定向断裂控制爆破技术研究新动向.pdf

第2 1 卷 第 1 期 2 0 0 1 年 3 月 山 西煤炭 S HANXI COAL Vo 1 . 2 1 Ma r . No . l 2 0 0 1 定向断裂控制爆破技术研究新动向 孙仁元① 太原理工大学 李剑刚李义 晋城煤管局 太原理工大学 摘要分析 了多种定向断裂控制爆破方法的原理、实质及优缺点，并提 出了一种新型定向 断裂控制爆破方法，总结了定向断裂控制爆破的共性 ，指 出了此种爆破的优点。 关键词定向断裂控制爆破;原理;切槽爆破;炮孔水压爆破 中图分类号TD 2 3 5 . 1文献标识码A 甲伽;“ 黯砂 多年来， 光面爆破在井巷施工中 发挥了 较好作 用， 取得了良 好的经济效益， 但是由于技术原理及 操作工艺等多方面因素的影响， 单靠光面爆破还不 能精确控制周边质量， 特别在煤系和软岩地层结构 发育条件下， 普通光爆无法保证整个周边形成光滑 面，因而超挖现象仍很普通， 并且钻眼工作量大， 影响掘进成本和效率。本文在总结前人研究成果的 基础上， 分析了各种定向断裂控制爆破的实质和特 点， 并提出了 一种新的定向断裂控制爆破方法。 1 一切槽; 2 一炮孔; 3 一不藕 合装药; 4 ， 一 要求的爆裂面 图1 切植娜破孔 1 定向断裂控制爆破技术 国内外很早就进行了定向断裂控制爆破的研 究，目 前， 我国在断裂控制爆破技术的研究、设计 和施工等方面已 居世界前列。下面分述各种定向断 裂控制爆破新技术。 1 . 1 炮孔切槽爆破 炮孔切槽爆破 如图1 就是在炮孔上按预期 开裂的方向刻制一定长度的切槽， 然后在槽孔内装 药爆破， 实现岩石破碎的断裂控制。 此方法的基本特征是通过改变爆炸能量释放的 各向均匀性来实现爆炸力相对集中作用。通过用脉 冲 激光全干涉法对炮孔刻槽进行了模型实验。与普 通炮孔的爆破作用相比，切槽孔爆破的干涉条纹有 明显不同， 整个条纹主形状大致呈椭圆状 普通炮 孔呈同心圆状 ， 切槽连线方向即是长轴。说明切 槽方向的爆破作用强于其它方向，图2 为切槽捣槽 爆孔布置示意图。 1 一切槽; 2 -不藕合装药; 3 - 藕合装药; 4 一要求的爆裂面 图2 切植捣植娜孔布it示意图 由 碳酸脂板拍摄的动光弹照片可看出， 普通炮 孔的等差线条纹以 炮孔为中心呈对称分布， 而切槽 孔爆破的等差线条纹在切槽两端十分密集， 似发射 状， 条纹级数很高， 形成两股半圆形闭和曲线。切 槽方向 形成了较大的应力集中。切槽尖端的应力集 中系数愈大， 则愈有利于切槽尖端处径向裂纹的首 先开裂， 有利于 爆破的定向断裂。此方法的优点是 可以减少炮孔数量， 从而减少打眼长度; 缺点是切 槽孔爆破受钻具质量和切槽工艺的 制约， 特别是在 深孔施工中难度很大。 1 . 2 聚能装药定向断裂爆破 ① 第一作者 孙仁元， 男，1 9 7 3 年生， 太原理工大学， 在读硕士， 0 3 0 0 2 4 收稿日 期 2 0 0 0 - 0 7 - 0 5 万方数据 第 1 期 孙仁元 定向断裂控制爆破技术研究新动向 聚能装药 图3 定向爆破是利用聚能穴的聚 能作用进行切割爆破。其原理是 药卷爆炸产生的 爆轰波到达凹槽时，波头后面的爆炸产物将垂直凹 槽表面运动， 在槽内互相碰撞， 沿对称轴面产生聚 合的爆炸产物流 射流 ，该爆炸产物流比朝其它 方向飞散的爆炸产物流具有更高的密度和速度。因 此，朝向槽底中间位置，即在对称面附近形成一个 具有一定厚度、能量密度极高的能流面。显然， 在 这个方向上对障碍物的破坏力极大。 聚能槽 图3 聚能装药结构示意图 在动光弹的模型实验中发现， 与聚能穴相对应 的方向， 条纹十分密集， 条纹级数增大， 具有明显 的定向断裂作用。要形成聚能射流必须采用高爆速 炸药。