水介質定向切割爆破技術的試驗研究

劉為洲 楊海濤 張西良 師強強

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

石材切割爆破是通過爆破方法從原巖中采取初步成型的荒料，但不能因爆破使石材內部潛在裂隙的擴展而破壞其整體性。采用切割爆破法開采石材，不但可以加快礦山開采速度，而且操作容易、成本低，更便于在鄉鎮企業礦山中推廣應用。近年來，隨著控制爆破技術的發展，石材切割爆破技術也在不斷地改進和完善，許多專家就石材開采方法做了大量研究［1－3］。但是，目前所采用的爆破方法都有一定的局限性，爆破后切割面上仍然會產生不同程度的爆生裂隙，影響了巖塊的完整性，成荒率仍然較低。因此，為了提高石材的利用率，需要研究出一種荒料率高、成本低且工藝簡單，易于推廣應用的新的石材切割技術。綜合考慮經濟、技術等因素，本研究提出了水介質定向切割爆破技術，并通過試驗室有機玻璃模型試驗證明了該技術的優勢。

1 水介質定向切割爆破作用機理

1.1 水介質定向切割爆破裝置

水介質爆破技術是近幾十年來逐漸發展起來的一種控制爆破技術，現已得到了廣泛的應用，是一種既經濟又安全的爆破方法［4］。水介質定向切割爆破技術是以水介質爆破法為基礎，通過加入定向裝置和特殊的裝藥結構形成的一種新技術，藥包結構示意圖見圖1。定向裝置采用大于1的材料制成，寬度是孔徑的0.9～0.95倍，方向為鉆孔連心線方向，藥包分別放在定向裝置兩側。

圖1 水介質定向切割法藥包結構Fig.1 Diagram of charge configuration

1.2 水介質定向切割爆破機理

水介質定向切割爆破技術與其他切割爆破方法最大的不同就是孔內安裝的定向裝置，由于定向裝置的存在改變了沖擊波總能量對孔壁作用初始階段的均衡性。當沖擊波傳到不同介質分界面時，均要發生反射和透射［5］。由于定向裝置具有波阻抗大，縱波速度高的特點。炸藥爆炸后，透射到定向裝置中的沖擊波壓力比水中的大得多，此時沖擊波能量主要集中于鉆孔連心線方向，并沿定向裝置迅速傳遞至兩端，到達孔壁后形成切向拉伸應力。當孔壁處的切向拉伸應變超過石材的動抗拉強度時，孔壁上就會形成初始定向裂隙。

圖2 鉆孔受力Fig.2 Blasthole stress diagram

初始定向裂隙的形成使鉆孔力學結構發生了很大的變化，裂隙處形成明顯的應力集中。隨后，主要在兩方面的作用下沿預定方向失穩擴展。其一，定向裝置將鉆孔分成2個半圓區域，爆炸沖擊波經反射疊加后分別向2個半圓周的孔壁方向傳遞，在孔壁處形成壓力(圖2中P1)的合力是垂直定向裝置方向，使裂隙處產生較大的拉應力，有利于裂隙擴展。其二，隨著裂隙擴展，高壓水流沿著裂隙被導入預定的方向，使裂隙形成強有力的“水楔”［6］(圖2中P2)，當裂縫尖端區域內的應力強度因子大于巖石的動態斷裂韌性，巖體沿預定方向劈裂。高壓水流楔入裂隙時受到破裂面的摩擦阻力，當裂隙尖端區域內的應力強度因子小于巖體動態斷裂韌性，則發生止裂，若止裂長度大于2孔之間的距離則裂隙貫通。

在以上條件共同作用下，裂隙最終沿鉆孔連心線方向貫通，形成平整光滑裂縫。

2 水介質定向切割爆破試驗

2.1 試驗模型

試驗模型選用有機玻璃(代號PMMA)，它是一種透明性好，熱塑性高的均質性脆性材料。本次試驗采用厚度為70 mm的有機玻璃模型試塊，單孔模型尺寸為100 mm×100 mm×70 mm，雙孔模型尺寸為120 mm×100 mm×70 mm。單孔模型中心鉆鑿炮孔，孔徑18 mm，孔深70 mm，雙孔模型孔徑18mm，孔深70 mm，孔距50 mm，如圖3所示。模型內部無空隙，介質較均勻，模型材料平均密度為1.2 g/cm3;平均抗壓強度為130 MPa。

圖3 有機玻璃模型Fig.3 Plexiglass supporters

2.2 起爆器材

圖4 模型裝藥Fig.4 Supporter charge configuration

2.3 試驗內容

(1)單孔爆破試驗。在單孔爆破試驗主要觀察定向裝置的定向切割效果。

(2)雙孔爆破試驗。雙孔試驗中主要觀察相同藥量情況下普通水壓爆破和水介質定向切割爆破徑向裂隙和孔間裂隙的發展狀況。

2.4 試驗結果分析

單孔爆破試驗效果見圖5。定向性非常明顯，裂縫基本沿著定向裝置方向裂開，徑向裂隙極少，試塊完整性較好。沿對角線方向放置定向裝置，起爆后模型基本沿對角線切開，說明定向裝置具有良好的定向效果。

圖5 單孔爆破試驗結果Fig.5 Single blasthole blasting test results

雙孔爆破效果見圖6，普通水壓爆破可以使孔間裂隙貫通，但是試塊破碎嚴重，從表面觀察即可看到爆生裂隙，個別爆生裂隙較長，不能形成平整的切割面，徑向裂隙也較發育，最長達3倍孔徑;水介質定向切割法爆破后，孔間連線垂直方向的裂隙極少，均在孔半徑范圍內，它能完全按照預定的切割面切割成縫，不受天然節理和裂隙的影響，切割面平整光滑，無任何破壞。

圖6 雙孔爆破試驗結果Fig.6 Double blastholes blasting test results

3 結論

(1)基于石材開采現狀，提出了定向切割爆破技術。

(2)介紹了定向切割爆破的試驗裝置和裝藥特點，并分析了定向切割爆破的機理:由于定向裝置的存在改變了沖擊波總能量對孔壁作用初始階段的均衡性，與定向裝置接觸的孔壁首先形成初始定向裂隙。隨后，在爆轟壓力和水楔作用下裂隙沿鉆孔中心連線方向貫通。

(3)進行了有機玻璃試驗，結果表明:定向切割爆破能完全按照預定的切割面切割成縫，切割面平整光滑，炮孔周圍僅產生為數不多的短裂隙，切割效果較好。

［1］ 解文彬，周 翔.切槽爆破技術在漢白玉石材開采中的應用研究［J］.爆破，2007，24(2):45－48.

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［5］ 劉為洲，等.水介質定向切割爆破技術［R］.馬鞍山:馬鞍山礦山研究院，1986.

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［6］ 汪旭光.爆破設計與施工［M］.北京:冶金工業出版社，2014.

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