唐明淵,康 強(qiáng),余紅兵

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司, 貴州貴陽 550002; 2.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司, 貴州貴陽 550025)

軸向不耦合裝藥爆破應(yīng)用研究

唐明淵1,2,康 強(qiáng)1,余紅兵1

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司, 貴州貴陽 550002; 2.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司, 貴州貴陽 550025)

軸向不耦合裝藥是一種有效的爆破裝藥技術(shù)。以往研究顯示,軸向不耦合裝藥在減少炸藥用量同時(shí),能夠改善爆破效果。為了取得良好效果,軸向不耦合裝藥必須采用適合的爆破參數(shù)。采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn),研究了軸向不耦合裝藥的間隔位置及間隔長度對爆破效果的影響,并探討了合理參數(shù)范圍。該研究結(jié)果可以為工程爆破施工提供參考。

間隔裝藥;數(shù)值模擬;現(xiàn)場試驗(yàn);爆破參數(shù)

0 引 言

影響鉆孔裝藥爆破效果的因素眾多,炮孔裝藥結(jié)構(gòu)是影響效果顯著的一項(xiàng)主要因素。鉆孔裝藥在爆破技術(shù)發(fā)展歷史中最終取代了裸露藥包爆破,其原因就在于對炸藥爆炸能量的充分利用,而在爆破技術(shù)多年的發(fā)展了歷程中,工程人員為了適應(yīng)各種環(huán)境與需求又發(fā)明了多種鉆孔裝藥方式—一般的連續(xù)耦合裝藥、預(yù)裂爆破與光面爆破、藥壺爆破等等。通過改變裝藥結(jié)構(gòu),控制炸藥爆炸瞬間的爆轟壓力,不同的裝藥結(jié)構(gòu)可以形成切縫、破碎、拋擲等差別極大的爆破效果。軸向不耦合裝藥是工程技術(shù)人員發(fā)明的一種旨在改善巖土爆破效果、降低爆破成本的技術(shù)手法。以往的研究以工程實(shí)踐為主,并從實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用反饋。軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的參數(shù)多于一般的連續(xù)耦合裝藥,除炸藥種類、單耗外,還需考慮不耦合的位置、數(shù)量及不耦合部位長度與使用的材料。本文結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn),對軸向不耦合裝藥的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 數(shù)值模擬

ANSYS/LS－DYNA數(shù)值模擬軟件可以進(jìn)行有限元分析,廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。該軟件對爆破模擬提供了多種模擬手法。由于不耦合裝藥涉及到空氣在爆轟過程中對巖體的作用,需要考慮氣體作用于巖體的效應(yīng),因此本文選擇采用多物質(zhì)流固耦合算法(ALE)進(jìn)行模擬研究,可以避免拉格朗日算法爆炸模擬時(shí)網(wǎng)格變形過大的問題。數(shù)值模擬模型選擇建立單炮孔中深孔模型,炮孔孔徑90mm,孔深9m,臺階高度為8m,堵塞長度3m,反向起爆。圖1為模型示意圖,模型中AB、BC、CD面為自由面,正面為對稱面,其余各面均施加無反射邊界模擬無限域。

圖1 典型模型(單位:m)

模型中巖石采用動力塑性材料?MAT_PLASTIC_KINEMATIC,炸藥采用材料?MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN及相關(guān)狀態(tài)方程?EOS_ JWL,各材料參數(shù)具體設(shè)置見表1～表5。

表1 巖石材料參數(shù)

表2 炸藥材料參數(shù)

表3 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

表4 空氣材料參數(shù)

表5 空氣狀態(tài)方程參數(shù)

本文主要對軸向不耦合位置和長度的影響進(jìn)行研究。不耦合的位置分五種:頂部、底部、中上部、正中部、中下部。不耦合長度以不耦合長度與不耦合及裝藥段長度之和的比例計(jì)量,范圍為10%、15%、20%、25%、40%、50%六種情況,另外以連續(xù)耦合裝藥作為對比。對于分為兩個(gè)裝藥段的中部不耦合情況,上下兩段裝藥均為反向起爆。

軸向不耦合爆破的模擬效果見圖2,圖2中顯示了不同工況下的巖體損傷范圍,隨著顏色由紅色到綠色的漸變,損傷程度逐漸降低。

對比不同軸向不耦合位置及長度的損傷效果,可以得到以下結(jié)論:

