您好,欢迎来到筏尚旅游网。
搜索
您的当前位置:首页炮孔底部空气间隔装药结构爆破理论与模型试验

炮孔底部空气间隔装药结构爆破理论与模型试验

来源:筏尚旅游网
・40・ 露天采矿技术 2011 g-g 1期 炮孔底部空气间隔装药结构爆破理论与模型试验 张志呈 ,熊文 ,吝曼卿 (1.西南科技大学,四川绵阳621000;2.武汉建工股份有限公司,湖北武汉430023) 摘要:从理论和试验角度对轴向不耦合孔底装药结构改善爆破效果进行研究,并介绍了孔底空气间隔 装药结构爆破理论。 关键词:底部间隔装药;轴向不耦合;模型试验 中图分类号:TD 235.1 文献标识码:A 文章编号:1671—9816(2011)01—0040—06 The blasting theory and model experiment ofblast hole bottom air interval charge structure ZHANG Zhi-cheng ,XIONG Wen2,LIN Man-qing’ .School ofEnvironment and Resource,Southwest Umvem ofScience and Technology,Mianyang621010,China;2 Wuhan Construction Engineering(Group)Co.Lid,Wuhan 430023,China) Abstract:The blasting effect of the bottom interval charge of non-coupling axial is researched and the blasting theory of the air interval charge structure in the bottom is described form the point of hteory and model experiments. Key words:bottom interval charge,non-coupling in axial,model experiment 1前言 : 我国露天矿山一直沿用的是连续装药结构。虽 口填塞\ 、 然在露天矿也曾做过中间空气间隔装药结构的试 验,并取得了一定的效果,但由于中间空气间隔装药 破坏区 结构的装药及起爆过程较复杂,故露天矿山仍一直 炸药、 沿用连续装药结构。随着露天矿大型高效设备的应 \ ; 平 用,矿山生产能力的提高和炮孔直径的增大,这种装 __ 药结构日渐显露出诸多弊端。 现在我国露天矿山炮孔直径大部分在250— 310 mm或150~200 mm,台阶高度一般12~15 m \. -__/。 (a)连续装药 较多。装药长度是台阶高度的1/2,有的矿山还达不 倒112m,其中超深部分药量占总药量的30%左右, : 而台阶上部非装药区高度相当于台阶高度的50%一 60o/j2]。这样势必造成炸药重心偏底,炸药过分集中 在炮孑L底部,使炸药在炮孔内分布极不合理,使爆破 整体破碎效果不佳,台阶上部极易产生大块。而下部 岩体由于炸药的相对集中而造成过于粉碎,如图1 (三)所示。 在露天垂直深孔爆破中,为克服台阶底部阻力, \ .—— _一般常用加大炮孔超深、孑L底扩壶、孔底装入高密 度、高威力炸药等方法解决【3]。这又将加剧药柱中心 × 收稿日期:2010-09—10 (b)孔底间隔装药 作者简介:张志呈(1933一),男,四川人,教授,主要从事工程 图1 炮孔底部破坏范围示意图 爆破的瘦论研究。 相对下降,能量下移,底部破坏范围扩大,上部大块 叠重田 露天采矿技术 2011年第1期 ・41・ 岩石增多,并给下一平台的穿孔带来困难,甚至造成 废孔,给矿山生产带来不良影响。 冲量破岩原理:当爆破脉冲压力一定时,作用时 间愈长,爆破脉冲冲量愈大,对矿岩的爆破破碎就越 矿山连续工艺和半连续工艺的应用,迫切需要 有利【3l ”,如图2所示I1Ol。 改进连续装药结构,以改善露天矿山的爆破效果。底 80o 部空气间隔装药结构正是为解决这一问题而提出来 700 的,如图1(b)所示。 