孔爆破法开采石材.pdf

切槽孔爆破法开采石材的几个问题 中国地质大学 吴立 张天饵 提 要 本_支是仨叼 孔爆破法开采石村试验的基础上，对炸药选择、装葑量计算、炮孔布置方式 装填结} 匀 等重 要问 题阐明 了作 者的见解 。 在六 十年 代以前 ，我 国石材开 采一直沿 用手工 劈裂法 ，劳动强度 大，生产率 低，荒 料块度 小，远不 能满足市 场需求。 从七十年 代起 ，开始采 用凿 岩爆破开采 法 ，但 同岩 石 是 非均 质 的、各 向异性 的、脆性损 伤断裂 地 质体 ，且 其内部又随 机分 布有 许多天然微裂 隙，所 以在爆炸载苟作 喟下 易产生失稳 扩展 及分叉 ，给矿体造成严礓破 坏 ，这对 于装 饰 品或工 艺美术 品用石材 ，表现得尤其严重。 石材开采，一方面应使采下荒料保持原岩的 结构、 品级 ，即保 持原 岩的光泽、颜 色、花 纹 和结 晶面 ；另 一方 面 ，还不 能给 岩 石造成 新 的损 伤。为此 ，近 年来 ，相继 引进 和采用 锯切扎诫和近 人爆破、静态爆破等法，从而 使荒_抖开采率和其质量得到长足的提高。但 囡其 成本较 高和设 备 供应 等因素 的限制 ，在 中小型矿山 仍难推广。 为寻 求更经济、台理 、有效 的石材开采 法 ，自1 9 8 6 年初 ，我们先后在福建、浙江和 湖北等省进行 了切槽 孔爆 破 法采石 的试 验 ， 证实 了泼法在花岗 岩，大理 岩开采 中不 仅可 降低凿岩工 作量、炸 药消耗量和 洗 方 工 作 量 ，还 减少对石材 的损伤 ，提 高成荒率及成 材率。下 面就切 槽 采石 的炸 药选择、装药量 计算、炮孔布置方式，装填结构等重要问题 逐一分 忻。 一 炸药选择 切槽孔爆破的关键在于，当 炸 药 爆 炸 后，爆炸 压力 的作用只能 使切槽 孔起动扩展 成一平整的断裂面以实现与原岩的分离，而 孔周围随机分布的天然微裂除却不能起动扩 展 以避免造成岩石 内部 的损伤。 奥克特 朗尼通过研究提 出 了当应力 强度 因子K为常数时，促使径向裂纹扩展所需 的 压力千克／ 厘米 为 奄 式 中，K预裂 瞎尖 端 的应 力强度因 子 ， 千 克， 厘米 ；a 一一预裂隙 长度 ，厘米。 对 于切槽爆破来 说 ，切槽 形成 了 如 图l 所 示的 【 型裂纹。因此 ，借助 于 式 1 可 以得到使切槽 起动所 需的最小驱动 力 千克 ／ 厘米 P 。 ； - ⋯⋯⋯⋯- ． 2 2 ． 2 √ 式 中，K T c 一一 岩石 的 断 裂 韧 度 表i 8 , -- 一 切槽 长 度 ，厘米 。 图I I型裂垃 上式说明，切槽起动的最小驱动力取决 维普资讯 几种岩石的K r c 值 千克／ 厦来l s襄1 磊 i I 丽 K ～ i c I 一I 4 | 岩 ～ 4 6． 3 于岩 石断裂韧度K c 和切槽 长度 a 。对 于大 理 岩 ，取其Ki c 6 8 、切槽 ＆a5 毫 米 ，按 式 2 计算 得P c 2 4 ． 2 千克／ 厘米 。 由此 可 知 ，对 非常 浅的切槽 来说 ，使其 起动 扩展 的 驱动 力也是很 小 的。 由 以 匕 分 析可 知，切槽 孔爆破采J f j 威 较低 的低 能炸 药，如黑火 药、无烟火药 、硝 化棉等黾恰当的。 如果采 用通 常的2 。 岩石炸药 ，吼 n 应 采用 不偶合装 药缔构。