设 计值的 5 0 mm； 岩面上不应有明显的炮震裂缝。 2 软岩巷道光面爆破参数计算 2 ． 1 周边眼装药不偶合系数的确定 目前较为成功的光面爆破装药结构理论是不 偶合装药理论L 2 ] ， 包括径向间隙不偶合和轴向长度 不偶合装药 ， 而后者又通常称为软垫层装药结构 ， 不偶合介质多为空气或水等。炮孔装药爆轰后， 高 温高压的爆生气体迅速膨胀 ， 首先压缩软垫层， 在 软垫层中激起冲击波并沿炮孔轴向传播 。 软垫层轴 向压缩的同时 ， 必将产生侧 向扩张 ， 对孔壁产生径 向扩张压力。 由于软垫层介质的波阻抗值相对岩石 要小， 因此爆炸冲击波在软垫层中得到 了缓冲 ， 压 力降低， 从而消除或 减少 _广 孔壁岩 石的压缩性破 碎 ； 再者软垫层的存在延长了爆生气体在炮孔中的 膨胀时间 ， 即延长了爆 生气体准静 压力的作用 时 间， 为炮孔 间贯通 裂缝的充分形成 创造 了有 利条 件 。而对于下部软垫层装药结构而言 ， 轴向冲击波 在孔底岩石界面的反射和透射又增大了孔底压力， 从而增强了孔底岩石的破坏 ， 提高了爆破效率。分 析表明， 采用软垫层装药结构能够获得较好的光面 爆破效果 ， 是一种较为理想的光爆装药形式 ， 这也 已为实践所证 明。 为了获得较为理想的光面爆破效 果， 在确定软垫层装药结构参数时就必须从以下几 个方面进行综合考虑L 3 ] 。 1 保 证孔 壁岩 石不发 生 压缩性 破 坏 ， 要 求作 用于孔壁岩石上的初始压应力低于岩石 的抗压强 度。满足该条件的轴向不偶合系数为 KL “ 1 2 保证炮孔连心线方向上孔壁起裂 ， 要求作 用孔壁岩石上的初始拉应力大于岩石的抗拉强度。 满足该条件的轴向不偶合系数为 K 1 ， 2 3 保证形成孔间贯通裂缝 ， 要求炮孔 内爆生 气体准静压力有足够长的作用时间。 满足该条件的 轴 向不偶合系数为 ． ． K 2 忐 笼 】 】肌 ㈦ 式 1 ～3 中 尸。 为爆生气体的初 始平均压力‘ ； y为 绝热指数 ， 计算时取 1 ． 3 ； 屉为等熵指数 ， 计算时取 3 ； 尸 为临界压力 ； 为压力增大系数。 计算时可取 卢 一8 ～1 0 ； 为侧压系数 ， 可近似取 ／ 1 一 ； 为岩石的泊松比； K 为拉应力增大系数 ； 为径 向不偶合系数 ， K d ／ d d 、 d 分别 为炮 眼直径 和装药直径 ； R 为动态多 向加载时岩 石的抗 压强 度 ， 一般可取单轴静态抗压强度的1 0倍 ； R ， 为岩石 的单轴抗拉强度； L为炮孔间距 。 2 ． 2 掏槽眼装药集中度计算 由于井巷掘进 时岩石夹制作用和单 自由面破 岩规律 ， 为有效破岩和抛渣 ， 以形成漏斗空间， 其装 药集中度要 比其他炮眼大些 ， 计算公式如下 q 一 2 d f “ 4 式中 q为装药集中度 ； 为炮眼直径 ； 为岩石波 阻抗 。 2 ． 3 周边眼间距 根据炮眼孔 内爆轰气体均匀分布 的静压作用 及爆轰气体的气楔作用使裂隙扩展贯通 ， 形成巷道 轮廓的原理 ， 计算其眼距。 E ≤ 2 k 1 ， 0 2 盯 匪／ 盯 拉 1 5 式中 E为眼距 ； 为光爆眼轴心上破坏 作用半径 增大的倍数 ， 一般取 屉 一2 ～3 ， 其值随岩 石硬度的 增大而增大 ； r 0 为炮眼半径 ； a ／ a t ,2 为岩石的压拉 比， 一般取 1 0 ～2 0 。 2 ． 4 周边眼装药集中度 光面爆破要求爆轰能量既要崩落光爆层岩体 ， 又要使相邻两周边眼间形成贯穿裂隙 ， 不使围岩受 到破坏 ， 这种装药要求的集中度为 g一 7 2 ． 5 r o E 。 厂 “ 。 ／ J [ 6 式中 g为装药集中度 ； 厂为岩石的坚固性 因数 ； D 为炸药爆轰速 度。 根据式 1 ～6 ， 结合常规工程爆破实践 ， 软岩 巷道光面爆破掏槽眼参数选取如表 1 所示 。 1 5 维普资讯 安徽理工大学学报 自然科学版 第2 7 卷 表 1 软岩巷道光面爆破掏槽眼及周边 眼布置参数 2 ． 5 光爆层厚度 两炮眼之 间发生欠挖与超挖主要决定因素是 光爆层的厚度[ 卜 。即最小抵抗线 t 与光爆炮眼 间距a间要有一个合理的比例。 这个比例值称为光 爆炮眼的密集系数 ， ” ， 其值为 一n ／ t 。 如果 值较小时 ， 就会在两眼之间形成超挖 见图 1 ； 如果 值较大时 ， 就会在两眼之间留下 岩石残根形成欠挖 见图2 。 只有当 一0 ． 8 ～1 时， 才能够获得较好的光爆效果 。 卜 ． “ ．．1 图 1 超挖 图 m1 ． 5 形成超挖和欠挖原因， 以岩石破碎机理分析认 为， 当眼距较小或抵抗线较大时 ， 爆炸对 自由面的 影响不大 ， 炮眼附近产生的裂缝有一些向围岩内发 展 ， 较迟到的反射冲击波， 就将这一块岩石一同拉 断形成一个相连的漏斗形 ， 因而产生了超挖 ； 当眼 距较大或抵抗线较小时 ， 在贯穿裂缝形成之前就 已产生了爆破漏斗 ， 爆生气体逸出， 没有力量将两 炮眼之间的岩石炸掉， 因而产生了欠挖 。