大直径空孔直眼掏槽爆破效果的实验研究

2020-06-08范军平张召冉左进京赵志伟

煤矿安全 2020年5期

范军平，张召冉，左进京，赵志伟

（1.阳泉煤业（集团）有限责任公司生产技术部，山西阳泉045000；2 北方工业大学土木工程学院，北京100141；3.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）

掏槽技术的选择是岩巷掘进成功与否的关键[1-2]，直眼掏槽是广泛应用于矿山、隧道、水利水电等工程爆破中。直眼掏槽以空孔作为自由面进行破岩，掏槽孔平行且抵抗线相同，爆破槽腔形状规整，施工简单。但是直眼掏槽一般需要多个不装药炮孔提供弱自由面和碎涨空间，导致掏槽炮孔距离较近，炮孔数量多。

基于以上原因，国内外学者开始对能够提供大碎涨空间及自由面的大直径空孔掏槽技术及机理进行研究。如林大能[3-4]认为掏槽爆破形成的拉应力对破岩具有重要作用，拉应力取决于空孔直径；郭东明等[5-6]通过数值模拟并对比分析了基于大直径的不同直眼掏槽方案，确定最优掏槽布置方式和爆破参数；李萍[7]对渐进式大空孔螺旋掏槽技术进行研究，确定了合理炮孔数目、空孔直径等参数；刘优平等[8]认为空孔的应力集中效应对破岩影响较大，大直径空孔有利于提高爆破效果。宗琦等[9]利用数值模拟的方法得到空孔具有自由面、补偿空间、应力集中效应。汪海波等[10]认为大直径空孔的存在使得应力波峰值提高为无空孔时的2.2 倍。

从以上分析可以看出，大直径空孔直眼掏槽技术已经成为行业的热点问题，从大直径空孔破岩机理出发，以数值模拟为手段探讨大直径空孔爆破时应力波传播规律及爆破振动特性，结合实验室试验分析其爆破效果。

1 大直径空孔直眼掏槽破岩机理

1.1 应力集中效应

掏槽孔炸药爆炸后，冲击波衰减为应力波在岩石介质中传播，当到达空孔孔壁时发生反射，空孔附近岩石介质中应力值相对于无空孔时要大，此为空孔的应力集中效应。应力集中后，在炮孔与空孔联线处产生最大拉应力σmax，当σmax大于岩石的动态抗拉强度时，空孔处会出现径向裂纹。σmax表达式如式（1）：

式中：λd为侧应力系数，与动态泊松比有关；p0为透射入炮孔壁的初始压力，MPa；r1为炮孔半径，m；r2为空孔半径，m；L 为炮孔到空孔距离，m；α 为应力波衰减系数。

1.2 自由面效应

当炸药爆炸后，应力波在岩石介质中传播，当到达自由面时会发生应力波的反射，此时压缩应力波变为拉伸应力波，自有面处岩石受到拉伸应力，由于岩石的抗拉强度仅为抗压强度的1/8～1/15，如果反射的拉伸应力波的强度大于岩石抗拉强度，则自由面处岩石被拉伸破坏，此即为空孔的自由面效应，自由面效应示意图如图1。

图1 自由面效应示意图Fig.1 Free surface effect

1.3 碎涨空间效应

岩体爆破后体积具有增大特性，增大后体积为被爆岩体体积的Ks倍，Ks为岩石的碎涨系数。增大的部分体积需要新的空间来容纳，若无多余体积容纳，破碎的岩石无运动空间，容易导致炮孔利用率降低，致使掏槽失败。大直径空孔提供的大空间，使得炮孔在径向的抵抗线最小，破碎的岩石优先向空孔方向运动，大空孔提供的空间能抵消掉岩石的碎涨体积，有利于岩石运动和抛掷出腔，此即为空孔的碎涨空间效应。

2 大直径空孔直眼掏槽数值模拟

2.1 模型参数

为分析大空孔直眼掏槽爆破过程中掏槽区内应力变化规律，建立有限元模型，模型长、宽、高分别为4.5、1.8、1.8 m。中心大空孔直径为400 mm，深度为3 m，炮孔直径为42 mm，装药长度2 m，堵塞长度1 m。考虑到模型对称性，兼顾计算的可行性，取1/4 模型计算，单位总数计40 万。中心大空孔周围4 个菱形炮眼先起爆，5 ms 后大空孔最外围4 个矩形炮眼起爆。沿炮孔轴向在距掏槽孔300 mm 处从孔底开始均匀布置4 个测点考察其应力变化情况。

2.2 应力传播规律

直眼掏槽应力云图如图2。各测点有效应力曲线如图3。

图2 直眼掏槽应力云图Fig.2 Stress cloud diagram of straight-cut

图3 各测点有效应力曲线Fig.3 Effective stress curve of each measuring point

从图2 可以看出，当内掏槽孔首先爆破后，2 000 μs 时在掏槽孔与炮孔之间区域形成高应力强度区，以空孔中心为轴对称分布，并且在空孔附近应力强度最大，该区域应力强度达到200 MPa 以上，应力波开始凸起状向孔口附近传播，其他区域随着应力波强度的衰减逐渐降低。结合图3 可知，到达测点时应力强度已经衰减为20 MPa 左右。5 000 μs 时外掏槽孔起爆，1 000 μs 后在炮孔附近形成高应力区，并逐步向炮孔外部传播，到8 000 μs 时，形成以空孔为中心的高应力区，应力强度可到100 MPa 左右，且应力分布较为均匀，对该区域内岩石进行破坏，同时从自由面返回的应力波与其叠加，增加了其强度。而后逐渐衰减，到16 000 μs 时已经衰减为10～15 MPa。