600 雪 _一一 50o /’ 2岩石中装药爆破的理论 耋枷 、 / 2.1炸药在岩石中爆炸作用原理 300 l , 嘲 出 量 岩石中炸药爆破时,爆轰波和高温的爆生气体 200 l00 I \ 产物撞击孔壁在炮孔周围岩石中激起径向传播的爆 l:lx刀【tJ 0 炸冲击波。该冲击波具有相当强的冲量和相当高的 l|0 1.5 2.0 2.5 3.0 能量,且峰值压力远高于岩石的动态抗压强度,故受 时间/ms 其冲击压缩作用,岩石极度粉碎而形成炮孔周围的 冲击波传播时冲量的增长 粉碎区;同时,孔壁岩石质点发生径向外移,爆腔扩 大。爆生气体对岩石的损伤断裂作用是爆炸应力作 3炮孔轴向不耦合装药爆破效应 O 用后产生的初始裂隙及损伤场的基础上发生的[41。 炮孔底部空气间隔装药结构,即跑孔轴向不耦 岩石的爆破破坏是爆炸冲击波、应力波和爆生 合装药的一种形式。孔底间隔装药是在药柱下端与 气体共同作用的结果。炸药在岩石中的爆炸效果主 图 2 孔底之间留一段不装药,其上连续装药至充填段的 要与炸药类型、地质条件、装药结构、装药线密度、炮 一种装药结构,如图1(b)所示。 孔参数、岩性等多种因素有关。人们对这些影响因素, 3.1 炮孔底部空气间隔装药结构不耦合系数确定 以及它们之间的相互关系作了较多的分析和研究。 原则 2.2炸药爆破作用的破岩效应 (1)孔底空气间隔装药保留岩体不产生压缩性 2.2.1爆炸作用方式 破坏的原则,即: 炸药爆破作用是以能量的动态或超动态方式加 <, (2) 载的,而矿岩强度是与加载速度有关的,因为岩石的 式中, 一岩石的单轴抗拉强度; 极限破碎强度是随着爆轰压力的加载速度(应变率 一体积应力状态下岩石抗压强度增大系数; 或应变速率)的增加而增加,也就是加载速度越快, —爆生气体作用在孔壁上的初始冲击压力 岩石的破碎愈难 。为此,就必须付出额外能量,以 而产生的径向拉力。 抵偿岩石破碎强度提高所需要的破碎能量【7】。 (2)轴向不耦合系数计算式 2.2.2炸药爆炸冲量的破岩原理 考虑【4】平均爆轰压力Po= ,其中,P和 冲量是冲击波(应力波)压缩相传给岩石的冲 量,也是衡量冲击波破坏作用的主要参数tsl[g]。在许 D分别为炸药密度和爆速。按照(1)式的原则,结合 多情况下,冲击波的效果与压力对时间的积分,或与 公式P= ( ) ( ) 计算得到轴向不耦合系 冲量的关系。按照精确的定义0ol,是力对时间的积 /"K 分,严格说来,冲量为通过单位面的比冲量0o]。在冲 数 击波头到达给定点后的时间t瞬间前,其单位面积 上发出的冲量由下式确定【lo】。 (鲁)『( ) (蠹) (3) ,t 式中,n一压力增大系数。取8~10; ,(t)=I—J p (t) U dt (1) 平均爆轰压力; 式中:卜爆破冲量; 一临界压力; —爆破作用时间; 一等熵指数,取K=3; p., —爆破脉冲初始压力。 r.-绝热指数; ・42・ 露天采矿技术 2011年第1期 在(8)(9)式中, >0时,即底部间隔装药时, El"一体积应力状态下岩石抗压强度增大系数; 一装药直径; db—炮孔直径; Pm( ( JpoD2(12) 一岩石单轴抗压强度。 :o)= Poz厂 (13) 3.2底部空气间隔装药爆破效应 底部空气间隔装药可假设为爆炸性质不变,密 由以上可知,P衄( :A)<Pm( ;0),而t( :^)>t( :0)。 度均匀分布的连续装药。据此假设,应按下公式计算 即底部间隔装药爆破较连续装药爆破降低了爆炸脉 底部空气间隔装药的折算密度【9】。 冲初始压力,如图3【 J所示。延长了爆破作用时间,并 / + )! \ 通过改变 值来调整爆炸脉冲初始压力和爆破作用 P=Po/  时间,从而达到改善破岩质量,加大破岩范围的目的聊。 式中:p一包括空气柱在内的炸药折算密度; p 炸药密度; 一装药长度; £ 一空气柱长度。 爆轰脉冲的初始压力按平均爆轰压力计算: = (毒 ㈥ 式中:忍一按折算密度计算的爆轰压力; ~爆轰产物等熵系数,K=3; lh D~炸药爆速。 