何 毅 李本奎,2 鄭俊偉 劉曉強 張曦呈 苑旭光
(1.山西江陽工程爆破有限公司;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)
某石灰石礦邊坡預(yù)裂爆破技術(shù)研究*
何 毅1李本奎1,2鄭俊偉1劉曉強1張曦呈1苑旭光1
(1.山西江陽工程爆破有限公司;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)
針對某石灰石礦當(dāng)前邊坡維護(hù)施工過程中預(yù)裂孔爆破貫通不良、成縫效果較差、邊坡預(yù)裂面不平整等問題,采用理論研究、數(shù)值模擬計算分析的方法,選用切縫藥包和炮孔徑向掏槽的定向爆破方案,并與原預(yù)裂爆破方案進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明:定向預(yù)裂爆破的聚能效應(yīng)能夠大大增強藥包的破巖能力,可適當(dāng)加大炮孔間距,減少穿孔量,降低施工成本;切縫藥包預(yù)裂爆破可大大促進(jìn)邊坡預(yù)裂縫的貫通,預(yù)裂邊坡成型效果顯著,且施工工藝簡單,提高了經(jīng)濟效益。切縫藥包定向預(yù)裂爆破技術(shù)具有很好的現(xiàn)場指導(dǎo)作用。
切縫藥包 預(yù)裂爆破 數(shù)值模擬 邊坡治理
太鋼盂縣石灰石礦區(qū)礦體賦存于奧陶系中上馬家溝組一段和下馬家溝組地層中,為層狀石灰?guī)r,硬度系數(shù)為6~10。采掘終了工作面采用預(yù)裂爆破方式維護(hù)山體邊坡,不耦合裝藥,該方法在項目施工過程中存在著炸藥單耗較高、預(yù)裂成縫的貫通效果不佳等問題?;诖?,本文擬改變預(yù)裂爆破的施工方法,力求得到較好的預(yù)裂爆破效果,并降低施工成本。
在工程爆破中,人們?nèi)庋鬯芸吹降膬H僅是爆炸的結(jié)果,然而,爆炸過程是一個極其復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程[1-2]。對于露天礦山巖石爆破,炸藥在爆炸過程中,不僅會瞬間產(chǎn)生極為強烈的沖擊波和應(yīng)力波,而且還伴隨著高溫高壓氣體產(chǎn)生,巖石受到急劇高速的沖擊波和應(yīng)力波,導(dǎo)致炮孔內(nèi)壁巖石產(chǎn)生了拉剪破壞,隨著爆轟波能量的減弱,爆炸產(chǎn)生的氣體又彌補了爆轟波的破巖能量,造成巖石的破壞程度沿著原有的裂縫繼續(xù)向外發(fā)展,對已破壞巖石二次破壞。
為了選擇合適的預(yù)裂爆破方法,在裝藥量和不耦合系數(shù)一致的前提下,利用ANSYS/LS-DYNA軟件中的solid164單元建立3種預(yù)裂爆破方案并綜合對比分析,如圖1所示。對原不耦合裝藥模型A處、掏槽尖端B處和切縫藥包切縫處D處的爆炸應(yīng)力進(jìn)行對比分析,同樣把C、E點分別與A、B、D 3點對比,模型四周全部設(shè)置無反射邊界條件。切縫藥包的切縫制作是由硬質(zhì)PVC管沿著直徑方向一切為二,然后用2個半片PVC管包裹乳化炸藥,最后用鎖扣將2片PVC管牢牢鎖緊,便得到了如圖1所示的相當(dāng)于將藥包沿縱向切開2條縫的裝藥方法。爆破參數(shù)見表1。
圖1 3種預(yù)裂爆破方案數(shù)值模型
方案炮孔直徑/mm炸藥直徑/mm不耦合系數(shù)不耦合140801.75孔壁掏槽140801.75切縫藥包140801.75