在生产试验中， 采用2 号岩石铁锑炸药， 用 铜片做聚能穴， 也取得了良 好爆破效果， 但在爆破 后曾发现残余铜片。由于2 号岩石炸药爆速低， 难 以 形成金属聚能射流， 不能使铜片熔化， 但因存在 聚能效应和应力集中作用，因而能获得定向断裂效 果。此方法的优点是定向准确， 爆裂面成型质量 好;缺点是对炸药的要求较高，一般采用高爆速炸 药。 1 . 3 切缝药包断裂控制爆破 切缝药包装药结构如4 所示。 图4 切缝药包的装药结构 套管中药卷爆炸后，由于切缝的存在， 沿切缝 方向的孔壁将直接受到爆炸冲击波的作用， 在爆炸 的动作用过程中，沿切缝方向孔壁处优先产生预裂 隙， 爆生气体的静作用使形成的预裂纹优先扩展， 从而吸引了其他非切缝方向释放的能量。 与光面爆 破 特点是降低爆炸的动压对孔壁的作用， 主要利 用静压成缝相比， 切缝药包爆破不仅利用静压作 用， 更主要的是通过切缝引导爆炸的动作用对孔壁 的定向作用，同时也抑制了动作用对孔壁其它方向 作用的影响。 利用激光全息干涉实验系统对切缝药包断裂控 制爆破作用进行模拟实验。从典型全息干涉图可发 现， 条纹分布大致呈椭圆状， 切缝连线方向即是长 轴。 切缝方向应力波超前传播， 形成较强的应力作 用。此方法具有定位准确， 成型质量好的优点， 正 在推广使用， 但其理论尚不完善， 还需进一步研 究。 1 . 4 不辐合装药爆破 不藕合装药就是药柱直径远小于炮孔直径的 装 药。爆炸应力波作用于孔壁形成预加载裂缝， 裂缝 形成以后传播的越长越好。如果裂缝是张开的， 爆 生气体可以挤人其中， 压力沿裂缝从孔壁开始至裂 端逐渐减小。研究已经表明， 藕合装药加载率太 高， 爆生气体无法挤入裂缝， 导致裂缝长度减小。 大的炮孔压力将导致孔壁粉碎产生大量碎粒， 使裂 缝堵塞。 爆炸加载率太高， 孔壁近区出现残余压缩 压力，从而使径向裂缝闭合。为使裂缝充分延伸， 可采用不祸合装药， 其目的是利用药柱与炮孔之间 的藕合介质起缓冲作用来延长爆炸应力波作用时 间，降低峰值压力， 减轻爆炸时作用在炮孔壁上的 冲击压力，防止产生残余压缩压力。 许多学者研究证明了不藕合系数和藕合介质的 改变对爆破作用的效果影响很大。本文主要介绍了 空气和水作为藕合介质的两种定向控制爆破方法。 1 . 4 . 1 空气不祸合装药定向断裂控制爆破 对于以空气为介质的不祸合装药， 药包爆炸 时，由于空气的可压缩性， 爆炸初始阶段爆轰气体 的部分能量储存在空气间隙内， 使爆炸初始作用得 到缓冲。在爆轰的后面阶段， 受压空气再释放能量 做功。与普通的爆破相比， 空气不藕合装药可减少 爆炸产生的初始动压力并能延长作用时间。适当调 节不祸合系数并调整药柱在炮孔中的位置， 可起到 定向断裂控制作用。 1 . 4 . 2 炮孔水压爆破 理论和实践均已证明， 较为合理的装药结构形 式是空气不藕合装药和空气垫层装药， 然而，在某 些钻爆施工中，由于工作面涌水和井壁淋水等原 因， 炮孔往往充满水， 装药爆破不是以空气而是以 水为介质传递爆破能量的，因此研究炮孔水压爆破 具有重要意义。 炮孔水压爆破又称水介质不祸合装药爆破法， 其理论基础是水压爆破理论。7 0 年代末，日 本的 桥本博等人将城市拆除爆破中的水压爆破经验应用 于隧道掘进和石材开采，发明了所谓的A B S 法， 如图5 所示。这种方法炮眼布置简单， 在降低炸药 消耗量和减少震动强度方面效果十分显著。其不足 万方数据 2 4山 西煤炭第2 1 卷 之处在于结构复杂， 制造费用较高。 2 炮孔内带有隔板的炮孔水压爆破 通过对上述定向断裂控制爆破的分析并根据爆 炸波的反射特点， 本文尝试提出一种新型定向断裂 控制爆破方法，即炮孔内带有隔板的炮孔水压爆破 如图6 0 聚， 从而增加汇聚方向的能量， 有利于岩石破碎。 