趙建平,楊曉紅,張振洋,戴東波

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.湖南省有色地質(zhì)勘查研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引 言

線型聚能爆破是指將炸藥裝填于帶有楔形金屬藥型罩的線型長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)中,當(dāng)炸藥爆炸時(shí),利用爆轟波及產(chǎn)物在線型聚能槽表面垂直方向形成的聚能射流來(lái)破甲、致裂巖石或切割其它材料的一種爆破技術(shù)。線型聚能爆破技術(shù)由于具有能量密度高、方向性強(qiáng)和操作方便等特點(diǎn),除用于軍事工業(yè)外,還用于石材、礦山、石油勘探致裂巖體形成平整切割面和建(構(gòu))筑物拆除。對(duì)于線型聚能爆破在巖體中的切割效果,有學(xué)者開(kāi)展了一些研究。例如,在大型塊體切割和地坪溝槽等受限條件下,采用聚能預(yù)裂切縫新方法避免巖體欠挖和超挖,以減少鉆眼工作量,降低成本和提高效率[1];上杭縣紫金山金礦露采區(qū)通過(guò)開(kāi)展大孔徑線型聚能預(yù)裂控制爆破試驗(yàn),以提高邊坡邊坡穩(wěn)定性和預(yù)裂面成縫質(zhì)量[2];在煤礦巷道掘進(jìn)中采用雙線型聚能槽裝藥結(jié)構(gòu),提高了光面爆破效果,減少了炮孔數(shù)量33%[3];將研制的雙面切割器用于大連港大窯灣港二期工程邊坡中,使鉆孔量減少50%,保證了工期和降低了造價(jià)[4];文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)比較了“V”型和半圓型2種線型聚能切割器對(duì)鋼板的侵徹效果,并在石灰?guī)r中開(kāi)展了雙向紫銅藥型罩的線型聚能爆破切割試驗(yàn),以致裂巖體。上述巖體中的線型聚能爆破試驗(yàn)和應(yīng)用,對(duì)線型聚能藥包的作用機(jī)理、裝藥設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,然而對(duì)于巖體中線型聚爆破時(shí)在聚能槽方向和其它方向的致裂效果和損傷,鮮有文獻(xiàn)開(kāi)展研究。本文將在巷道巖壁開(kāi)展線型聚能爆破切割試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)布巖體損傷測(cè)試對(duì)線型聚能爆破切割槽方向致裂效果和其它方向的巖體損傷開(kāi)展研究。

1 線型聚能爆破切割巖體機(jī)理

1.1 聚能射流

根據(jù)作用原理的不同,聚能切割裝藥可以分為面對(duì)稱(chēng)聚能裝藥(PSC－Planar Symmetrie Charges)、線型聚能裝藥(LSC－Linear Shaped Charges)和線型彈丸裝藥(LPC－Linear Projeetile Charges)3種[6]。長(zhǎng)條形空穴裝藥中嵌有金屬藥型罩的線型聚能裝藥裝置一端起爆時(shí),爆轟波沿著裝藥長(zhǎng)度方向傳播的同時(shí),金屬罩在滑移爆轟波的驅(qū)動(dòng)下,向中央聚能糟的對(duì)稱(chēng)面運(yùn)動(dòng),并在對(duì)稱(chēng)面發(fā)生碰撞,由于飛出速度相等,藥形對(duì)稱(chēng),爆轟產(chǎn)物主要聚集在聚能槽軸線上,匯聚形成速度很高的金屬射流和速度較低的金屬桿體。線型聚能射流較其它方向具有極高的速度、密度、壓力和能量密度,具有顯著增強(qiáng)的破壞作用。

圖1為曝光時(shí)間為50 ms的400 k V脈沖X光機(jī)攝得的線型聚能裝藥的射流圖[6]。藥型罩內(nèi)壁附近的金屬在垂直對(duì)稱(chēng)平面上形成向著裝藥底部高速運(yùn)動(dòng)的片狀射流的“聚能刀”,罩外壁附近金屬則形成片狀的杵體,在對(duì)稱(chēng)平面上以低得多的速度向同一方向運(yùn)動(dòng),測(cè)得射流頭部速度為3000 m/s,杵體速度為500～1000 m/s[6]。