图3 不同装药结构的比冲量沿炮眼全长的分布 爆炸脉冲的初始压力按平均爆轰压力计算: 3-3轴向不耦合的爆破模型实验 Pm=1/2- 可(存) ㈦ 3.3.1轴向不耦合装药结构定向卸压实验 ’ 实验用水泥沙浆模型,材料比:水泥:砂:水=1: 式中:Pm一爆炸脉冲初始压力; 2:0.5;模型尺寸:450 mm x 450 mm×480 mm,孔深 由冲量概念得 350 mm,炮孔直径40 mm,养护28 d。 上一——一!——一 模型的物理力学参数:单轴抗压强度l7.8 MPa; 2(K 1+) 1(\+毒)  j poD2抗拉强度1.59 MPa;弹性模量1.61 GPa;泊松比 0.166;密度2.33×103 kg/m3;纵波速度3 275 m/s。 实验采用DH一3842型动态应变仪和ML8020A : P0D (7)、  型智能动态测试仪。药包直径46 l/lln,药包长度20 式中:£一爆破作用时间; mm,孔装药量20 g。对不同空气间隔长度和不同性 卜爆破冲量。 质的间隔材料进行了测试。测试系统如图4所示。实 令, =’ ,即 为间隔值。则 = ( )poD (8) 图4应变测试系统 表1 炮孔底部不同空气间隔应变测试峰值 £: 一 (9) DQ 空气间 堕銮型苎坚篁丝 在(8)(9)式中, =0时,即连续装药结构时【l3】, 隔长度 药包中心 空气间隔中心 模型底部 /ram水平方向垂直方向水平方向垂直方向水平方向垂直方向 ‰一 (10) (11 露天采矿技术 2011年第1期 ・43・ 九6ml5l . 一.… Ii’yyyyl ’… 一一’’’’ 一O.007 04 —0.001 92 O.0o3 2 O.0o8 32 0.013 44 时间/ms 图5(a)空气间隔0 Inln时模型底部应变波形 =1l II 19.957 9.978 7 翌 矗0 、/。『\』…  . -9.978 —19.95 -0.o05 28 一O.o()o 16 0.004 96 0.010 08 0.015 2 时间/ms 图5(c)空气间隔60 mm时模型底部应变波形 验结果见表1和图5所示。 3.3.2轴向不耦合应力峰植与不耦合系数的试验 北京矿冶研究总院程跃达等用水泥沙浆试块进 行炮孔底部空气间隔器,实现轴向空气介质的不耦 合装药试验,试验结果见图6所示[14]。 j粤丑 省 2 3 不耦合系统 不耦合系统 图6应力峰值、正压作用时间与不耦合系数的关系 3.3.3轴向不耦合装药平均块度和不耦合系数的 关系 室内小型实验。由开口铅锌矿和北京矿冶研究总 院【 5】进行的试验,模型材料为河砂和320#水泥,其配 比为水:水泥:砂=0.7:1:4,模型尺寸为400mmx400 mm 4V OV f i^ ll^ 一.…n …… ’ 一2V 一4V 一0.O11 2 —0.000 96 0.009 28 0.019 52 0.029 76 时间/ms 图5(b)空气间隔30 mm时模型底部应变波形 理 -0.016 32一O.006 08 0.004 16 0.014 4 0.024 64 时间/ms 图5(d)空气间隔90 cm时模型底部应变波形 x 400 mm,每个模型装药量为3 g黑索金,一发电磁雷 管,预留炮孔直径8 mln,装药高度5 em,药量3.8 g, 爆后进行块度分析。试验结果见表2,图7所示。 250 g 240 鑫230 蠹22o 210 2oo 不耦合系统 图7平均块度和不耦合系数的关系 表2爆破重量百分比组成 % 匿・44・ 露天采矿技术 2011-q-g 1期5结语 叠盈固 3.4 小 结 从以上试验充分说明,利用轴向空气间隔不耦 合装药可在一定程度降低应力(应变)峰值。即炸药 爆炸空气间隔起了缓冲作用,降低了作用于炮孔岩 壁上的冲击压力峰值(或称爆轰脉冲初始压力)。而 应力波在岩体中衰减传播正是爆破震动形成的主要 能源,因此,在震源处减小能量幅值能够在很大程度 上降低爆破震动强度。现小结如下: 炮孔底部空气间隔装药结构是炮孔轴向间隔不 耦合装药的形式之一。不耦合装药是一般控制爆破 最基本,最重要,最有效的装药结构。