深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究

第 29 卷
第2 期
张西良， 崔正荣
深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究
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［4 ］ Pb ， 炮孔压力与绝热压力有关 。 由于水在高冲击
τ rθ = τ θψ = τ rψ = 0 式中： τ = t － u r （ r ， τ） r ， v （ τ） = 。 Cp 0 τ
（ 5）
载荷下的非弹性特征及水质点间的能量损耗的特 性， 在炮孔水到炮孔壁之间将出现一个衰减的波阵 面， 炮孔中水中波阵面压力随距离的衰减为 r －0． 56 P （ r） = P' w × （ r） －0． 56 = P' w × 0 = b － 0 ． 56 r0 P' w × （ 1） 1 ． 2247 b c r r = ； r 为至爆心距离， m； b 为 式中： r 为比爆心距， b m。 炸药半径，
深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究
张西良， 崔正荣
（ 中钢集团 马鞍山矿山研究院有限公司 ， 马鞍山 243000 ） 摘 要： 水介质预裂爆破时水中的冲击波可认为是炸药中爆轰波的透射波 ， 采用等效球药包叠加理论来求
解水介质预裂爆破柱状装药的应力波参数 ， 炸药爆炸时在岩体内某一点产生的应力值可由所分解成的多个 扩展、 止裂 3 个阶段， 是 单元球药包产生的各应力分量叠加求得 。水介质预裂爆破预裂缝的形成经历开裂 、 应力波和水介质准静态压力联合作用的结果 。 关键词： 水介质； 预裂爆破； 成缝机理 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 487X（ 2012 ） 02 － 0022 － 04 中图分类号： TD235． 371
首钢水厂铁矿东帮岩石的强度低， 如混合花岗 岩 f = 5 ～ 6， 节理裂隙较多， 大部分为含水岩层， 属于 多裂隙软岩和破碎型岩体。之前东帮的预裂和缓冲 爆破大部分都没有形成完整的预裂面； 在台阶坡面 上也很少见到完整的半壁孔痕； 超、 欠挖现象严重， 伞岩和根底也较多。在首钢水厂铁矿东帮的 2 种主 要靠帮岩性 （ 混合岩和片麻岩 ） 中分别进行了水介 质预裂爆破， 其参数见表 1 。
收稿日期：2012 － 02 － 08 作者简介：张西良（ 1981 － ） ， 男， 硕士研究生、 工程师， 从事采矿及爆 （ Email） mimrzhangxl@ 163． com。 破工程设计研究 ，
P w 的关系由阻抗失配方程给出［2-3］。 而当炮孔与炸 药之间存 在 环 状 空 间 的 时 候， 就应采用炮孔压力
The shock wave in watermedium presplitting blast can be considered to transmission wave of detona-
tion wave． Homotactic blasting ball superposition theory was used to solve shock wave parameter of cylindrical blasting cartridge in watermedium presplitting blast． The magnitude of stress of any point in rock mass can be obtained from superimposing stresses of each balsting ball unit． In watermedium presplitting blast， the establishment of precrack goes through three period of crazing， extending and stopping， which is combined effect of shock wave and static pressure of watermedium．
