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工程爆破杂志在线阅读
微风化花岗岩多向聚能爆破破岩试验研究
刘敦文、蔡才武、唐宇杨、学成
---文章选自工程爆破杂志
（1. 中南大学资源与安全工程学院,长沙 410083；
（2. 上海隧道工程有限公司,上海 200082
摘要：为解决常规装药爆破能量利用率低的问题,设计了一种可以改变能量分配的新型多向聚能管药柱。以某高速公路岩质边坡为对象,通过 3组现场爆被试脸,获得了多向聚能爆破和常规爆破下微风化花岗岩的裂纹分布、残孔特征以及炸药单耗等参数,对比分析了两种爆破工艺的爆破效果及破岩规律。结果表明,新型多向聚能爆波葯柱能在指定方向上产生定向裂纹,增大岩石致裂范围。提高炸药能量在岩石破裂上的分配比例，相比常规爆破,多向聚能爆破炮孔利用率提高了18％,炸药单耗降低了32.5％,岩渣平均块度增大了 28％,粉碎区的范围缩小了 25.1％,宏观致裂范围扩大了 33.3％,证明了多向聚能爆破在破岩效率上要优于常规爆破。
关键词：多向聚能爆破:对比试验:裂纹分布:破岩机理:能量分配
中图分类号：U455.6 文献标志码：A doi： 10.3969/j.issn. 1006-7051.2020.02.002
Experimental study on rock breaking by multi-direction cumulative
blasting of slightly weathered granite
Lu Dun-wen'， CAI Cal-wu', TANG Yu', YANG Xue-cheng'
(1. School of Resources and Scfety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltdl.,Shanghai 200082, China)
Abstract: A new type of multi-directional cumulative blasting that changed the energy distribution was designed to solve the problem of low energy utilization of conventional charge blasting. Taking a rock slope of a highway as an object, through three groups of blasting field experiments which were carried out in a rock slope, the parameters such as crack distribution, residual hole characteristics and explosive unit consumption of slightly weathered granite under multi-directional cumulative blasting and conventional blasting were obtained and the blasting effects and the rock breaking laws of the two blasting methods were compared and analyzed. The results show that the new multidirectional cumulative produced directional cracks in specified direction, increasing the range of rock fracture and the distribution of explosive energy in rock fracture. Compared with the conventional blasting, the results show that the new multi-directional cumulative blasting increase 18% the utilization rate of blast hole, reduce 32. 5% the unit consumption of explosive, increase 28% the average block size of rock slag, reduce 25. 1% the scope of crushing area and expand 33. 3% the scope of macro cracking in the crack area, which prove that the mult-directional cumulative blasting is more efficient than conventional blasting,
Key words: multi-direction cumnulative blasting; comparative test; crack distribution; rock-breaking mechanism;energy distribution
爆破作为目前主要的高效破岩方式,广泛应用于各项岩体工程开挖中。尽管爆炸释放的大量能量可以有效完成破岩工作,但是如何高效利用爆炸产生的能量始终是困扰工程界的难题。如何采取合理方式将爆炸能量在致裂作用和粉碎作用时进行分配,需要视具体工程而定。如:地下采矿工程中,需要保证破碎块度,满足出矿要求,希望尽可能将爆炸能量用于岩石的破碎与抛掷;而在巷道掘进时,只要将岩体破碎到满足就地装载出渣即可,过度破碎带来的大量能量损耗,降低了破岩效率。因此,爆炸产生的能量利用情况直接影响着施工效率和成本,在爆破过程中,有必要对其能量进行合理分配和控制。
爆炸能量分配直接影响爆破效果,各国专家对此开展了大量研究。Brinkman J R.中利用炮孔套管法将冲击波和爆炸产物的作用分离,得出爆炸总能量的 10％～20％可转化为冲击波有效破岩,50％～60％的能量转化为爆生气体膨胀做功辅助破岩,其余能量则转化为内能或动能间接损失掉。宗琦~对岩石耦合柱状装药爆破的研究结果也得到了相似结论,爆腔扩展过程中的能量消耗占炸药爆炸总能量的 10％左右。OuchterlonyFinn等『系统性地测试了爆破时的能量损耗,得出岩体过度破碎能量的损失占 20％～40％,抛掷动能占 10％~20%,地震能占 5％~10%,破碎能占0.1%～0.2％。吴亮等"通过对同种炸药在不同岩性中耦合装药的爆破能量分布计算,得出埋深在临界深度以下时,爆炸冲击波作功能量约占爆炸总能量的 40％,剩余爆生气体能量中用于扩腔和扩展主要裂隙的能量约占总能量的 23％,剩余大约 37％的能量基本损失掉了。谢和平等]在研究煤体爆炸破裂时发现,裂隙扩展伴随着断裂面的增加,导致应力波能量转化为破岩区形成新表面所需的表面能,能量产生耗散。以上研究表明,由于爆破过程本身的特性,在爆破作业中,有较多的爆破能量损耗在了岩体的粉碎和过度破坏上,使远离爆源区的岩石致裂效果降低,这对于破碎程度需求不高的开挖工程来说,爆炸能量只有少部分用于有效破岩,能量利用率低。
针对爆炸能量利用率低的问题,在各项能量消耗理论计算的研究基础上,开展了大量工程实践应用。其中,通过改变装药结构实现定向断裂爆炸能量控制技术,如切缝药包装药破岩”,双聚能光面爆破技术”得到了广泛应用,并且在开挖轮廓面的成型控制中,取得了较好的破岩效果和经济效益。但是要实现对炸药能量分配的完全控制,仍然具有很大的难度。因此,多向聚能爆破作为一种新的破岩思路在此时被提出,并有部分研究者进行了一些初步的探索工作。罗文提出一种利用深孔切槽和多向聚能药柱爆破技术来提高爆破块石料获得率的设想;任广学等『进行了多向聚能爆破与常规爆破的爆破漏斗体积对比试验,结果表明多向聚能爆破提高了炸药利用率;周巍炜[0]在某矿运巷道开挖工作面上采用多向聚能爆破技术掘进,提高了进尺和巷道断面精度。以上研究在多向聚能爆破破岩方面取得了一定进展,积累了研究经验,但对于多向聚能装置的能量利用效率,爆破裂纹控制及扩展规律的研究,仍需更多细致的工作予以丰富和补充。
综上所述,为了进一步研究多向聚能爆破作用下的岩石裂纹扩展特征和破坏规律,获得更多的聚能爆破参数,基于聚能爆破破岩理论,结合装药结构对爆炸能量分配的影响,提出了一种带有多向聚能槽的装药结构。在现场试验的基础上，结合微风化花岗岩的爆破裂纹分布情况和爆破效果,分析该多向聚能装药爆破能量的控制作用,通过对比多向聚能爆破与常规爆破在破岩方面的优劣,为爆破工程高效破岩提供参考。
1 多向聚能爆破基本理论
1.1 多向聚能爆破破岩特征
聚能爆破是利用一定的装药结构设计出特定的聚能药包对爆破介质实现定向致裂",该方法的特点。
具有能量集中、方向性强、穿透力大、能量密度高以花岗岩爆破试验为例,分析带“V”形槽的多向聚能装药爆破破岩机理。多向聚能药柱在炮孔引爆后,爆炸冲击波首先在聚能槽方向卸载。
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