影响石材爆破效果因素分析及措施.pdf

屯 6 一 影响石材爆破效果 因素分析及措施 中国长城 州 4 5 0 0 4 1 z 中 国 长 城 靠 j [ 州 ⋯‘ ～ 摘 要根据现场试验结果 ，对用控 制爆破法开 采石材 的效果影 响因素 进行 了分析 ，给出 了不 耦合 系数和孔距 参考计算公 式 ，提出了相应的措施 。 关 曩 词 至 塑 盒 鳝 堡 皇 型 芝 ANALYSI S 0F FACT0 THE BLAS T EFF ECT 0F S T0NE M A1ERI AL “f a n g Gu a n g j i e Z ib o I n s t i t u t e W a n g Z h e n q i a n g C h i n a G r e a t Wa l l Ai o m i n i u m C o r p o r a t io n ，Z h e n g z h o u Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f[ i e M № t r e s ult s ， t h ef a c t o r si n fl u e n c i n gt h emi n i n g e f f e c t i v e n e s so f s t o ll ema t e r i a l b y c o n t r o l b l a s t i n g a r e a n a l y s e d； t h e u n c o u p l i a g c o e f f i c i e n t a n d t h e c o i c u [a t i o n f o r mu l a s o f h o l e s p a c i n g a r e p r e s e n t e d． Ke y wo r d s Un c o u p l in g c h a r g e o f e x p l m s i v e s ，Ra d i a l c r a c k，S t r e s s c o n c e n t r a t i o n 1 前言 我国石材资源丰富，花色品种繁多 ，但由于长 期存在重加工轻开采 的片面现象 ，出现荒料供应不 足，规格尺寸偏低 ，影响了石材工业的发展。提高 荒料的产量和质量 ，必须推广应用先进 的石材开采 技术。国内外学者研究提出利用控制爆破法开采石 材的技术 ，能满足高质量 、大规格、高产量荒料生 产需求。本文根据我们现场试验的结果 ，参考他人 实验室模型试验资料 ，对影响石材爆破效果的因素 进行分析 ，并提出相应措施 ，旨在探讨适应我 国石 材矿 山现 状 的开采技术 。 2现场试 验 山东某花 岗石矿为酸性钾质花 岗岩，含 黑云 母 、钾长石、石英 、斜长石等矿物 ，颗粒粗大 ，其 主要物理性质如表 l 。装药采用 2号岩石炸药加改 性剂 ，其性能参数如表 2 。采用 空气不耦合分段装 药结构 ，药 卷 间隔 2 0 0 ram，导爆 索全 孔长连 网， 孔位支持器 以绝缘垫 片做成 “ C 型套袋，以绝缘 胶布固定导爆索及药卷。经小型试验确定设计单耗 为 3 0 g ／ mj ，孔径 3 8 ra m。 4 6 表 1 试 块主要糟 理性能 试验 1 试 块 尺 寸 为 3 m x 3 ． 2 m2 ． 9 m 约 3 0 m3 的不等边台体 ，前方爆面不平整 ，有弧形根 底，阻抗大 ，原定为双向切割爆破 ，清底后见水平 自然裂隙 。改双向为单向切割爆破 ，如 图 1 。使用 手工 制 作 塑料 管 装 药，药 卷 直 径 1 8 ram，长度 2 0 0 ram。炮孔数 目6个，孔距 4 0 0 ram．孔深 2 ． 3 ～ 2 ． 8 m，每孔装 药 4 ～5卷，实际单耗 2 8 ． 2 3 g ／ m3 ， 导爆索簇联 网络 8号雷管引爆 ，药卷情况如图2 。 起爆后 ，试块措炮孔连线裂开，缝宽约 1 0 e r a， 表面平整，半壁孔残 留率 1 0 0 ％，荒料整体性好 ， 加工后无任何裂隙损伤 ，试验效果良好 。 中国矿 生 舢年蕈 9卷幕 4期 维普资讯 3 田 1 试块 1 原始条件 卜一 趁爆置瞢 ；2 一导爆索 圈 2 装药 结构 图 1 一导爆 索；2 一药卷 3 一 垫片 ；4 一空气柱 试验 2 试块位于南北运输 沟东侧 ，平均尺寸 为 6 m4 ． 