3.1 不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破的炮孔壁初始應(yīng)力對比
通過對3種預(yù)裂爆破方案模型進(jìn)行初始應(yīng)力賦值,采用等效炸藥爆炸原理分別進(jìn)行爆破過程運算,軟件采集數(shù)據(jù)生成應(yīng)力-時間關(guān)系圖(圖2)。比較A點和C點可以看出,兩者的應(yīng)力大小基本相同,說明在邊坡預(yù)裂爆破不耦合系數(shù)為1.75時,掏槽孔C處的應(yīng)力幾乎沒有變化;比較A點和E點可以看出,E點處的應(yīng)力明顯小于A點處的應(yīng)力,說明在同樣的不耦合系數(shù)1.75時,切縫藥包定向預(yù)裂爆破對非裂縫方向炮孔壁的破壞作用最小;比較A、B、D點可以看出,掏槽炮孔的刻槽尖端B和切縫藥包切縫處D都有明顯的爆轟應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原不耦合裝藥預(yù)裂爆破A點,較高的集中應(yīng)力能有效促進(jìn)裂縫向更遠(yuǎn)處發(fā)展。
圖2 3種方案中不同測點壓力變化
在相同的裝藥量、不耦合裝藥系數(shù)、炮孔參數(shù)條件下,采用切縫藥包和炮孔徑向刻槽2種方案均能在炮孔的某一設(shè)定的徑向切面上產(chǎn)生爆轟應(yīng)力集中效應(yīng),該爆轟應(yīng)力集中值約為3.25 GPa,約為原方案炸藥作用于孔壁的爆轟應(yīng)力值(2.3 GPa)141.3%,說明切縫藥包和炮孔徑向刻槽方案均產(chǎn)生了較大的破巖能量,爆破巖石的松動破碎范圍進(jìn)一步增大,使得爆破巖石中的破碎裂縫向更遠(yuǎn)處發(fā)展;同時,相鄰炮孔之間爆破巖石裂紋均向更遠(yuǎn)處發(fā)展,能夠保證相鄰炮孔產(chǎn)生的裂縫更好地貫通交匯和裂紋疊加,適當(dāng)?shù)丶哟笈诳组g距,相鄰炮孔之間的爆破裂縫仍然可貫通,在相同爆破巖石方量的情況下,加大預(yù)裂炮孔間距,勢必減少炮孔數(shù)量,減少穿孔工程量。因此,通過數(shù)值模擬可知,在相同裝藥量和不耦合系數(shù)情況下,采用定向預(yù)裂爆破方法可大大促進(jìn)邊坡預(yù)裂縫的貫通,預(yù)裂邊坡成型好,并可有效地擴大預(yù)裂炮孔的間距,降低穿孔量,減少施工成本。
僅對比掏槽炮孔預(yù)裂爆破和切縫藥包預(yù)裂爆破可得,兩者最終對邊坡預(yù)裂的貫通效果和降低的勞動、施工成本幾乎持平。在實際施工過程中,預(yù)裂炮孔的掏槽工作量要遠(yuǎn)大于切縫藥包的制作,切槽施工工藝較為復(fù)雜,且目前大多數(shù)礦山使用的潛孔鉆機設(shè)備都不具備專門的切槽鉆具;切縫藥包定向預(yù)裂爆破裝藥及施工工藝簡單,操作難度不高,邊坡預(yù)裂爆破效果也較好,所以切縫藥包邊坡預(yù)裂爆破方案最佳。
3.2 切縫藥包定向預(yù)裂爆破數(shù)值模擬
無論炸藥在何種外界條件的限制下,其爆炸的瞬時性和期間的物理、化學(xué)變化都是一致的[3-4],唯一的區(qū)別在于普通無限制藥包爆炸產(chǎn)生的爆轟應(yīng)力波和高速、高壓、高溫氣體會沿著藥包中心向四面八方發(fā)散[5-6],最終近似地均勻作用在炮孔內(nèi)壁截面上,而切縫藥包爆炸產(chǎn)生的爆轟應(yīng)力波和高速、高溫、高壓氣體會沿著炮孔截面的某一直徑方向瞬間聚能,即切縫會對藥包的爆炸產(chǎn)物產(chǎn)生瞬間的約束導(dǎo)向作用,使得各個預(yù)裂炮孔之間更容易貫通。