设共有 m 个炮孔， 则第 j 个炮孔在该点产生的 则所有炮孔内炸药爆炸在该点产生的总的叠加 应力为
m
σ =
σ ψ， ∑ ij j =1
（ 7）
由于爆生气体在水介质预裂爆破中对预裂缝的 只是在应力波形成初始裂缝的基础上使裂缝扩 作用， 展贯通， 并最终形成预裂缝， 故认为是一种较次要的 作用， 实际计算中， 可采用一个修正系数 K（ K ＞ 1） ， 以 适当地弥补由于忽略爆生气体对预裂缝形成所起作 用而造成的误差。
由于预裂缝的形成主要是由于垂直于预裂缝方 σr 、 σθ 只是预裂缝形成的补充和扩展， 向的拉伸破坏， 是一种次要的破坏作用， 在预裂缝形成过程中起主要 作用的是垂直于炮孔连心线方向的应力分量 σψ 。 1． 4 应力波叠加的分析和计算 在任意 t 时刻， 单孔在该点产生的应力值可由 所分解成的 n 个单元球药包产生的各应力分量叠加 求得
Research on Water-medium Pre- splitting Blast for Rich Water Rock Mass in Deep Openpit Mines
ZHANG Xiliang ， CUI Zhengrong （ Sinosteel Maanshan Institute of Mining and Research Co Ltd ， Maanshan 243000 ， China） Abstract：
同时随着爆生产物的膨胀和耗散， 其压力不断 当其压力衰减至不足以使裂缝发展时 ， 裂缝扩 衰减， 展停止。所以初始裂缝在爆生产物和水的作用下所 能扩展的长度也是有限的， 但如果两相邻孔的间距 裂缝就会相互贯 在裂缝所能扩展的长度范围内时， 通
［6 ］
பைடு நூலகம்。当相邻炮孔应力波叠加产生的集中拉应力
〔σ tt 〕 小于岩石的动态抗拉强度即 σ r， 时， 裂纹停 Ψ≤ 止发展。
[
]
σ θ = σ ψ = 2 （ λ + μ） λ u0 （ τ ）
[
du p （ r） u p （ r ） v0 （ τ ） － dr Cp
]
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爆
破
2012 年 6 月
〔σ〕 σ r， Ψ ≥ ξ2 拉 MPa。 式中， σ r， Ψ 为距孔中心 r 处岩体应力 ，
（ 9）
3 水介质预裂爆破在首钢水厂铁矿应用
表1 Table 1 地点 － 5 ～ － 20 － 5 ～ － 20 － 5 ～ － 20 － 5 ～ － 20 － 20 ～ － 35 － 20 ～ － 35 － 20 ～ － 35 － 20 ～ － 35 － 20 ～ － 35 岩石 混合岩 片麻岩 混合岩 混合岩 片麻岩 片麻岩 片麻岩 片麻岩 片麻岩
1
水介质预裂爆破应力场数学模型的 建立
研究水介质预裂爆破应力场及成缝机理， 采用等
效球药包叠加理论来求解水介质预裂爆破柱状装药的
［ 1 ］ 应力波参数， 进而得出水介质预裂爆破成缝机理 。
1． 1
预裂孔孔壁初始压力的计算 水介质预裂爆破中， 炸药与水完全接触， 可认为
炸药和水之间是偶合的。 在偶合装药条件下， 可认 为水中的冲击波是炸药中爆轰波的透射波 。对一个 完全偶合的系统， 在炸药中的压力 P e 对水中的压力
水厂铁矿水介质预裂爆破试验参数及效果
Watermedium presplitting blast parameters and effects in Shuichang mine 孔数 36 42 23 14 24 43 21 60 17 孔距 / m 0． 8 ～ 1． 0 1． 0 1． 0 1． 1 ～ 1． 2 1． 1 1． 0 1． 0 0． 8 ～ 1． 0 1． 0 ～ 1． 2 线装药密度 / （ kg·m － 1 ） 1． 20 ～ 1． 40 0． 90 0 ． 90 1 ． 20 ～ 1 ． 40 0 ． 67 ～ 1 ． 00 0 ． 86 1 ． 04 1． 04 1． 08 填塞高度 / m 2． 0 2． 0 1． 5 1． 5 1． 5 1． 5 1． 5 1． 5 1． 5 半孔率 60 % ～ 70 % 以上 预裂面平整度较好 半孔率 60 % ～ 70 % ， 整个预裂面较平整。 预裂效果