结合图3 可以看出，炸药的第1 次起爆和第2次起爆在岩石中形成2 个应力峰值，应力达到峰值后先下降后上升，持续一段时间后再逐渐降低。主要原因为第1 次起爆，由于空孔对应力波的反射，由于反射回的应力波对应力波强度的增强作用，使其重新上升到较高的应力强度，而后逐渐降低。第2次应力峰值是在第2 次起爆后与第1 次起爆残余应力波叠加导致，此时槽腔已经形成，应力波在新自由面处反射，同样增强了应力波强度，持续较长时间后开始衰减。可以看出，由于大空孔的存在为掏槽孔的破岩提供较强的应力波强度及延长了应力波作用时间。可以看出，大空孔直眼掏槽技术中，空孔的自由面效应显著，有利于掏槽区岩石的破碎。

3 大直径空孔直眼掏槽爆破实验

3.1 模型掏槽方案

模型试验一般按照相似比进行确定，本次实验确定几何相似比K=10。为验证空孔直径对爆破振动的影响，选取实际直径为400 mm 和直径42 mm 作为含空孔直眼掏槽的原型方案。实际掏槽方案的技术参数如图4。大空孔直径为400 mm、小空孔直径为42 mm，所有炮孔均垂直于模型表面，即掏槽孔及空孔钻孔角度均为90°。

图4 掏槽炮眼布置图Fig.4 Arrangement of cut blasthole

由于模型炮孔制作特别是装药方面的原因，模型炮眼直径采用8 mm，原型炮眼直径为42 mm，原型炮眼直径与模型炮眼直径比约为5.25，与几何尺寸相似要求有些差别，当炮眼长径比较大（＞10 mm）时，对实验产生的结果影响较小。其他掏槽参数的尺寸按照相似比K 进行等比例缩小。

3.2 模型制作

1）模具的制作。根据试验要求，本实验采用直径800 mm、高300 mm、壁厚为3 mm 无盖有底的铁桶作为实验中盛放水泥砂浆的容器。同时为了确保炮孔位置的准确性，预先制作定位模板装置。模型的掏槽炮眼严格按照图4 的尺寸制作，直眼掏槽空孔直径分别为大空孔直径D=40 mm，小空孔直径d=8 mm，炮孔深度均为150 mm。

2）模型材料。所用的材料为水泥砂浆，其配比为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.45。其中水泥为PO.42.5R 普通硅酸盐水泥，砂子是中砂，水为饮用自来水。浇注过程边浇注边振动，以减少混凝土中的气泡，常温养护28 d。

3.3 装药方式及起爆

为避免炸药集中于炮孔底部，影响爆破模拟效果，设计了一种装药方便的药包，药径为6 mm，外壳为硬质管。药包采用叠氮化铅（RDX）作为起爆药，每只药包200～300 mg，RDX 作为主爆药，药量200 mg。采用MD-2000 多通道脉冲点火器进行同时点火，先引爆起爆药叠氮化铅，由叠氮化铅引爆黑索金，既能确保每个药包都能起爆，又能有足够的爆炸威力。

3.4 实验过程

爆破振动实验采用TC-4850 爆破测振仪、实验开始之前首先测定标准试件的力学参数，水泥砂浆模型物理力学参数见表1。

表1 水泥砂浆模型物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of cement mortar model

实验过程先装药每个炮孔中装入1 个药包，然后用黄土和砂的混合物封实；装药检查无误后，用石膏液把测振仪固定在距离炮孔中心的x、y 方向，距离炮孔中心为350 mm，使y 方向对准炮孔中心。

4 实验结果

4.1 爆破效果

实验后掏槽腔体变化如图5。从图5 可以看出，小直径空孔对模型的破坏范围很大，但是形成的掏槽深度较浅，而大直径空孔掏槽对模型的破坏范围较小，且掏槽深度较深。掏槽腔体深度和破坏范围对比见表2。从表2 可以看出，大直径比小直径破坏范围要小30.8%，而掏槽深度增加20%。

图5 实验后掏槽腔体变化Fig.5 Changes in the cavity after the experiment

4.2 振动速度

大空孔掏槽爆破振动数据见表3。从表3 可以看出，大空孔掏槽爆破x、y、z 方向爆破振动上的最大值为20.5、57.3、46.7 cm/s。最大合速度为76.71 cm/s；小空孔爆破振动数据见表4。从表4 可以看出，小空孔掏槽爆破x、y、z 方向爆破振动上的最大值为29.4、62.1、62.0 cm/s，合速度为92.3 cm/s，合速度比大直径空孔掏槽合振速提高20.6%。所以无论从x、y、z 3 个方向上观测，还是从合速度上分析，小空孔掏槽所产生的爆破振动要比大空孔掏槽要大。