軸向不耦合裝藥爆破應用研究

唐明淵,康 強,余紅兵

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

軸向不耦合裝藥爆破應用研究

唐明淵1,2,康 強1,余紅兵1

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

軸向不耦合裝藥是一種有效的爆破裝藥技術。以往研究顯示,軸向不耦合裝藥在減少炸藥用量同時,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。采用數值模擬及現場試驗,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,并探討了合理參數范圍。該研究結果可以為工程爆破施工提供參考。

間隔裝藥;數值模擬;現場試驗;爆破參數

0 引 言

影響鉆孔裝藥爆破效果的因素眾多,炮孔裝藥結構是影響效果顯著的一項主要因素。鉆孔裝藥在爆破技術發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,而在爆破技術多年的發展了歷程中,工程人員為了適應各種環境與需求又發明了多種鉆孔裝藥方式—一般的連續耦合裝藥、預裂爆破與光面爆破、藥壺爆破等等。通過改變裝藥結構,控制炸藥爆炸瞬間的爆轟壓力,不同的裝藥結構可以形成切縫、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人員發明的一種旨在改善巖土爆破效果、降低爆破成本的技術手法。以往的研究以工程實踐為主,并從實踐中取得了較好的應用反饋。軸向不耦合裝藥結構的參數多于一般的連續耦合裝藥,除炸藥種類、單耗外,還需考慮不耦合的位置、數量及不耦合部位長度與使用的材料。本文結合數值模擬與現場試驗,對軸向不耦合裝藥的應用進行了研究。

1 數值模擬

ANSYS/LS－DYNA數值模擬軟件可以進行有限元分析,廣泛應用于許多領域。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,因此本文選擇采用多物質流固耦合算法(ALE)進行模擬研究,可以避免拉格朗日算法爆炸模擬時網格變形過大的問題。數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及相關狀態方程?EOS_ JWL,各材料參數具體設置見表1～表5。

表1 巖石材料參數

表2 炸藥材料參數

表3 炸藥狀態方程參數

表4 空氣材料參數

表5 空氣狀態方程參數

本文主要對軸向不耦合位置和長度的影響進行研究。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量,范圍為10%、15%、20%、25%、40%、50%六種情況,另外以連續耦合裝藥作為對比。對于分為兩個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。孔口與孔底不耦合區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對比,損傷范圍明顯大于孔口與孔底位置的不耦合裝藥,30%以下時的損傷范圍與連續耦合裝藥的范圍基本相同,只是以紅色表示的過度破壞區域比連續耦合裝藥少。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%比例以下時和連續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,可以發現炮孔的孔頂孔底端部有紅色損傷區域。在大比例不耦合情況下,紅色區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現炮孔中部的損傷加強現象。孔頂與孔底的端部損傷加強和中部不耦合裝藥的中部損傷加強現象,驗證了孔口與孔底空氣層端部應力增強效應與中部不耦合上下段裝藥爆破沖擊波疊加的觀點。

圖2 不同工況損傷范圍

2 現場試驗

在貴州省遵義市郊區某地的場平工程現場開展了不耦合裝藥的現場試驗。該區域巖石為陡傾斜中厚層灰巖、中等程度風化、南北走向,巖石的普氏硬度系數f＝8～10。巖體的節理一定程度發育,經詳細線測量節理間距平均約為30～40cm。

現場試驗每次選擇2排共6孔爆破,每次試驗的臺階高度、炮孔直徑、炮孔孔深、炸藥種類等等參數均與數值模擬相同。數值模擬的5種不耦合位置及6種不耦合比例均在現場試驗中進行了驗證。試驗采用40mm直徑PVC管作為不耦合段的支撐裝置。現場試驗所用炸藥類型為3500m/s爆速的現場混裝銨油炸藥。爆破采用導爆管雷管網路起爆,孔外3段雷管傳爆,孔內采用10段管起爆。

試驗結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。試驗所用的塊度分析軟件為澳大利亞產的爆破爆堆專用的商用圖像分析軟件。根據軟件分析結果,不同工況現場試驗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

現場試驗分析,不耦合段置于中部的效果好,尤其是置于中上部時的效果最好。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,不耦合裝藥爆破效果與連續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 論

(1)當不耦合的位置及比例合理時,軸向不耦合裝藥爆破效果可以接近連續耦合裝藥。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時,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,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,主要從事爆破技術管理工作,Email:602574716＠qq.com。