圖1 線型聚能裝藥的X光照片示意

1.2 線型聚能裝藥對(duì)巖石的切割作用

巖體中的線型聚能裝藥射流作用過(guò)程為：一炮孔中的藥包起爆后,爆轟波沿著藥包底部運(yùn)動(dòng)的同時(shí),滑移爆轟波壓合聚能罩使之向聚能槽對(duì)稱(chēng)面上運(yùn)動(dòng),并在對(duì)稱(chēng)面上發(fā)生碰撞從而產(chǎn)生端部速度達(dá)7～8 km/s的金屬射流,尾部則逐漸降低,至杵體只有0.5～1.0 km/s;二金屬射流作用于巖石,在聚能金屬罩對(duì)稱(chēng)面方向形成一定深度和寬度的切割槽,形成初始裂紋,同時(shí)在炮孔其它方向也有爆炸波的作用,造成炮孔周?chē)煌潭鹊膿p傷;三在爆生氣體的氣楔作用下,使得裂紋擴(kuò)展、貫通,實(shí)現(xiàn)巖體切割和分離。

1.3 影響射流形成的因素

線型聚能裝藥爆炸形成金屬射流切割巖體是髙速瞬間的過(guò)程,聚能藥包形狀、炸藥性能、藥型罩、炸高等參數(shù)對(duì)射流形成過(guò)程和巖體切割性能有重要影響[7]。

(1)藥包形狀常有圓柱形、長(zhǎng)條形和球形等,其中以圓柱形藥包應(yīng)用廣泛。

(2)炸藥性能是影響爆力和猛度的最重要因素,聚能爆破的藥型罩壓合和碰撞速度主要取決于炸藥的爆轟壓力。在巖體開(kāi)挖中,多以乳化炸藥和銨油類(lèi)炸藥為主,通過(guò)選擇合適的炸藥能夠達(dá)到聚能切割巖體效果,并防止其它方向巖體損傷的目的。

(3)藥型罩將爆炸能量轉(zhuǎn)換成金屬金屬射流,以提高聚能藥包的聚能威力。藥型罩的材料、形狀及幾何尺寸對(duì)產(chǎn)生射流參數(shù)有影響。

(4)炸高與炸藥性能、藥包尺寸、藥型罩材質(zhì)、錐角大小均有關(guān)。隨著炸高的增加,可以提高切割深度,但增加到一定值后,射流會(huì)產(chǎn)生徑向分散和擺動(dòng),使切割深度降低。

2 巖體損傷測(cè)試原理

線型聚能爆破在聚能槽方向致裂巖體的同時(shí),在炮孔周?chē)渌较蛞惨饚r體損傷。目前,巖石損傷的檢測(cè)方法分為兩類(lèi)：一是用金相學(xué)方法直接測(cè)量巖石中各種損傷缺陷的直接檢測(cè)法;二是通過(guò)一定的物理假設(shè)建立的巖石宏觀物理量與損傷變量之間關(guān)系的間接檢測(cè)法。間接方法中,用超聲波得的巖體波速變化以定義損傷參量,建立相關(guān)模型研究巖體爆破損傷特性。

聲波波速表示的巖體損傷程度D的表達(dá)式為：

式中,E0為爆破前巖體的彈性模量;E為爆破后巖體的等效彈性模量;v0為爆破前巖體的聲波速度;v為爆破后巖體的聲波速度;η為聲速降低速率。

試驗(yàn)中,布置于巷道側(cè)壁的爆破孔和測(cè)試孔的巖體由于已經(jīng)受到前期巷道掘進(jìn)時(shí)的爆破損傷,為了正確分析線型聚能爆破作用下巖體的損傷程度和損傷范圍,采用損傷增量ΔD評(píng)價(jià)巖體破壞,則：

根據(jù)式(1),線型聚能爆破前初始損傷為：

線型聚能爆破后損傷為：

線型聚能爆破前后損傷增量為：

式中,v0為線型聚能爆破前單孔中聲波速度的最大值;v1為線型聚能爆破前單孔中不同孔深處的聲波速度;v2為線型聚能爆破后單孔中不同孔深處的聲波速度;ΔD表示線型聚能爆破對(duì)巖體造成的損傷。

在實(shí)際工程應(yīng)用方面,以爆前、爆后波速變化率等于10%作為損傷閾值,對(duì)應(yīng)的巖體損傷閾值為Dcri＝0.19,即認(rèn)為D＞Dcri時(shí)達(dá)到破壞狀態(tài),反之認(rèn)為巖體沒(méi)有損傷。參考巖體的損傷閾值確定,巖體介質(zhì)線型聚能爆破爆后損傷增量閾值定義為：

當(dāng)ΔD＞ΔDcri時(shí),線型聚能爆破對(duì)此處巖體達(dá)到破壞狀態(tài),反之認(rèn)為巖體沒(méi)有損傷。

3 巖體中線型聚能切割爆破試驗(yàn)

3.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)