目的均为降低 脉冲压力峰值,缩小对炮孔粉碎区的作用范围,减少 爆破能量的浪费。理论分析,模型试验表明,底部间 隔可以降低爆轰压力峰值,改善爆破效果。 (1)当采用孔底轴向间隔不耦合装药,不采用连 续装药。假设炸药性质不变,密度分布均匀,设底部 空气间隔长度为厶,装药长度为 ,并令 = 厶O (1)爆炸瞬间,爆轰气体首先向该空气间隔流 动,并使其在极短的时间内积蓄很大的能量,此时, 空气间隔可以视为一个“再生药包”【 ; (2)当空气间隙爆炸气体填满并开始向介质作 功时,由于药包与“再生药包”的速度场不同,以及起 爆药包的微粒时间作用,使爆炸波在介质中的干扰 作用加强【 ; , 十分明显,当不采用空气间隔装药时(即连续装药 时),厶=0,则 =0;采用空气间隔装药时,Lo>L。, 则 >O;经上述数学推导可得如下结论表达式: Pm(币>o)< (毋:o);t( >0)<t( ;0) (3)降低了爆炸时的初始压力,延长了爆炸产物 在介质内部的作用时间 ; 式中符号意义与前相同。由此可见,空气间隔装 药可降低炸药脉冲初始压力延长爆破作用时间。通 过改变 值来调整脉冲初始压力和爆破作用时间, 从而达到改善爆破效果。 (2)孔底空气间隔装药结构,可延长应力波在岩 石中的作用时间2—5倍[18】。 (4)减少了使周围介质发生过于破碎和产生塑 性变形的能量17]。 这就使得爆炸冲击波,应力波的作用相对减弱, 只在孑L壁产生少量微裂纹,而不产生或产生很小的 粉碎区,而爆生气体作用相对增强,爆生气体迅速膨 胀充满炮孔并以准静压力的形式作用于孔壁,形成 岩石中的准静态应力场【5】,实现爆破。 4炮孑L底部空气间隔装药结构爆破机理 (3)当爆破脉冲压力一定时,作用时间愈长,爆 破脉冲冲量愈大,对矿岩的爆破破碎作用就越强。 (4)通过底部空气间隔装药的机理分析,水泥沙 浆模型试验,从理论与试验角度初步阐明了底部间 隔装药爆破,改善了破碎效果的主要机理。 关于炮孔底部空气间隔装药结构爆破机理,目 前还在探讨中。但降低冲击压力峰值缩减爆破粉碎 初步阐明了底部间隔装药爆破,改善破碎效果 的主要机理:由于冲击波压力波阵面,爆炸产物形成 区域延长了爆破作用时间,提高了能量利用率,加大 了底部破碎范围,改善了底部的破碎质量,达到定向 卸压和降低爆破震动的目的,这些优点是肯定的。 Melnikovo6】指出:空气间隔的存在,提供了一种 产生二次和后续系列加载波的简单易行的途径。该 时产生的压力波阵面,以及来自岩壁反射压力阵面 穿过空气间隔层时速度或距离不同而产生碰撞效 应,激起了二次压力波【l8]。因此,空气间隔是产生二 次应力波的方法。这种由于在介质中产生多次加载, 延长了爆破过程,有利于提高岩石的破碎效果。 参考文献: [1]王承刚,林德余.底部空气垫装药结构对爆破效果影响 理论假设冲击波在孔内反射后产生一个二次应变 波,二次应变波在爆生气体压力作用之前扩展了微 裂隙网。虽然空气间隔装药结构作用在炮孔上的平 均压力底于耦合装药方式,但是由于一系列余波对 岩石的重复加载破裂程度反而提高了。这些系列后 续加载波是由于在带有空气间隔层炮孔里的3个冲 的研究[C].第四届全国岩石破碎学术讨论会论文集,安 徽:中国金属学会采矿学会,1989:531-536. [2]刘振东,高毓山,谭永后.底部间隔装药结构在南芬露天 矿的试验研究[J].矿业快报,2002,(7):13—15. [3]温嘉泉,李耀林,张建国.深孔底部间隔装药爆破及无超 爆破EJ].爆破,1993,(1):35—38. 击波波阵面,即来自于爆炸气体的冲击波波阵面和 在堵头或孑L底反射引起的反射波的波阵面【 "Of 。这 些余波所提供的特殊作用不断扩大,该破坏效果当 然比单一强冲击波对围岩的破坏效果好。 [4]罗勇,崔晓荣.工程爆破中装药不耦合系数的研究[J]. 有色金属,2008,(4):39-43. (下转第钾页) 臣盈固【 4 8 一 1 ・・一 ,£争 露天采矿技术 2011年第1期 f 8煤层 ・47・ 代表性钻孑L岩心统计其岩性成分为:粉砂岩和泥岩 55%;砂岩31%;砾岩7.7%;煤及碳质泥岩6.3%。