n
( )
(
)
可得炮孔壁上的初始压力为 2 ρe D × ρW C W r0 P = × Δa × 4 （ ρe D + ρW C W ） 1 ． 2247 b c
(
)
－ 0 ． 56
（ 2） 叠加应力为： σ ， j。
σ =
σ ψ， ∑ i i =1
（ 6）
g / cm3 ； D 为炸药波速， m / s； ρ W 式中： ρ e 为炸药密度， g / cm3 ； C W 为水的波速， m / s； a 为系数， 为水的密度， a 2 ． 5 ； 在这种情况下 ≈ Δ 为炸药体积对炮孔容积的 即炮孔被炸药所占据的部分。 比值， 1 ． 2 单个球药包应力波参数计算 当装药孔起爆后， 炸药开始施加在介质上的荷 载为冲击荷载， 其压力在很短的时间内上升到峰值 ， 然后迅速下降， 在介质内所引起的应力、 应变和位移 均以波动形式传播， 其应力随时间变化很快， 可以用 ［5 ］ 弹性应力波的波动方程来描述 。 在以球状药包 中 心 为 原 点 的 球 坐 标 （ r， θ， ψ） 中， 球对称压缩应力波的波动方程为 2 2 u u 1 2 u u （ 3） －2 2 = 2 2 2 + r r r cL t r m； c L 为纵波速度， m / s； r 为距 式中： u 为质点位移， m； t 为时间， s。 原点径向距离， （ 1 ） 波动方程的初始条件为 t = 0 时， u = 0。 （ 2 ） 波动方程的边界条件 当 r = r0 时 （ 1 + v） b － ωt / 槡 2 2 ωt u = u0 = 2 σ m， － e －槡 ） （ 4） r = r0 （ e E 1． 3 台阶中一点的应力状态 根据球座标的应力波理论， 可求得从某一球状药 包抵达台阶岩体中某一点的应力波的各应力分量： u p （ r ） v0 （ τ ） du p （ r） + σ r = （ λ + 2 μ ） u0 （ τ ） － dr Cp 2λ u r （ r， τ） r u r （ r， τ） + r
Key words：
watermedium； presplitting blasting； cracking mechanism
水介质预裂爆破与普通预裂爆破不同之处在于 预裂孔中充满水， 而不是空气， 水代替了空气作为预 裂爆破的偶合介质。 工程实践表明， 预裂爆破技术 的关键在于预裂孔的破坏控制和预裂缝的形成及其 质量。当前国内涉及水孔预裂爆破的原理的研究较 少， 而将炮孔中的水作为爆破介质 ， 寻求水介质预裂 爆破的成缝机理和工艺参数计算方法， 有助于减少 炮孔中水对预裂爆破的影响， 获得良好的预裂爆破 效果。
2
水介质预裂爆破成缝机理
由于初始裂缝的形成是受拉破坏， 在相邻炮孔
应力场未相遇之前各炮孔内的应力波仅在各自孔壁 上产生不定向和不定量的裂缝。由于相邻炮孔的存 在改变了炮孔壁附近的环向应力分布， 在炮孔连心 线方向产生应力叠加， 当集中拉应力大于岩体的动 态抗拉强度时， 则在炮孔连心线方向上首先产生裂 纹， 这样才能形成预裂缝。 即当孔壁处岩体内拉应 力值超过岩石的动态抗拉强度即时， 岩石中将出现 破坏裂缝。 σ Ψ ≥ 〔σ tt 〕 = ξ2〔σ〕 拉 （ 8） ： 〔σ tt 〕 MPa； ξ2 为岩石 式中 为岩石的动态抗拉强度， ； 〔σ〕 的抗拉动载荷系数 拉 为岩体静载荷下轴极限抗 MPa。 拉强度， 此后， 爆生产物挤压水介质楔入应力波作用在 炮孔连心线方向上形成的初始裂缝， 产生“水楔 ” 效 应， 爆生产物与水一起驱动裂缝扩展 ， 并最终贯通形 成预裂缝。故裂缝扩展的基本条件为
第 29 卷
第2 期
2012 年 6 月
爆 破 BLASTING
Vol． 29
No． 2
Jun． 2012
doi：10． 3963 / j． issn． 1001 － 487X． 2012． 02． 006