空气间隔装药爆破机理研究.pdf

空气间隔装药爆破机理研究 朱红兵1卢文波2吴亮3 1 ．中国长江三峡工程开发总公司宜昌4 4 3 0 0 2 ；2 ．武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉4 3 0 0 7 2 1 ； 3 ．武汉科技大学理学院武汉4 3 0 0 8 1 【摘要】介绍了空气间隔装药爆破的机理及设计参数选择。利用爆轰波理论分析了空气问隔 装药炮孔内一维不定常激波的相互作用及其在炮孔堵头、孔底的反射过程，同时分析了孔内各点 的压力随时间的变化过程。通过理论计算得到了在梯段爆破工程中合理的空气层长度比例值约为 3 0 ％～4 2 ％。计算结论与已有实测成果基本一致。 【关键词】空气间隔装药技术梯段爆破爆轰波理论空气层比例 l 前言 空气间隔爆破技术 图1 已在国外的采矿业中得到了大量的应用。M e l n i o k o v 等‘1 3 认 为，空气层的存在导致爆炸作用过程中激发产生二次和后续系列加载波的作用，并导致先前 压力波造成的裂隙岩体的进一步破坏。虽然空气间隔装药结构作用在炮孔上的平均压力低于 耦合装药方式，但它可以通过产生的后续系列加载波的作用来达到破 碎岩石的目的，他们认为系列后续加载波是由于在带有空气层炮孔里。 的三个冲击波波阵面，即来自于爆炸气体的冲击波波阵面和在堵头或 孔底反射引起的冲击波的波阵面，以不同的速度在不同的位置相互作 用而产生的。围岩里的初始裂隙网络将会被这些后续加载波所提供的空 能量的持续作用不断扩大，该破坏效果当然比单一强冲击波对围岩的 破坏效果好 为已有裂隙网的进一步扩大破碎所需压力总比破碎完整 岩体要小得多 。空气间隔装药技术在爆破作用过程中一方面降低了装 爆压的峰值，降低或避免了对围岩的破碎作用；另一方面由于延长了 爆压作用时间，可以获得更大的爆破冲量 爆压与爆压作用时间的乘 积 ，最终提高了爆破的有效能量利用率。这些试验研究表明，使用襞 空气间隔装药技术用于台阶梯段爆破而得到与常规装药方式相近的效 E 段／， 羹 j ／‘ t 层、 J 5 段7 J 5 段7 塞 果，同时可以减少大量的装药工作量及大量减少起爆器材的使用，达图1 空气间隔装药 到了提高工作效率和有效节省爆破成本的目的。爆破示意图 在以往的工程实践中，空气层比例R 。[ R 。 L 。／ L 。 L ， ] 的确定往往是依靠经验数 据[ 1 ] ，因此，该值的变化范围较大1 5 ％～3 5 ％。从理论高度研究空气间隔装药爆破的机理， 并确定合理的空气层比例是空气间隔装药爆破技术推广应用的重要研究课题，具有较高的技 术价值及广阔的潜在工程应用前景。 2 炮孔内压力分布计算的激波管理论[ 2 】 利用冲击波波理论来分析空气间隔装药炮孔内的压力波传播过程，将其传播过程分为几 个阶段 孔底反向起爆A 点 。 第一阶段炸药起爆及起爆后爆轰波在炸药层中一维传播，如图2 中区域①、②和④。 区域①为爆轰波波前静止区域，装药爆炸产生爆轰波波面A D 压力由下列公式计算出，即 沪鼎 1 4 6 2中国水利学会第四届青年科技论坛论文集 图2 空气间隔装药炮孔应力波系图 式中P l 为C J 爆轰压力；B 为炸药的密度；D J 为爆 轰波的传播速度；以为爆生气体的绝热指数。 中心稀疏波②区域范围为D j 一丝 幻≤王≤／ 』，其解为-D “ 南手一晶一鼎手 鼎㈣“2 歹j 玎了一F 芤≯一了j 1 了十歹j 1 心’ 式中“为气体运动速度；f 为声速。 扇形区域④的范围为o ≤孚≤等，其解为 “0 ，c 娶 3 第二阶段爆轰波传播至空气界面，爆轰产物向空气中飞散。向空气中传入一冲击波， 向爆轰产物内传人一稀疏波，如图2 中区域③及⑤～⑦。 由于产物飞散面两侧速度及压力连续，可由以下方程组求出其运动初始速度及压力 “鼎{ 鲁[ 一 等 簪] 孝与 告 簪[ - 一 寿 _ 0 - - 1 ] 1 “一‰ _ 兰一 } 4 ∥。 学p 础J 式中P ．取0 ．O l p J ；下标0 表示空气中相应状态参量；下标J 表示C J 状态参量。界面运 动速度为 “～[ 茜 一考 南 1 。‘] 商 ㈣ 其中初始速度‰由方程组 5 得出5 k 一1 0 ．0 2 1 P o c o o 2 ‘ 由界面运动方程得到区域③、⑤、⑥的解，令[ 垒生哼兰鲁 边] “n 州 A 其中 y u ／D j ；蜘 ‰／D J] z z l 。 1 J ／Y o “‘A - 1 } 6 批十臼27地一f 3 一i z 酝『J “5 f 5 等 7 地一c 。