其 中粗碎屑岩颗粒成分多为石英、长石以及火山岩、凝 煤 组 …. I l 8煤底砂岩层 II一1煤层 II一1煤底砂岩层 II-2煤层 霍 11 --一_…●-_…●・●r■  ==●==—= 灰岩和石英岩、燧石岩岩屑,有时含有较多的内碎屑 煤砾。粗碎屑岩一般分选较差,杂基含量较高,主要 显示近源快速堆积的特点。在粗碎屑岩中常发育大 型交错层理或低角度交错层理及平行层理。细碎屑 岩中各种小型沉积构造发育,以波状层理、透镜状层 理、水平层理多见。生物扰动构造和变形构造也常出 现。在近煤层的粉砂岩、泥岩中常夹有菱铁矿层,多 一__ .・・・‘j 5=’ … -I 林 . 一- - … ・ —l 一■、 一1 煤 …-・_-一一J ■河 组 一一.【 ……,I ●●●~’一一  群 l4 ・_……’●-I  1 l n-2煤底砂岩层 I l4—1煤层 ■ J 、 】 为凸镜状、串珠状及似层状。细碎屑岩中含有较丰富 的植物化石,在煤层底板有时见有根化石和直径几 十厘米的硅化木。 参考文献: [1]李思田.断陷盆地分析与煤聚积规律[M].北京:地质 出版社,1988。 下 ~….量1B’ I 1 4-1煤底砂岩层 Il4。2煤层 煤 —_…・ ●●I J . ●、 含 组 ….●一.-. I— ●一:— I_一.., ・、 …. 1 煤 17 } ; 17-2  ̄岩层 [2]李思田.霍林河煤盆地晚中生代沉积构造史和聚煤特征 [J].地质学报,1982. 煤 ・ ・ ・l 段 组 25 钼 ・ ・ … ・ o l ・l [3]刘玉林.霍林河盆地地质构造规律及其演化研究[D].中 国矿业大学,1997. 一f …f 一 Klh3 煤 。 。/ Klh2 f l 25煤底砂岩层 [4]李思田.中国东北部晚中生代裂陷作用和东北亚断陷盆 地系[C].中国科学(B辑),1987. (上接第44页) [5]张建国,周百川,胡传玲,等.应用底部间隔装药爆破技 术提高石灰石矿块矿率[J].中国矿业,1995,(6):22—24. [6]李云峰.空气间隔装药结构研究及应用[J],轻金属, 1998,(2):3-6. [12 3陈富生.空气间隔装药结构的基本理论和实践[J].冶金 技术,1963,(11):5-11. [13]张志呈.走向断裂控制爆破[M].重庆:重庆出版社, 1979:338-339. . [14 3幸大志,谢圣权,陈寿如.孑L底空气间隔装药改善爆破 震动和效果研究[J].采矿技术,2004,(4):64—66. [15]刘鹏程.地下大直径深孔空气间隔装药结构探讨[J].矿 物研究与开发,1994,4(12):24—28. [7]张天赐,李连进.三种岩石动态性质的初步试验研究[c], 第三届工程爆破学术交流会论文摘要混编,中国力学学 会工程爆破学会,1986:1-9. [8]陶松霖.爆破工程[M].=jE京:冶金工业出版社,1979: 338-339. [16]D.J.Mead,N.T.Moxon,R.E.Dane1.空气间隔装药技术在 爆破技术中的应用[M].北京:冶金工业出版社,1995: 445—45O. [9]王文龙.钻眼爆破[M].北京:煤炭工业出版社,1984: 212-245. [17]朱红兵,卢文波,吴亮.空气间隔装药爆破爆破机理研 信,等.水下爆破[M],北京:国防 究[J].岩土力学,2007,(5):986-990. [18]张凤元.集中药包空气间隔层爆破技术的应用[M].工 程爆破文集,北京:中国地质大学出版社,1997: 476-481. [1O]罗耀杰,韩润泽,官工业出版社,1960:138—140. [11]刘颖歆.空气间隔装药在铜绿山矿深孔爆破中的应用 [J].爆破,1998,(2):55—58.59 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- efsc.cn 版权所有 赣ICP备2024042792号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务