定向断裂控制爆破技术研究新动向——已经打印

第21卷 第1期山 西 煤 炭V ol 21 N o 12001年3月SHAN XI COAL M ar.2001

定向断裂控制爆破技术研究新动向

孙仁元

李剑刚 李 义

(太原理工大学)

(晋城煤管局)

(太原理工大学)

摘 要 分析了多种定向断裂控制爆破方法的原理、实质及优缺点,并提出了一种新型定向断裂控制爆破方法,总结了定向断裂控制爆破的共性,指出了此种爆破的优点。

关键词 定向断裂控制爆破;原理;切槽爆破;炮孔水压爆破中图分类号 TD 235 1 文献标识码 A 多年来,光面爆破在井巷施工中发挥了较好作用,取得了良好的经济效益,但是由于技术原理及

操作工艺等多方面因素的影响,单靠光面爆破还不能精确控制周边质量,特别在煤系和软岩地层结构发育条件下,普通光爆无法保证整个周边形成光滑面,因而超挖现象仍很普通,并且钻眼工作量大,影响掘进成本和效率。本文在总结前人研究成果的基础上,分析了各种定向断裂控制爆破的实质和特点,并提出了一种新的定向断裂控制爆破方法。1 定向断裂控制爆破技术

国内外很早就进行了定向断裂控制爆破的研究,目前,我国在断裂控制爆破技术的研究、设计和施工等方面已居世界前列。下面分述各种定向断裂控制爆破新技术。1 1 炮孔切槽爆破

炮孔切槽爆破(如图1)就是在炮孔上按预期开裂的方向刻制一定长度的切槽,然后在槽孔内装药爆破,实现岩石破碎的断裂控制。

此方法的基本特征是通过改变爆炸能量释放的各向均匀性来实现爆炸力相对集中作用。通过用脉冲激光全干涉法对炮孔刻槽进行了模型实验。与普通炮孔的爆破作用相比,切槽孔爆破的干涉条纹有明显不同,整个条纹主形状大致呈椭圆状(普通炮孔呈同心圆状),切槽连线方向即是长轴。说明切槽方向的爆破作用强于其它方向,图2为切槽捣槽

爆孔布置示意图。

1 切槽;

2 炮孔;

3 不耦合装药;

4 要求的爆裂面

图1

切槽爆破孔

1 切槽;

2 不耦合装药;

3 耦合装药;

4 要求的爆裂面图2 切槽捣槽爆孔布置示意图由碳酸脂板拍摄的动光弹照片可看出,普通炮孔的等差线条纹以炮孔为中心呈对称分布,而切槽孔爆破的等差线条纹在切槽两端十分密集,似发射状,条纹级数很高,形成两股半圆形闭和曲线。切槽方向形成了较大的应力集中。切槽尖端的应力集中系数愈大,则愈有利于切槽尖端处径向裂纹的首先开裂,有利于爆破的定向断裂。此方法的优点是可以减少炮孔数量,从而减少打眼长度;缺点是切槽孔爆破受钻具质量和切槽工艺的制约,特别是在深孔施工中难度很大。1 2 聚能装药定向断裂爆破

第一作者:孙仁元,男,1973年生,太原理工大学,在读硕士,030024

收稿日期:2000 07 05

聚能装药(图3)定向爆破是利用聚能穴的聚能作用进行切割爆破。其原理是:药卷爆炸产生的爆轰波到达凹槽时,波头后面的爆炸产物将垂直凹槽表面运动,在槽内互相碰撞,沿对称轴面产生聚合的爆炸产物流(射流),该爆炸产物流比朝其它方向飞散的爆炸产物流具有更高的密度和速度。因此,朝向槽底中间位置,即在对称面附近形成一个具有一定厚度、能量密度极高的能流面。显然,在