另外，由于隔板的反射作用使得隔板背面能量降 低， 从而降低了 孔壁压力， 保护了围岩而达到了定 向断裂控制爆破的目 的。我们正在进行进一步的理 论推导和实验研究工作。 1 一反射凹面板; 2 一药包; 3 -注水;4 -A B 管 图5 A LA S 管结构图 1 一水介质;2 -隔板;3 一炮孔; 4 -装药 图6 带用板的炮孔水压姆破示意图 此方法是在不祸合装药的炮孔内沿炮孔方向安 置一刚性弧形隔板并注人水进行爆破。该方法的基 本原理是具有炮孔水压爆破的优点，同时水中爆炸 应力波遇弧形隔板后发生反射， 能量朝炮孔中心汇 3 结论 a .定向断裂控制爆破可分为两大类一类是 改变炮孔形状， 如炮孔切槽爆破; 另一类是改变装 药结构，如聚能爆破、切缝药包爆破、炮孔水压爆 破及带隔板的炮孔水压爆破。这两类方法的共同目 的都是为了有效的控制孔周围裂缝的发展方向，以 达到所需的要求。 b . 药包形状采用延长药包而不是集中药包。 延长药包在岩体爆炸引起柱面波， 其波阵面只与传 播距离的一次方成正比增加，而集中药包爆炸引起 球面波， 其波阵面与传播距离的平方成正比增加。 因此， 延长药包在岩体中爆炸引起的应力波在传播 过程中， 其波参数随距离增加衰减要比集中药包的 慢。因而沿炮孔可获得较好的破碎效果。 C . 采用断裂控制爆破方法可以大大减少周边 炮孔的数量。其炮孔间距增大3 9 一8 3 .此外 围岩的稳定程度也比较高，超挖量减少 1 0 一 3 0 ， 装药量减少4 3 -6 9 ，并通过不同的微 差起爆， 爆破地震可以 减少2 0 - - 5 0 . T h e s t u d y o f n e w t e c h n i q u e o f d i r e c t i o n a l f r a c t u r e b l a s t i n g S u n R e n y u a n T a iy u a n U n i v e rs i ty o f T e c h n o l o g y L i J i a n g a n g J i n c h e n g C o a l M a n a g e m e n t B u r e a u Li Yi T a iy u a n U n i z e r s i t y o f T e c h n o l o g y A b s t r a c t T h e p r i n c i p l e a n d e s s e n t i a l o f s e v e r a l k i n d s o f d i r e c t io n a l f r a c t u r e b l a s t i n g i s a n a l y z e d i n t h i s p a - p e r , a n d t h e n a n e w m e t h o d o f t h a t i s p u t f o r w a r d . I n c o n c l u s i o n , t h e p a p e r g a v e c o m m o n n e s s o f d i r e c t io n a l f r a c t u r e b l a s t i n g a n d i t s m e r i t . K e y w o r d s d ir e c t io .i a l f r a c t u r e b l a s t i n g ; p r i n c i p le ; c u t b la s t in g ; w a t e r p r e s s u r e b l a s t i n g o f h o l e 本文责任编样胡广权 万方数据