只有 当 1 6 0 ． 8 ～1时， 才能使贯穿裂缝 的形成超前于反射 冲击波而领先到达， 因为此时反射冲击波已被产生 的贯穿裂缝所隔断， 不能再 向围岩内发展 ， 较好的 保护了围岩的稳定性 。 在外圆周边上眼间弦距一般选择 3 0 0 4 0 0 mm。 软岩石或节理发育时取较小值， 反之取较大值在第 二圆周边上眼间弦距选择是否合理 ， 决定了预 留光 爆层的好坏 ， 它直接影响到光爆 的效果 ， 在正常条 件下取 5 O 0 ～6 0 0 mm。当距离偏小时， 由于爆轰波 的作用 ， 将会破坏预留层； 而当距离偏大时， 将在第 二圆周上两眼之 间出现欠挖 ， 增大了预留光爆层 ， 使周边眼爆破困难。 所以第一或第二圆周边 上眼间 弦距选择是否合理均会影响光爆的效果。 2 ． 6 周边眼合理起爆时差的确定 两个周边眼之间形成贯穿裂缝 ， 是光面爆破技 术中最关键的问题L 6 ] ， 因为贯穿裂缝就是巷道轮廓 线的一部分 ， 它的整齐光滑或凹凸决定了巷道 的成 形。贯穿裂缝是由于爆炸后的气体压力产生的静应 力场的相互叠加而形成的裂缝。因此要求在装药结 构上应使爆生气体在炮孔全长上有均匀的作用力。 在没有小直径药卷的情况下 ， 只在炮眼 口处塞紧炮 泥， 让爆生气体有一段膨胀空间， 以使炮眼在其全长 范围内的作用力达到均衡。 要产生光滑的贯穿裂缝 ， 还存在光爆眼是否能达到同时起爆的问题。经实际 操作证明， 起爆时差小于1 0 ms的光爆效果最好。 采 用精度高、 起爆的时差较小的毫秒雷管， 用在岩巷施 工中的光面爆破时， 能获得较好的光爆效果。 3 结语 光面爆破效果的好坏 ， 在很大程度上不仅取决 于其爆破参数的选择是否合理 ； 还取决于严格按综 合确定的爆破参数进行打眼、 装药 、 放炮等施工工 作， 实践证明 再好 的参数选择 ， 如果 炮眼打得不 准、 正、 平、 齐或装药量过多或过 少， 均达不到预期 的爆破效果 ； 此外 ， 软岩巷道光面爆破效果还必须 采用 良好的装药结构及起爆 间隔时间。 下 转 第 4 8页 维普资讯 安徽理工大学学报 自然科学版 第 2 7卷 曲 线， 获得其 固液相变过程的活化能在 1 9 9 - - 2 2 6 k J ／ mo l 范围内， 反应级数为1 左右 。以上所获动力 学结果有待于其它动力学方法进一步验证。 参考文献 [ 1 ] S AR I A．Th e r ma l R e l i a b i l i t y T e s t o f S o me F a t t y Ac i d s a s P CM s Us e d f o r S o l a r Th e r ma l La t e n t He a t S t o r a g e a p p l i c a t i o n s[ J ] ．E n e r g y C o n v e r s i o n a n d M a na ge me n t， 20 03， 44 2 27 7 2 2 87 ． [ 2 ] HOK OI S ， KUR OK I T． Us e o f p h a s e c h a n g e ma t e r i a l t O c o n t r o l i n d o o r t h e r m a l e n v i r o n m e n t [ C ] ／ ／ P r o c ． o f 7 t h I n t e r ．Co n f ．On Th e r ma l En e r g y S t o r a g e ，J u n e ， 1 9 9 7 ， S a p p o r o． J a p a n。 3 3 7 3 4 2 ． [ 3 ] S HI M H． MC C UI L OUGH E A． J ON E S B W． Us i n g p h a s e c h a n g e ma t e r i a l s i n c l o t h i n g I- J ] ．T e x t i l e R e s e a r c h J o u r n a 1 ．2 0 0 1 ． 1 7 1 6 4 9 5 5 0 2 ． [ 4 ] 张丽萍． 刘静伟． 相变材料在纺织服装中的应用[ J ] ． 上海纺织科技 ． 2 0 0 2 ， 1 0 5 4 7 4 8 ． 上接第 1 6页 参考文献 [ 1 ] [ 2 3 [ 3 3 张宏亮． 光面爆破炮眼的设计[ J ] ． 科技情报开发与经 济 ． 2 0 0 4 ． 1 4 7 3 0 1 3 0 2 ． 徐颖． 宗琦． 地下工程爆破理论及应用[ M] ． 徐州 中 国矿业大学出版社 ． 2 0 0 1 ． 赵颜辉 ， 傅菊 根． 不 同装 药条件 下爆炸能量 的理论计 算[ J ] ． 安徽理工大学学报 自然科学版 ． 2 0 0 4 ， 2 4 3 3 7 3 9 ． 