(1)工程地質(zhì)。試驗(yàn)場(chǎng)地位于衡陽(yáng)某礦所屬的采區(qū)四中段。礦區(qū)出露的巖石,主要為礫巖、砂巖和板巖,均為巨厚層狀或塊狀,砂礫巖巖石組成的原生巖石比較堅(jiān)硬,穩(wěn)固性較好,風(fēng)化后多成砂土狀,較為松散,穩(wěn)固性差;原生板巖、角巖組成的巖石致密,不易風(fēng)化,巖石穩(wěn)固性好;花崗斑巖、脈巖巖石致密堅(jiān)硬,穩(wěn)固性好。

礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,對(duì)礦體及圍巖影響較大的因素主要是斷裂構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,節(jié)理裂隙較發(fā)育,F24斷層破碎帶有多期活動(dòng)特征,破碎強(qiáng)烈,角礫膠結(jié)不緊,穩(wěn)固性差;北東向斷裂對(duì)礦體及圍巖的破壞作用極大,特別是次生斷層發(fā)育的地段,礦體及圍巖的穩(wěn)固性極差。

(2)巖石的力學(xué)性質(zhì)。巖石的粘聚力和內(nèi)摩擦角平均值見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)平均值

由表1可知,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值較大,說(shuō)明巖石的脆性性質(zhì)明顯。

3.2 炮孔布置

根據(jù)巖體強(qiáng)度、完整度和巖層走向、傾向,將爆破孔和測(cè)試孔布置于巖體強(qiáng)度和完整性較好的地層中;爆破孔中線型聚能切割管聚能槽方向與巖層走向一致,并在其前方及周?chē)m當(dāng)位置布置測(cè)試孔,以測(cè)試線型聚能爆破效果。

圖2為爆破孔和測(cè)試孔現(xiàn)場(chǎng)布置圖。爆破孔B2和測(cè)試孔B2C1～B2C6均為孔深1.4 m、Φ42 mm的水平孔,布置于通往采場(chǎng)的穿脈巷道左側(cè)巖壁上。

圖2 炮孔現(xiàn)場(chǎng)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)炮孔布置,對(duì)孔位進(jìn)行測(cè)量,以爆破孔B2為極點(diǎn),與水平線逆時(shí)針?lè)较驃A角α為極軸,建立極坐標(biāo)系,對(duì)應(yīng)測(cè)試孔B2C1～B2C6孔位坐標(biāo)見(jiàn)圖3。

圖3 孔位坐標(biāo)(單位：cm,°)

3.3 聚能管制作

試驗(yàn)選用不銹鋼管為聚能管外殼,長(zhǎng)度1.4 m,外徑38 mm,內(nèi)徑37 mm,壁厚0.5 mm;聚能罩采用紫銅板,厚度為1 mm。將紫銅板加工成“V”型后與聚能管開(kāi)口處焊接,聚能錐角為40°,見(jiàn)圖4。

圖4 單向聚能管結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

炸藥采用2＃巖石乳化炸藥藥卷,每卷200 g。裝藥采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),裝藥密度1.2 g/cm3,裝藥長(zhǎng)度1.2 m,裝藥質(zhì)量1436 g。

裝藥完畢后,將線型聚能管置于爆破孔,并使“V”藥型罩開(kāi)口的角平分線方向與巖層走向一致,即保證射流方向與巖層方向一致,以形成裂縫。

堵塞采用巷道鉆孔時(shí)形成的粉末和巷道底泥,堵塞長(zhǎng)度20 cm。起爆采用導(dǎo)爆管雷管瞬時(shí)起爆。

4 巖體致裂效果及損傷范圍確定

4.1 線型聚能爆破致裂效果

聚能爆破致裂后記錄巖體的致裂效果,圖5為聚能爆破致裂效果圖。

聚能爆破后,主要在巖層表面聚能槽開(kāi)口方向的炮孔壁上產(chǎn)生了壓碎性的巖石粉末,并在其前方有裂紋擴(kuò)展。由于聚能炮孔孔徑方向無(wú)自由面,不能提供足夠的補(bǔ)償空間,致使裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度有限;聚能炮孔在孔口軸向方向只有一個(gè)自由面,由于爆破漏斗作用,使得爆破孔口周?chē)鷰r層部分剝離,剝離量有限,但孔口聚能槽對(duì)應(yīng)方向和其后方剝離量大于其它方向。

圖5 聚能爆破致裂效果

4.2 聚能爆破前后巖體損傷

4.2.1 巖體超聲波測(cè)試

線型聚能爆破前后,對(duì)巖體聲波波速進(jìn)行測(cè)試。聲波測(cè)試裝置采用RSM－SY5(T)非金屬聲波檢測(cè)儀,配合“一發(fā)雙收”單孔換能器,進(jìn)行聚能爆破前后的巖石地質(zhì)孔內(nèi)波速測(cè)。從孔底向孔口方向每5 cm測(cè)試1次。