与上式相同。 z z 。 y ／％ 1 ／k A 川] 鲰机产1 i 旷l 8 ‰一了i 丁“2 一歹■了白J 空气中冲击波波速D 为 警 煮 宰一盎D ㈣ c o％ 1 ＼ c o一“o ， 一7 区域⑦为冲击波波前静止空气。 第三阶段稀疏波在孔底反射；冲击波在堵头反射。反射稀疏波波后的解 六、岩土工程与结构材料 4 6 3 H f 手；U - - f 半 P 6 一P o 一 象 磊 瞻一≮罄铲珥 1 0 1 1 第四阶段反射后的冲击波和稀疏波先后到达接触界面并在接触面再次反射与透射，透 射波与反射波在炮孔内互相作用，这些过程随着时间的推移而越来越复杂，经过多次反复作 用后，炮孑L 内最终达到一个比较稳定的压力 户吨 彘 7 1 2 ， 式中P 为最终平均压力；P 。为装药爆炸后产生的爆生气体压力；L 。为炮孑L 内装药长度； L 为炮孔内空气层长度； ，为爆生气体绝热指数。 3 合理空气层比例的确定 从以上理论分析可知，炸药起爆后装药区炮孔每个断面经历最大压力P ，作用，当爆轰 波穿过空气接触界面后，装药区炮孑L 经历卸载过程、空气层炮孔开始加载过程，孔内压力迅 速降低；随后冲击波到达堵头并反射，其反射压力波强度大于入射波压力，甚至有可能大于 耦合装药时的压力，反射波到达之处压力升高；从堵头反射的冲击波先到达接触面并在空气 层中反射一冲击波同时向爆生产物内透射一冲击波，此高压透射波在爆生产物内同向追赶稀 疏波导致压力衰减；从孔底反射的稀疏波滞后在爆生产物内与相向而行的透射冲击波相遇， 从而再次提高冲击波压力；如此往复，随着时间的推移，各相干应力波的强度随之衰减，直 至孑L 内达到一个比较稳定的压力。可以看出，在这个过程中爆轰气体的能量先储蓄在空腔 内，后以附加应力波的形式对介质形成多次加载，延长了应力作用于岩石的时间，此时破碎 孔壁的能量减少，而增加输送到周围介质的能量。 在空气间隔装药爆破过程中，应力卸载过程主要与炸药起爆后在炸药与空气的接触面产 生的稀疏波及从孔底反射的稀疏波传播过程相关，同时，也是剪应力和拉应力产生和增大的 必须条件，是导致炮孑L 近区岩体拉伸或拉剪破坏的主要因素。爆轰波穿过爆轰产物与空气接 触面后孔内压力降低很多，而从堵头反射的压力波强度比最终孔内的平均压力要大，甚至有 可能大于耦合装药时的压力，所以反射压力波作用予空气层所在炮孑L 有利于近区围岩的压剪 破碎o 2 ‘。 要充分利用空气间隔爆破结构的优势，在一般爆破中要满足以下两个条件 1 在设计 过程中要尽量使稀疏波及从孔底反射的稀疏波的传播过程能在整个孔内每一断面都作用到， 即稀疏波到达孔底的时间要比从堵头反射的压力波到达孔底要早； 2 反射压力波应该到达 空气与爆生气体接触面的时间比从孔底反射的稀疏波到达空气与爆生气体接触面的时间要 早。因此，在空气间隔装药爆破设计中，关键的问题是如何确定合理的空气层比例R 。，如 图1 所示，其中R 。 L 。／ L L 。 。 记V 。、V 、y 。、y 。分别为界面传向爆轰产物稀疏波、孔底反射稀疏波、界面传向空气 中的冲击波、堵头反射冲击波平均速度，实际各个速度量都与界面运动速度有关是一变量； 【，，、眈分别为界面运动速度和反射冲击波透射接触面速度，实际各个速度量都与界面运动 4 6 4中国水利学会第四届青年科技论坛论文集 嚣L．毒L．--x。I_L,xL,L,Lo斟 ㈣ 订十万岁订 氅产 麦J 、。 ，、4 0 要。3 。5 ℃ 1 5 1 O 6 图3 炮孑L 底端与顶端压力随时间变化曲线 4 空气层比例为4 0 ％情况下反向起爆； 6 空气层比例为4 0 ％情况下正向起爆 t m s 这里主要分析装药量相同的情况下，不同起爆方式对底端与顶端压力随时间变化的影 响。首先，由以上分析可知，反向起爆时空气中传播的向上冲击波平均速度约为6 3 0 0 m ／s ， 此值与爆轰波波速相差不大，而正向起爆情况下冲击波的平均波速约为3 8 5 0 m ／s ，大约是爆 轰速度的一半。另外，正向起爆由于孔底产生的冲波与顶端反射冲波的作用，导致顶端的压 力峰值比爆轰压力峰值还要大，约为1 8 ．2 G P a ，同时底端在0 ．8 6 m s 时刻才出现压力，其压 力为爆轰峰值的2 倍 3 2 ．6 G P a ，从峰值卸荷至最低值历时约5 ．4 m s 。反向起爆时，由于 底端起爆点的原因，爆轰峰值不稳，但随后的压力值维持在5 ．7 G P a ，在2 ．