何 毅 李本奎,2 鄭俊偉 劉曉強(qiáng) 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(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(xiàng)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?；诖耍疚臄M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。

1 預(yù)裂成縫機(jī)理

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(qiáng)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(bǔ)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。

2 模型的建立

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(diǎn)分別與A、B、D 3點(diǎn)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 模擬結(jié)果分析

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(yùn)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(diǎn)和C點(diǎn)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(diǎn)和E點(diǎn)可以看出，E點(diǎn)處的應(yīng)力明顯小于A點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)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(kuò)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(shí)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(jī)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(jì)效益。

4 結(jié) 論

(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(kuò)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(jī)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。

[1] 于亞倫.工程爆破理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[2] 楊仁樹.巖石炮孔定向斷裂控制爆破機(jī)理試驗(yàn)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 李 清,楊仁樹.爆炸載荷裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子及其斷裂行為[J].煤炭學(xué)報，2002,27(3):290-293.

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[6] 李 清,楊仁樹.節(jié)理介質(zhì)中爆炸裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀行為研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,31(3):271-274.

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51274145)；國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)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。