劉為洲 楊海濤 張西良 師強(qiáng)強(qiáng)

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

石材切割爆破是通過(guò)爆破方法從原巖中采取初步成型的荒料，但不能因爆破使石材內(nèi)部潛在裂隙的擴(kuò)展而破壞其整體性。采用切割爆破法開采石材，不但可以加快礦山開采速度，而且操作容易、成本低，更便于在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)礦山中推廣應(yīng)用。近年來(lái)，隨著控制爆破技術(shù)的發(fā)展，石材切割爆破技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和完善，許多專家就石材開采方法做了大量研究［1－3］。但是，目前所采用的爆破方法都有一定的局限性，爆破后切割面上仍然會(huì)產(chǎn)生不同程度的爆生裂隙，影響了巖塊的完整性，成荒率仍然較低。因此，為了提高石材的利用率，需要研究出一種荒料率高、成本低且工藝簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用的新的石材切割技術(shù)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素，本研究提出了水介質(zhì)定向切割爆破技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)室有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)證明了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 水介質(zhì)定向切割爆破作用機(jī)理

1.1 水介質(zhì)定向切割爆破裝置

水介質(zhì)爆破技術(shù)是近幾十年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種控制爆破技術(shù)，現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用，是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的爆破方法［4］。水介質(zhì)定向切割爆破技術(shù)是以水介質(zhì)爆破法為基礎(chǔ)，通過(guò)加入定向裝置和特殊的裝藥結(jié)構(gòu)形成的一種新技術(shù)，藥包結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。定向裝置采用大于1的材料制成，寬度是孔徑的0.9～0.95倍，方向?yàn)殂@孔連心線方向，藥包分別放在定向裝置兩側(cè)。

圖1 水介質(zhì)定向切割法藥包結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of charge configuration

1.2 水介質(zhì)定向切割爆破機(jī)理

水介質(zhì)定向切割爆破技術(shù)與其他切割爆破方法最大的不同就是孔內(nèi)安裝的定向裝置，由于定向裝置的存在改變了沖擊波總能量對(duì)孔壁作用初始階段的均衡性。當(dāng)沖擊波傳到不同介質(zhì)分界面時(shí)，均要發(fā)生反射和透射［5］。由于定向裝置具有波阻抗大，縱波速度高的特點(diǎn)。炸藥爆炸后，透射到定向裝置中的沖擊波壓力比水中的大得多，此時(shí)沖擊波能量主要集中于鉆孔連心線方向，并沿定向裝置迅速傳遞至兩端，到達(dá)孔壁后形成切向拉伸應(yīng)力。當(dāng)孔壁處的切向拉伸應(yīng)變超過(guò)石材的動(dòng)抗拉強(qiáng)度時(shí)，孔壁上就會(huì)形成初始定向裂隙。

圖2 鉆孔受力Fig.2 Blasthole stress diagram

初始定向裂隙的形成使鉆孔力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，裂隙處形成明顯的應(yīng)力集中。隨后，主要在兩方面的作用下沿預(yù)定方向失穩(wěn)擴(kuò)展。其一，定向裝置將鉆孔分成2個(gè)半圓區(qū)域，爆炸沖擊波經(jīng)反射疊加后分別向2個(gè)半圓周的孔壁方向傳遞，在孔壁處形成壓力(圖2中P1)的合力是垂直定向裝置方向，使裂隙處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，有利于裂隙擴(kuò)展。其二，隨著裂隙擴(kuò)展，高壓水流沿著裂隙被導(dǎo)入預(yù)定的方向，使裂隙形成強(qiáng)有力的“水楔”［6］(圖2中P2)，當(dāng)裂縫尖端區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌性，巖體沿預(yù)定方向劈裂。高壓水流楔入裂隙時(shí)受到破裂面的摩擦阻力，當(dāng)裂隙尖端區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于巖體動(dòng)態(tài)斷裂韌性，則發(fā)生止裂，若止裂長(zhǎng)度大于2孔之間的距離則裂隙貫通。

在以上條件共同作用下，裂隙最終沿鉆孔連心線方向貫通，形成平整光滑裂縫。

2 水介質(zhì)定向切割爆破試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用有機(jī)玻璃(代號(hào)PMMA)，它是一種透明性好，熱塑性高的均質(zhì)性脆性材料。本次試驗(yàn)采用厚度為70 mm的有機(jī)玻璃模型試塊，單孔模型尺寸為100 mm×100 mm×70 mm，雙孔模型尺寸為120 mm×100 mm×70 mm。單孔模型中心鉆鑿炮孔，孔徑18 mm，孔深70 mm，雙孔模型孔徑18mm，孔深70 mm，孔距50 mm，如圖3所示。模型內(nèi)部無(wú)空隙，介質(zhì)較均勻，模型材料平均密度為1.2 g/cm3;平均抗壓強(qiáng)度為130 MPa。

圖3 有機(jī)玻璃模型Fig.3 Plexiglass supporters

2.2 起爆器材

圖4 模型裝藥Fig.4 Supporter charge configuration

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)單孔爆破試驗(yàn)。在單孔爆破試驗(yàn)主要觀察定向裝置的定向切割效果。

(2)雙孔爆破試驗(yàn)。雙孔試驗(yàn)中主要觀察相同藥量情況下普通水壓爆破和水介質(zhì)定向切割爆破徑向裂隙和孔間裂隙的發(fā)展?fàn)顩r。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

單孔爆破試驗(yàn)效果見圖5。定向性非常明顯，裂縫基本沿著定向裝置方向裂開，徑向裂隙極少，試塊完整性較好。沿對(duì)角線方向放置定向裝置，起爆后模型基本沿對(duì)角線切開，說(shuō)明定向裝置具有良好的定向效果。

圖5 單孔爆破試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Single blasthole blasting test results

雙孔爆破效果見圖6，普通水壓爆破可以使孔間裂隙貫通，但是試塊破碎嚴(yán)重，從表面觀察即可看到爆生裂隙，個(gè)別爆生裂隙較長(zhǎng)，不能形成平整的切割面，徑向裂隙也較發(fā)育，最長(zhǎng)達(dá)3倍孔徑;水介質(zhì)定向切割法爆破后，孔間連線垂直方向的裂隙極少，均在孔半徑范圍內(nèi)，它能完全按照預(yù)定的切割面切割成縫，不受天然節(jié)理和裂隙的影響，切割面平整光滑，無(wú)任何破壞。

圖6 雙孔爆破試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Double blastholes blasting test results

3 結(jié)論

(1)基于石材開采現(xiàn)狀，提出了定向切割爆破技術(shù)。

(2)介紹了定向切割爆破的試驗(yàn)裝置和裝藥特點(diǎn)，并分析了定向切割爆破的機(jī)理:由于定向裝置的存在改變了沖擊波總能量對(duì)孔壁作用初始階段的均衡性，與定向裝置接觸的孔壁首先形成初始定向裂隙。隨后，在爆轟壓力和水楔作用下裂隙沿鉆孔中心連線方向貫通。

(3)進(jìn)行了有機(jī)玻璃試驗(yàn)，結(jié)果表明:定向切割爆破能完全按照預(yù)定的切割面切割成縫，切割面平整光滑，炮孔周圍僅產(chǎn)生為數(shù)不多的短裂隙，切割效果較好。

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