5 mx 3 m，约 8 0 【 长方体 ，如图 3 。南 面由火焰切割器拉槽 ，槽宽 l O O mm；上面为 自然 溜向，东北向西南倾斜 ，倾角约 1 0 ’ ；北 面地层有 扭曲现象。设计从东、北 、水平底面实施三 向切割 爆破。东面布垂直孔 2 1个 ，孔距 3 0 0 mm，孔深平 均 3 ． 2 m；北 面布垂直孔 l 4个 ，孔距 3 5 0 mm，孔 深平均 3 m；底面布水 平孔 l 5个 ，孔距 4 0 0 ram， 孔探 4 ． 5 m。在东面和北面分离线相交处装药孔 问 布置导 向空孔 ，孔 口装药 1卷。药卷参数 同试 验 1 ，每孔装药 5 ～8卷 ，实际单耗 1 1 5 ． 7 g ／ m a ，采用 导爆索单向分段并联网络起爆。 起爆后 ，东面沿孔连线形成 1 ～2 mm裂隙，底 面形戚间断裂隙，北面形成不规则裂纹 ，靠 自由面 一百材■ t披 暴固橐分析豆描 囊 处形成三角形裂隙 ，效果不理想。分析原 因， 1 试块地处沟头表土附近 。风化层理发育 ，溜向复杂。 2 孔深不一致 ，有数孔掉钎来加处理 ；靠 自由面 装药孔间来加导向孔 ，增加切边阻抗。 3 与单向 爆破相比，三向切割爆破应减小孔距 ，其单耗需进 一 步试验确定，起爆网络应考虑缩短孔问起爆时差。 圈 3试块 2 原始条件厦莲 线田 1 一孔外 主导爆索 ；2 孔内支导爆索 ；3 一趋爆雷管 3 因素分析及措施 3 1 装药结构 装药在岩石 中爆炸，其能量是以冲击波和高压 气体作用于岩石 ，在产生内部作用时 ，围岩形成压 碎圈、裂隙圈和震动 圈 1 J ，对石材 开采而 言，压 碎圈和裂 隙圈不利荒料 成型规则 和保 证围岩稳定 性 ，影响荒料率和板材率 ，避免它们的形成 ，除采 用弱性炸药外，采用不耦合装药也是有效的措施。 i 詈 圈 4 孔璧切 向应力随时间变化 情况 根据光面爆破缓冲原理，采用不耦 合装药时 ， 利用孔内径向空气的缓冲作用 ，降低 了装药爆炸于 孔壁作 用 的 峰值 压 力，增 加 了作用 时 闽a如 图 4 [ ．药剂为 2号岩石炸药，当不耦合系数 e 1 ． 1 时 ，孔壁产生了较大的峰值压力 ，持续时间短；当 e 2 ． 5时 ，孔壁不产生峰值压力，其切向拉应力 是平缓的，且持续时间增长。表明 ，由于不耦合系 数 的增加 ，装药爆炸能量的作用方式发生变化 ，由 47 0 5 0 5 0 5 O 3 2 2 L 0 维普资讯 冲击动压 向爆生气体准静压作用转换 ，当不耦台系 数增加到某一数值时 ，对破裂岩石起主要作用的已 不再是作用时间较短的应力波峰压 ，而是作用时间 较长的爆生气 体准静压 ，孔 间准静态 应力 场的叠 加 ，利于孔问岩石开裂成缝 ，且保护围岩。 3 ． 1 1 不耦舍系数 e 确定 不耦台装药时 ，装药爆炸对围岩近似看成静压 作用 ，孔壁 产生 的 静 压 力 ，可 根 据 凝 聚 炸 药 的 状态方 程求解 L P P c Id o c 1 式 中，P 一爆 压；P 百 1 P o D z ；P o 一装 药 密 度； 爆速； 一 临界压力 ，近似取 p k 9 ． 81 0 ； k 一 绝热 指 数 ，取 k 1 ． 3 ；n ～ 凝 聚 炸 药 等 熵 指 数，取 n 3 ；V 一装药体积；V b 一炮孔体积 。 避免随机径向裂隙产生 ，应有 0 “8 P ≤k s 2 式 中，a 一切 向拉应力 ；k 一岩体龟 裂 系数 ，完整 岩体 k 0 ． 7 5 ，块状岩体 0 ． 4 5 k 0 ． 7 5 ，碎裂状 岩体 k C t 1 0 国内外学者对应力集 中效应破裂岩石进行了大 量的研究 ，提 出许多促进应力集 中效 应的技术措 施 3 ． 5 1 切槽爆破 切槽爆破技术利用断裂力学的切槽理论 ，将常 规的圆形孔 断面结构改为带预制锥形刻槽的断面结 构 ，使装药爆炸于刻槽尖端形成应力集中，当集 中 应力达到岩石抗拉强度 时，预制刻槽便 失稳扩展 ， 使径向裂隙只按预定方向起动并与相邻刻槽孔贯通 成缝 ，减弱孔壁其余部位作用应力 ，使周围岩体免 遭损伤。 