按前文所述的切縫藥包預(yù)裂爆破方案模型,模擬等效實際工程中的單孔裝藥量(12.5 kg乳化炸藥)和不耦合系數(shù)(1.75),設(shè)定實際石灰?guī)r硬度參數(shù),賦值初始應(yīng)力,進(jìn)行切縫藥包預(yù)裂爆破方案的模擬計算。結(jié)果見圖3。
圖3 不同時刻預(yù)裂炮孔應(yīng)力分布云圖
從圖3(a)中可以看出,當(dāng)t=6.996 1×10-6s時,預(yù)裂孔的爆轟應(yīng)力波已經(jīng)沖出藥包的切縫口,此時伴隨著能量極高的沖擊波及氣體射流,最大的爆轟應(yīng)力為4.118 GPa,該時刻炮孔內(nèi)存在的一股蓄勢待發(fā)的高能量,炸藥產(chǎn)生的爆轟應(yīng)力還未作用在炮孔內(nèi)壁上,隨著時間的推移,這股較高的爆轟應(yīng)力波將會反復(fù)作用于預(yù)裂縫方向的孔壁,使得炮孔沿著切縫藥包的切縫方向快速發(fā)展裂紋并產(chǎn)生松動破碎。從圖3(b)中可以看到,當(dāng)t=8.496 2×10-6s時,作用于孔壁巖石上的最大爆轟應(yīng)力值為0.012 8 GPa,說明在(6.996 1~8.496 2)×10-6s時間內(nèi),爆轟波已作用于炮孔內(nèi)壁,高能的沖擊波和氣體射流已沖擊預(yù)裂縫方向的孔壁。從圖3(c)中可以看到,在(8.496 2~11.499)×10-6s極短的時間內(nèi),藥包切縫對應(yīng)的炮孔壁上形成了蓄勢待發(fā)的較高應(yīng)力集中現(xiàn)象,此時切縫方向上的預(yù)裂孔壁和非切縫方向上的預(yù)裂孔壁之間形成了極強的剪切應(yīng)力差,藥包切縫方向上的孔壁形成預(yù)裂縫,并持續(xù)向更遠(yuǎn)處發(fā)育,相鄰炮孔間的爆破裂紋相互貫通,直到爆轟應(yīng)力波衰減到一定臨界值時,預(yù)裂縫停止發(fā)展。
通過對切縫藥包預(yù)裂爆破方案的數(shù)值模擬計算分析可知,在切縫藥包產(chǎn)生的集中應(yīng)力作用下,各個炮孔均能沿著切縫方向產(chǎn)生裂紋并較好地貫通,每個切縫藥包切縫方向一致且平行于礦山邊坡面,形成較為規(guī)整光滑的自由面;同時可適當(dāng)增大預(yù)裂炮孔的間距,減少穿孔量,提高經(jīng)濟效益。
(1)在相同裝藥量、不耦合系數(shù)、炮孔參數(shù)情況下,采用定向預(yù)裂爆破方法可大大促進(jìn)邊坡預(yù)裂縫的貫通,預(yù)裂邊坡成型顯著,同時可有效地擴大預(yù)裂炮孔的間距,降低穿孔量,減少施工成本。
(2)相對于炮孔掏槽預(yù)裂爆破的復(fù)雜施工工藝和鉆孔機械的切槽設(shè)備不完善,切縫藥包定向預(yù)裂爆破裝藥及施工工藝簡單,操作難度較低,邊坡預(yù)裂爆破效果較好,因此,在邊坡預(yù)裂爆破設(shè)計和施工中,切縫藥包邊坡預(yù)裂爆破為最佳方案。
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*國家自然科學(xué)基金項目(編號:51274145);國家重點實驗室開放基金項目(編號:SKLGDUEK1311)。
2016-07-26)
何 毅(1968—),男,總經(jīng)理,高級工程師,030041 山西省太原市尖草坪區(qū)西留路18號。