这个方向上对障碍物的破坏力极大。

图3 聚能装药结构示意图

在动光弹的模型实验中发现,与聚能穴相对应的方向,条纹十分密集,条纹级数增大,具有明显的定向断裂作用。要形成聚能射流必须采用高爆速炸药。在生产试验中,采用2号岩石铵锑炸药,用铜片做聚能穴,也取得了良好爆破效果,但在爆破后曾发现残余铜片。由于2号岩石炸药爆速低,难以形成金属聚能射流,不能使铜片熔化,但因存在聚能效应和应力集中作用,因而能获得定向断裂效果。此方法的优点是定向准确,爆裂面成型质量好;缺点是对炸药的要求较高,一般采用高爆速炸药。

1 3 切缝药包断裂控制爆破

切缝药包装药结构如4

所示。

图4 切缝药包的装药结构

套管中药卷爆炸后,由于切缝的存在,沿切缝方向的孔壁将直接受到爆炸冲击波的作用,在爆炸的动作用过程中,沿切缝方向孔壁处优先产生预裂隙,爆生气体的静作用使形成的预裂纹优先扩展,从而吸引了其他非切缝方向释放的能量。与光面爆破(特点是降低爆炸的动压对孔壁的作用,主要利用静压成缝)相比,切缝药包爆破不仅利用静压作用,更主要的是通过切缝引导爆炸的动作用对孔壁的定向作用,同时也抑制了动作用对孔壁其它方向作用的影响。

利用激光全息干涉实验系统对切缝药包断裂控制爆破作用进行模拟实验。从典型全息干涉图可发

现,条纹分布大致呈椭圆状,切缝连线方向即是长轴。切缝方向应力波超前传播,形成较强的应力作用。此方法具有定位准确,成型质量好的优点,正在推广使用,但其理论尚不完善,还需进一步研究。

1 4 不耦合装药爆破

不耦合装药就是药柱直径远小于炮孔直径的装药。爆炸应力波作用于孔壁形成预加载裂缝,裂缝形成以后传播的越长越好。如果裂缝是张开的,爆生气体可以挤入其中,压力沿裂缝从孔壁开始至裂端逐渐减小。研究已经表明,耦合装药加载率太高,爆生气体无法挤入裂缝,导致裂缝长度减小。

大的炮孔压力将导致孔壁粉碎产生大量碎粒,使裂缝堵塞。爆炸加载率太高,孔壁近区出现残余压缩压力,从而使径向裂缝闭合。为使裂缝充分延伸,可采用不耦合装药,其目的是利用药柱与炮孔之间的耦合介质起缓冲作用来延长爆炸应力波作用时间,降低峰值压力,减轻爆炸时作用在炮孔壁上的冲击压力,防止产生残余压缩压力。

许多学者研究证明了不耦合系数和耦合介质的改变对爆破作用的效果影响很大。本文主要介绍了空气和水作为耦合介质的两种定向控制爆破方法。1 4 1 空气不耦合装药定向断裂控制爆破

对于以空气为介质的不耦合装药,药包爆炸时,由于空气的可压缩性,爆炸初始阶段爆轰气体的部分能量储存在空气间隙内,使爆炸初始作用得到缓冲。在爆轰的后面阶段,受压空气再释放能量做功。与普通的爆破相比,空气不耦合装药可减少爆炸产生的初始动压力并能延长作用时间。适当调节不耦合系数并调整药柱在炮孔中的位置,可起到定向断裂控制作用。

1 4

2 炮孔水压爆破

理论和实践均已证明,较为合理的装药结构形式是空气不耦合装药和空气垫层装药,然而,在某些钻爆施工中,由于工作面涌水和井壁淋水等原因,炮孔往往充满水,装药爆破不是以空气而是以水为介质传递爆破能量的,因此研究炮孔水压爆破具有重要意义。

炮孔水压爆破又称水介质不耦合装药爆破法,其理论基础是水压爆破理论。70年代末,日本的桥本博等人将城市拆除爆破中的水压爆破经验应用于隧道掘进和石材开采,发明了所谓的ABS 法,如图5所示。这种方法炮眼布置简单,在降低炸药消耗量和减少震动强度方面效果十分显著。其不足

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