不偶合 系数可 以通过 下式 计算 M r 百 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 3 式 中，Pn 一一爆 生气体 初始平 均 压 力 ，千 克／ 厘米 ；P ⋯临界 压力 ， 千克／ 厘 米 ， 对 于凝 聚态 炸药 ，可 取P 1 0 0 0 ；K～ 一 炸 药 的等熵指数 ． 对于凝 聚态 炸 药 ，取K3 ； Y 一一 理想气体 的绝热指 数 ，一般 Y 4 ／ 3 ～ 7 ／ 5 ，对于双原子气体，取Y 1 ． 4 ；1 一 一爆 生 气体 遇孔壁 后 压力增大 系数 ，一般n8 ～ 1 1 I t l - ⋯ 一 动 压强度提 高 系 数 ，一般r l 1 0 一 一 1 5 }o s 一 岩 石 单轴 抗压强度 ，千克／ 厘 _米 。 饕药量 计算 履过大量试验得 出切槽爆破在采用黑 火 药时的经验公式 q 。 3 5 0 ～ 4 0 0L。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 4 式 中，q 。 一 一每米装 药 量 ，克， 米 }L． ～一 姨药长度，米 ，一般为 1 ／ 3 ～ 1 ／ 2炮孔深 度。 采用2 号岩石炸药，其每米装药量 可 近 似甩下式计算 q ． _ o ． 0 8 K DI ． a 。 ⋯ ‘ 5 式中，q 。 ～一每米装药量，克／ 米 ；D一炮 孔直 径，厘 米 ；K- c 一一岩 石 的断裂 韧 度， 千 克／ 厘米 ” ；a 一 一切槽长 度，厘米。 据试 验，当D4 厘 米、 a0 ． 5 ～ 1 ． O 厘 米 时，在大理岩 和花岗岩 中进行 切槽 爆破 的 每米 装药量可 近似 表示为 q 3 0 ～ 4 O克／ 米 ⋯⋯⋯ 6 三炮 孔布置方式 按切槽爆破法采石时炮孔一啦沿矿体走 向布置 的原则 ，试 验 的炮孔布 置方式 如 图2 所 示。分析试 验结 果，建议主要钻 孔参数如 下 ①炮 孔 直径 D 4 0 1 墨米 I② 炮 孔 深 度 L，一般为 台 阶 高 度 H 的0 ． 7 ～O ． 8 倍 ， 即 L0 ． 7 ～O ． 8 H；⑧ 炮孔 闻 距 b0 ． 6 ～ 1 ． 2 米 ；④ 台阶 宽 度W 1 ． 2 ～2 ． O 米 I⑤ 切 槽 长度a；0 ． 3 ～ 1 ． 0 米。 一 此外 ，一次采 下荒耕长度S，则应 据 岩 体 自然裂 隙面确定 ，即应充分 利用岩体 自然 裂 陈对爆炸 新生 裂纹 的l E 裂作 用。 四装 填结构 为保证采下荒料 的质量，切槽 孔爆破采 石时，不 同种类炸药采用不 同的装药 结构 。 用黑火药等低能炸药时 ，建议装 填结 构如 图 3 所示，装药长度一般是炮孔 深 度 的 1 ／ 3 ～ 1 ／ 2 倍 {用2 岩 石 炸 药时，建议装填 结 构 如图4 所示，在孔底甩锯末 等 柔 性 物 作 垫 层，其厚度约为孔深 的十分之～，可避免岩 石内部因爆破而损伤。 维普资讯 图3 黑火 药装填结 构 l 一堵 塞；2 一黑 丘药 兰 2 ， 毒 图4 2 岩石炸 药装填 结构 l 一培塞；2 2 岩石炸药3 一垫屉 五影畸田素 影响切槽爆破 果石效果 的旧素很 多，这 里 仅 祧主要 因素 加以分析。 