上接第 2 O页 参考文献 [ 1 3 [ 2 ] [ 3 ] 4 8 王文辉． 牛天生． 孟琦． 对目前公路小桥涵设计的体会 [ J ] ． 黑 龙江交通科技 ． 1 9 9 7 3 3 6 3 7 ． 张洪亮． 路桥过渡段测路动力学分析及容许差异沉降 研究[ D] ． 西安 长安大学， 2 0 0 3 ． I n t e r n a t i o n a l Or g a n i z a t i o n f o r S t a n d a r d i z a t i o n ． I S O 2 6 3 1 1 1 9 9 7 ．Me c h a n i c a l v i b r a t i o n a n d s h o c k E v a l u a t i o n o f h u ma n e x p o s u r e t O wh o l e - b o d y v i b r a ． t i o n P a r d[ S ] ． G e n e r a l r e q u e r e me n t s ， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 马芳梅， 金六一． 储能建材性质的改善及相变温度的 优化口] ． 华中理工大学学报 ． 1 9 9 7 ． 2 5 3 8 2 --8 5 ． [ 6 3 HAS NA I N S M． R e v i e w o n S u s t a i n a b l e T h e r ma l E n e r g y S t o r a g e Te c h n o l o g i e s ， P a r t I He a t S t o r a g e Ma t e r i a l s a n d T e c h n i q u e s[ J ] ．E n e r g y C o n v e r s ， 1 9 9 8， 3 9 儿 1 1 2 7 1 1 3 8 ． [ 7 3 张寅平． 胡汉东， 孔祥冬．相变贮能理论和利用 [ M] ． 合肥 中国科大出版社， 1 9 9 6 3 4 2 3 4 6 ． [ 8 3 NI L OL I C R， MA RI N OV I C M， GAD Z URI C S ． e t a 1 ． Ne w ma t e r i a l s f o r s o l a r t h e r ma l s t o r a g e s o l i d ／ l i q u i d t r a n s i t i o n s i n f a t t y a c i d e s t e r s [ J ] ．S o l a r E n e r g y Ma t e r i a l s＆ S o l a r C e i l s ， 2 0 0 3 ， 7 9 2 8 5 2 9 2 ． [ 9 3 KI S S I NG E R H E ．R e a c t i o n k i n e t i c s i n d i f f e r e n t ia l t h e r ma l a n a l y s i s 口] ．A n a 1 ．C h e m． 1 9 5 7 ． 2 9 1 7 0 2 1 7 06 ． [ 1 0 ] L OUI S E． R i g o r o u s d e t e r mi n a t i o n o f k i n e t i c p a r a m e t e r s f r o m DT A[ J ] ．J ．Ma t e r ．S c i ．1 9 8 4 ．1 9 6 8 9 69 】． [ 4 3 [ 5 3 [ 6 3 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 张馨． 深立井硬岩深孔钻爆 参数的研究与应用 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 3 ． 2 8 4 4 0 3 4 9 8 ． 王志勇， 李 占炎． 优化 爆破 参数在 胡家峪 铜矿的 应用 口] ． 西部探矿工程， 2 0 0 2 增刊 2 5 2 2 5 3 ． 傅菊根， 徐颖 ， 郝飞． 等． 硬岩巷道掘进的中深孔爆破 试 验 研 究 [ J ] ． 安 徽 理 工 大 学 学 报 自然科 学 版 ． 2 00 4． 2 4 4 25 27． 崔武文 ． 宋 金华 ． 韩红霞 ． 等． 京沪高速公路 桥头跳车 病害的综合防治[ J ] ． 河北工业大学学报， 2 0 0 2 1 2 1 06 1 09 ． 潘晓东 。 杜志刚 ， 杨晓光． 桥头跳车对行车安全影 响评 价 指标 的研 究口] ． 同济大学学 报 ． 2 0 0 6 ． 3 4 5 6 3 4 6 37 ． 杨佩昆， 吴兵． 交通管理与控制[ M] ． 上海 同济大学 出版社 ． 2 0 0 3 ． 维普资讯