1 成孔方法 凿岩机一次成孔法是形成切槽孔 常用方法之一 ， 其过程是利用改进后的风动凿岩机 ， 在设计孔位上直接凿岩 ， 炮孔与刻槽一次形成。此法 工艺简单， 效率高， 刻槽面平整， 效果较好。 2 切槽参数 切槽炮孔的切槽参数包括切槽张 角、 切槽深度 、 切槽锐度， 对裂缝的形成有直接影响。 目前， 切槽参数的理论计算公式 尚不完善， 可在实验 室模型试验的基础上 ， 进行现场试验 ， 采用数值计算 方法计算切槽尖端应力集中系数 ， 建立切槽参敬与应 力集中系数的相关规律 ， 确定切槽参敬。 试验和理论计算表 明，切槽 张角≤8 0 。 时，其 切槽尖端应力集 中效应等效于张角 0 ‘ 的切缝 ，说 明切槽张角对裂缝 的形成影响很小 。如图 6是相对 切槽深度 a ／ R和相对临界起裂荷载 P c 1 a ／ R／ P c 1 ． 0 1 的试验 曲线，当 a ／ R0 ． 叭 ～0 ． 2时， 相对临界起裂荷载降低显著 ，即 a ／ R0 ． 2时 ，可 获得减小 7 2 ％炮孔起裂荷载的效果 ，因此 ，为便 于切槽尖端裂缝产生 ，a ／ R取 0 ． 2左右为宜。切槽 锐度是指切槽深度 a与切槽尖端 曲率半径 9 之 比， 当切槽张角一定时 ，随切槽锐度 的增加 1 ～8 ， 切槽尖端应力集 中系敬增加 3 ． 0 6 ～7 ． 2 6 ，但切， 槽张角在 3 0 。 ～6 0 。 时 ，凿岩效率降低 ，切槽刃磨钝 快 ；切槽张角为 9 0 。 时 ，切槽锐度很小 ，不利切槽 尖端应力集 中。因此 ，为保持切 槽尖端锐度 ，保证 凿岩效率 ，切槽张角的合理范围为 6 0 ≤0 ≤8 0 。 49 维普资讯 0 7 一 0． 5 - 日 9 0 0 3 0． 1 ／ W 1． 0 1． 2 1 4 1a ／ R 田 6 相对临界起 曩苘载随相对切槽深度的变化规律 实践证明 ，切槽爆破技术与 目前矿山常用切割 分离技术如预裂爆破相比，具有效率高 ，成本低 ， 可严格控制裂面方 向，减少石材损伤 ，成荒率 、成 材率均明显上升等优点。 ． ， 田 7 聚睫爆破涪 示意 圈 1 一药包；卜 套管切冀 ；卜一 村套忉 槽 ；4 一垫 片；5 一锕嗣装 药盒；6 一盒一囊酷槽 ； 7 一水 ； 8 一套臂；9 一反射悻 装置的聚能作用 ，控制爆炸能量于孔壁的作用方向 和强度 ，使孔壁预定方 向在高压射流作用下，形成 缝槽 ，冲击波和爆炸气体的动静压作用 ，缝槽尖端 形成应 力集 中，失 稳扩展 ，使岩石沿预定方 向开 裂 。可 以认为 ，聚能爆破技术是将切槽爆破中切槽 孔形成 、槽尖端应力集中、失稳扩展成缝同时进行 的一种分离岩石方法。 目前 ，经试验证明可行 的聚能爆破方法有图 7 示四种 该 技术 成孔与常规爆破相 同，凿岩效率 高，但药包加工困难，成本高，装药结构复杂。 4结论 1 孔距和不耦合系数是影响石材爆破效果的 关键参数，设计施工 中，需综合考虑岩性、节理裂 隙分布及药剂种类 ，通过现场小型试验确定。 2 适 当增加空孔数 量，采 取导爆 索簇联 网 络，孔 口装药不堵塞，对提高爆破效果，都是有效 的措施 。 3 理论和试验已经证 明，应力集中效应对提 高石材开采效果是有利的 ，通过改善钻机性能 ，提 高切槽孔凿岩效率 ，简化聚能药包结构 ，推广切槽 爆破和聚能爆破技术是可行的。 I 参考瓷料 [ 1 ] 王文龙 ．钻 眼爆破 ，攥炭工业出版社，1 9 8 4 [ 2 1 王廷武 ．刘 清泉，橱永琦 ，王野平 地面与地下工程控审 I 爆 破 ，煤炭工业 出板社，1 9 9 o [ 3 ] 钮蓝，岩石爆 破机理，东北工学 院出版社 1 9 9 0 [ 4 ] 高磊 ，矿山岩悼力学 ，机械工业出版社 ，1 9 8 7 ￡ 5 韩学摊 、肖正学、张志呈 ．石材的爆破 内伤及其对成材率的 影响 ，‘ 中国矿业 ．1 9 9 9 ，8 ． 4 [ 6 肖兴槔 、王振发．工程力学 ，机槭工业 出版社 ，1 9 9 0 [ 7 脒益蔚等 岩石鼍破 中的 断裂控嗣 ，‘ 鼍蕞 ，1 9 9 2 ，9 4 3 5 ． 2 聚 能爆破 聚能爆破技术的炮孔采用圆形断面结构，而装 收稿 日期 2 0 0 0年 2月 1 0日 药采用带聚能装置的药包，其作用原理是利用聚能 制 到 用 钢 日 中目矿业 2 0 0 0幸第 ，掌摹 ● 期 维普资讯