(1)不耦合長度對于爆破效果的影響極為顯著。不耦合段周邊的損傷明顯低于裝藥段的損傷情況?？卓谂c孔底不耦合區(qū)域巖體破碎效果受到的影響非常顯著,孔口和孔底的巖體隨著不耦合長度的增大損傷范圍逐漸縮小,40%、50%的不耦合長度比例下甚至沒有損傷。這表示孔口、孔底的巖體基本沒有破碎,形成了大塊巖石與大片根底。

(2)不耦合段位于中部的3種情況,在相同不耦合比例橫向?qū)Ρ?損傷范圍明顯大于孔口與孔底位置的不耦合裝藥,30%以下時(shí)的損傷范圍與連續(xù)耦合裝藥的范圍基本相同,只是以紅色表示的過度破壞區(qū)域比連續(xù)耦合裝藥少。這些情況表明不耦合位置置于中部比孔口或孔底的效果要好,而且爆破效果在30%比例以下時(shí)和連續(xù)耦合裝藥爆破的效果接近。

(3)孔口與孔底位置不耦合裝藥情況下,可以發(fā)現(xiàn)炮孔的孔頂孔底端部有紅色損傷區(qū)域。在大比例不耦合情況下,紅色區(qū)域周邊甚至完全沒有損傷。中部不耦合裝藥的三種情況可以發(fā)現(xiàn)炮孔中部的損傷加強(qiáng)現(xiàn)象?？醉斉c孔底的端部損傷加強(qiáng)和中部不耦合裝藥的中部損傷加強(qiáng)現(xiàn)象,驗(yàn)證了孔口與孔底空氣層端部應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)與中部不耦合上下段裝藥爆破沖擊波疊加的觀點(diǎn)。

圖2 不同工況損傷范圍

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

在貴州省遵義市郊區(qū)某地的場平工程現(xiàn)場開展了不耦合裝藥的現(xiàn)場試驗(yàn)。該區(qū)域巖石為陡傾斜中厚層灰?guī)r、中等程度風(fēng)化、南北走向,巖石的普氏硬度系數(shù)f＝8～10。巖體的節(jié)理一定程度發(fā)育,經(jīng)詳細(xì)線測量節(jié)理間距平均約為30～40cm。

現(xiàn)場試驗(yàn)每次選擇2排共6孔爆破,每次試驗(yàn)的臺階高度、炮孔直徑、炮孔孔深、炸藥種類等等參數(shù)均與數(shù)值模擬相同。數(shù)值模擬的5種不耦合位置及6種不耦合比例均在現(xiàn)場試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)采用40mm直徑PVC管作為不耦合段的支撐裝置?，F(xiàn)場試驗(yàn)所用炸藥類型為3500m/s爆速的現(xiàn)場混裝銨油炸藥。爆破采用導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)路起爆,孔外3段雷管傳爆,孔內(nèi)采用10段管起爆。

試驗(yàn)結(jié)果主要對比爆后大塊率及平均塊度,此處大塊是指1m以上巖塊。試驗(yàn)所用的塊度分析軟件為澳大利亞產(chǎn)的爆破爆堆專用的商用圖像分析軟件。根據(jù)軟件分析結(jié)果,不同工況現(xiàn)場試驗(yàn)的爆破塊度分布效果見圖3、表6及表7。

圖3 不同間隔位置與間隔比例的平均塊度對比

表6 不同間隔位置及比例大塊率

現(xiàn)場試驗(yàn)分析,不耦合段置于中部的效果好,尤其是置于中上部時(shí)的效果最好。效果最差的是不耦合裝藥置于孔底的情況。各種工況下,不耦合比例超過30%后,大塊率和平均塊度均有顯著增大。不耦合比例較小時(shí),不耦合裝藥爆破效果與連續(xù)耦合裝藥爆破效果接近。

表7 不同空氣層位置各間隔比例平均塊度

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)不耦合的位置及比例合理時(shí),軸向不耦合裝藥爆破效果可以接近連續(xù)耦合裝藥。不耦合長度超過一定比例后,爆破效果顯著變差,尤其孔頂和孔底爆破大塊和根底會大幅增加。

(2)不耦合比例相同且在臨界范圍以內(nèi)時(shí),總體上中部不耦合的效果最好。

(3)不耦合比例建議控制在30%以內(nèi),效果較好。

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2017-04-10)

唐明淵(1970－),男,貴州長順人,高級工程師,主要從事爆破技術(shù)管理工作,Email:602574716＠qq.com。