由于聚能爆破作用,致使爆破孔和個(gè)別測(cè)試孔破壞,不能進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)實(shí)測(cè)波速,繪制爆破前、后每組孔的波速隨深度變化的折線圖,如圖6所示。

圖6 同組孔試驗(yàn)前后波速隨孔深變化關(guān)系

由圖6可知：試驗(yàn)前,隨著距離孔口距離增大,巖體波速逐漸增大;同一組測(cè)試孔,不同孔位隨著孔深增大,波速差別很大;試驗(yàn)后,對(duì)應(yīng)孔位處波速較之前保持不變,或有所降低,或降低明顯。

4.2.2 線型聚能爆破前后巖體損傷

根據(jù)式(2)、式(3)和圖6數(shù)據(jù),繪制爆破前后每組孔的損傷隨深度變化折線圖,如圖7所示。

巷道開(kāi)挖時(shí),由于圍巖重分布和爆破作用在巷道徑向的圍巖范圍內(nèi)形成依次形成圍巖松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)和原巖彈性區(qū),且3個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)的聲速分布不同。由圖7(a)可知：B2試驗(yàn)在測(cè)試范圍內(nèi)巖體初始損傷大于初始閾值Dcr＝0.19,即巖體處于破壞狀態(tài),位于巖體松動(dòng)區(qū)。由圖7(b)可知：B2C1～B2C5測(cè)試孔的損傷曲線與初始損傷類(lèi)似,損傷增大,但增幅較小;B2C6測(cè)試孔的損傷曲線顯著大于初始損傷損傷。

圖7 試驗(yàn)前后巖體損傷隨孔深變化關(guān)系

4.3 巖體損傷增量

由損傷增量ΔD可判斷線型聚能爆破對(duì)周?chē)鷰r體的效果和破壞范圍。根據(jù)式(4)和圖7數(shù)據(jù),繪制爆破前后每組孔的損傷增量ΔD隨深度變化折線圖,如圖8所示。

由圖8可知：B2C6測(cè)試孔中損傷增量顯著大于C1－C5測(cè)試孔,表明線型聚能爆破對(duì)切割槽開(kāi)口前方巖體造成致裂破壞,而對(duì)其它方向破壞很小,具有良好的切割效果好,能夠保證按照預(yù)定方向切割巖體。

圖8 試驗(yàn)前后損傷增量隨孔深變化關(guān)系

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的鉆孔爆破法,炸藥爆轟釋放的爆炸沖擊波、應(yīng)力波和爆生氣體膨脹作用于孔壁四周,在炮孔周?chē)目臻g形成壓縮粉碎區(qū)、破裂區(qū)和彈性振動(dòng)遠(yuǎn)區(qū)。若將此法用于巖體壁面切割,將不可避免的在形成切割面的同時(shí),也使得裂紋分布于炮孔四周的巖體中,使巖體質(zhì)量變差。巖體中的線型聚能爆破切割試驗(yàn)、爆后觀察和損傷測(cè)試的研究表明：

(1)巖體線型聚能爆破切割技術(shù)能夠產(chǎn)生金屬射流,射流具有極高的速度、壓力、能量密度和方向性,其作用于聚能槽開(kāi)口方向的巖體,使得巖體定向致裂,聚能槽開(kāi)口之外的巖體損傷很小,保證了切割巖體的塊度大小和完整度,減少了巖體中的裂紋,提高了品質(zhì)。

(2)通過(guò)在測(cè)試孔中開(kāi)展波速測(cè)試,可以準(zhǔn)確判斷出測(cè)試孔周?chē)鷰r體的損傷情況,線型聚能爆破對(duì)切割槽開(kāi)口前方巖體造成致裂破壞,而對(duì)其它方向破壞很小,具有良好的定向切割作用。

(3)試驗(yàn)中采用的炸藥為2＃巖石乳化炸藥,連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),猛度較大,在炸藥種類(lèi)不變的情況在,可調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥密度、裝藥直徑和深度等爆破參數(shù),以適應(yīng)聚能錐角致裂巖體的同時(shí),減少其它方向爆破作用對(duì)巖體的損傷。

(4)受井下試驗(yàn)場(chǎng)地和其它各方面條件限制,僅能夠完成炮孔徑向無(wú)自由面條件的少量線型聚能切割爆破試驗(yàn),對(duì)于成規(guī)模的線型聚能爆破切割試驗(yàn)還需要相應(yīng)礦山企業(yè)的配合,若無(wú)相關(guān)場(chǎng)地和人員配備等各方協(xié)調(diào)支持,試驗(yàn)難度極大。

致謝：感謝中鎢高新礦山共享中心和衡陽(yáng)遠(yuǎn)景鎢業(yè)有限責(zé)任公司給與本試驗(yàn)的大力支持!