一 切措 角度一般 ， 角度过小 ， 既难 确 保 达到切槽 长度，又难 以采用较为简 单的 机械 实施 ；角度过大，切槽失去应 力集 中作 用，爆破效果 必定差。据 日本渡道明对静态 破 碎剂 破碎 效果与切槽形状之关 系的试验 研 究 认为 ，锐锕状 的切槽破碎效果较理想 ，而 我们 的试验 发现 ，切槽角 度 在3 0 6 0 之 间 时，切槽本身最容易用机械 方法实现，且其 爆破的开裂效果最好。 切槽 长度对 于不 同种 类 的岩 石 和不 司性质 的炸 药，切槽长 度 应 不 同。据 W ． L． F o U r n e y 等人的研 究 ，对 于大多 数岩 石 ，当孔内压力 超过6 9 5 ． 7 5 千克／ 厘米 时， 孔壁 附近 产生杂乱无章 的裂隙 ，断裂面 难以 控制。 此时，若切槽 K度过小，爆生 气体 便 不能进入切槽尖 ，刨此控制裂纹扩展方向 的 目的无法 实现。对 于大 岩，当切槽长度 a5 毫米 时，由 2 式知 ，使切槽 起 动 扩 展 的外力为Pc 2 4 ． 2 千克／ 厘米 。由此可 以 通过选择切槽 长 度 以实现精确控制断裂面形 成的目的。试验表明，对于花岗 岩 和 大 理 岩，切槽长度在3 ～1 O 毫米之间 较 为合理。 三 岩体结构天然岩体存在 自然节 理、裂 隙 等 缺 陷，因此从力学角度看，天 然岩体是 一种损伤断裂地质材料。这些缺 陷 对切槽爆破的最终断裂结果影响很大。一方 面，炸药的爆炸能量易通过这些缺陷过早地 泄漏 ，从而 降低炸药 的能 量利用率 ；另一方 面 ，这些 缺陷对 裂纹扩展 具有分叉 和止裂作 用 ，不利千断裂面 的形成，这对 于荒料 开采 有 利亦有害 ，对 此应 扬长避短， 即尽可 能 利 用 自然裂隙面作 为采 出荒料 的界线。总之 ， 在开采前应查 明岩 体的走 向，裂隙 发育程度 和分布情 况，以利合理布置 切槽 孔。 四 堵塞质量堵塞是大多数 爆破作 业不可 少 的环节 ，它对爆 破效果 有 重 要 影 响。研究表明，堵塞可 以大大增加爆炸产物 的作用时闻，其质量对切稽爆破的成败至关 重要 ，在使用黑火药 时尤 为 明 显。 堵 塞 不 好，易发生 “ 冲天炮一 ，既 达不 到断裂岩体 的目的又浪费炸药。因此，切槽孔爆破法采 石， 一定要有 良好 的堵塞。 除上所述，诸如岩石的波阻抗，起爆时 差、起爆 顺序等 因素 对切槽爆 破开 裂效果均 有不 同程度 的影响 ，这些有待 夸后进一步研 究。 结语 由于爆破过程异常复杂，切槽爆破采石 的 洚多 问题仍有 待深 入研究，本 文给出的钻 爆参数也需要进一步完善，这些工作正在进 行中。 参考 文献 [ 1 张天锡、 是立．橹孔联台控制 j 垂 踱法泉石试 啦t爆 破 1 9 8 “／ ．4 ； C 2 曼 立、张 天 锡．槽孔爆破的试验研究 湖北省爆破学会第四届学术交 流尝论文 1 9 8 8 ．1 2 ； [ 3 奥克特朗尼-断裂力学 在 岩 石爆破申的肛甩。国际岩石力学学会第三届再 际 会 嵌 文 集，丹佛，科罗拉多．1 9 年9 月； [ 4 ] 吴立1 罾 孔庳 i 裂 控 4 爆破及在石材开采中应用的试赂研究．项 学 位 论 戈 [ s 茬遭明．静卷破碎 的出用．戈鹤 J l l 译嵌爆 破 1 9 8 5 ，4 j [ 6] 美国第十， 、 届岩石力学会 议 论 文 i [ 编 ．1 9 7 2 年 维普资讯