3 6 m s 时刻卸载， 卸载至最低值0 ．2 9 G P a 历时约4 ．8 2 m s ，所以不同的起爆方式对荷载的大小以及历时都有很 大的影响。在不同的荷载作用下，周围岩石的破碎的机理不同，并且破碎范围大小也有所改 变，也会改变爆岩块度分布。由于正向起爆炮孔内峰值压力大于反向起爆，其一次直接传递 到岩石能量也远大于反向起爆方式，不利于爆破能量的充分利用，所以在梯段爆破中最好采 用反向起爆方式。取T N T 炸药空气层比例0 ．5 、0 ．3 分别计算反向起爆孔内压力变化过程， 如图4 所示。 比较图3 、图4 可以分析得出，反向起爆时顶端峰值压力与装药量成正比关系，其后压 力下降至谷底的值也与装药量的大小成正比；底端压力在下降前都维持在5 ．7 G P a ，随后压 力下降历时与装药量成反比，最低值的大小与装药量成正比。反向起爆情况下，计算得到空 气层比例分别为5 0 ％和3 0 ％的孑L 底反射的稀疏波与顶端反射的冲击波相遇处到孔底的距离 为6 ．6 m 和4 ．5 m ，而这一比例为4 0 ％时，两波相遇处距离孔底5 ．7 m 。可见，若两波相遇点 六、岩土工程与结构材料 4 6 5 ，、l 吞1 逞 幽 t I l m 一 一 一 L 246 81 0 6 f “ 图4 炮孔底端与顶端压力随时I 司变化曲线 C a 空气层比例为5 0 ％情况下反向起爆； 6 空气层比例为3 0 ％下反向起爆 在空气与炸药接触面，空气层比例应在4 0 ％左右。当取炸药型号为A N F O 和P B X 9 4 0 4 ，计 算时得到合理空气层比例上限分别为3 3 ％、4 4 ％。当采用工程常用炸药型号为T N T 时岩石 铵梯炸药 1 口 1 ．0 9 ／c m 3 ，D 3 4 0 0 m ／s 和乳化炸药 p - - - - 1 ．0 5 9 ／c m 3 ，D 一3 6 0 0 m ／s ，计 算得到的合理空气层比例上限与使用A N F O 炸药相近。 以上结论如考虑到堵头向上运动、随接触面运动爆轰产物内密度减小，空气层内密 度增大，其7 值相应发生变化，以及围岩动力也会滞后相应时间，这一比例值会略有减 小，约为3 0 ％～4 2 ％。可见以上得到的理论推导计算结论与前人通过试验得到的结论 基本一致‘1 刮。 5 结论 1 运用爆轰波理论对空气间隔装药爆破炮孑L 内的爆轰产物的运动及其相互作用过程进 行了推导与分析，本文较好地解释了空气间隔装药技术的作用机理，并提出了确定合理空气 层比例的方法。 2 在台阶梯段爆破中，在保证炮孔近区能受到较高压力形成压碎圈和远区能受到应力 波持续加载和卸载作用达到较好的爆破效果、充分利用爆破能量，通过理论推导得出空气层 的合适比例上限约为3 0 ％～4 2 ％。此结论与前人通过试验得到的结论基本一致。 [ 1 3 E 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 M e l n i k o v ．C h a r g ec o n s t r u c t i o ni n f l u e n c eO ne x p l o s i o no p e r a t i o n se f f i c i e n c y ．R e p o r t so ft h eY Is c i e n c e s y m p o s i u mo nd r i l l i n g ，e x p l o s i v e s ，e x p l o s i o no p e r a t i o n sa n ds t u d yo fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fr o c k s ， R o l l a ，U S A ，G o s g o r t e k h i z d a t ，19 6 2 ． 卢文波，舒大强，朱红兵，等。空气间隔装药结构在轮廓爆破中的应用研究[ A ] ∥中国爆破新技术 [ c ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 4 2 9 6 3 0 1 ． 刘鹏程．地下大直径深孔空气间隔装药结构探讨[ J ] ．矿业研究与开发，1 9 9 4 ，1 4 4 2 4 2 8 ． 陆守香，林玉印。间隔聚能装药爆破技术与应用[ J ] ．煤炭学报，1 9 9 7 ，2 2 1 4 2 4 6 ． 他 m 8 6 4 2 0 罡。 R 幽