定向卸压隔振爆破的机理与试验

定向卸压隔振爆破的机理与试验

摘要:简述了定向卸压隔振爆破原理、破岩机理及爆破效应,通过超动态、动焦散、动光弹等试验及数值模拟,初步了解动力特性及爆轰波分布规律。试验表明:炮孔隔振护壁面一侧比无护壁面一侧应变降低45.31%,压力降低大于30%,底部空气间隔压力降低在30%以上,无护壁面一侧最大剪应力是护壁面的3.5倍,孔底空气间隔装药结构,可延长应力波在岩石中的作用时间2～5倍。显然爆炸能量集中自由面方向,提高岩体破碎质量,显示隔振半圆形管材与底部空气间隔对炮孔爆炸压力的卸压作用,减轻对岩体破损,保护围岩的稳定性。

关键词:卸压隔振爆破隔振材料孔底间隔。

长期以来,人们在对爆破技术进行积极而有益的探索中,提出了许多新的理论和方法。在工程控制爆破中,20世纪50年代出现的光面爆破、预裂爆破,80年代前后出现的定向断裂控制爆破(切槽爆破、聚能药包爆破、切缝药包爆破)。光面、预裂爆破的基本原理是利用空孔或后爆炮孔的导向作用,在炮孔连线方向上,形成应力集中优先产生裂缝,使炮孔间裂隙连通;定向断裂控制爆破主要是通过改变炮孔和药包形状,或药包外添加切缝套管的方式,达到改变爆炸产物对孔壁的作用方向,并在炮孔连线间的孔壁形成应力集中,达到该处优先形成裂纹的目的。

但由于岩土工程开挖规模越来越大,人们对岩土工程保留岩体部

分的稳定性和安全的要求越来越高。传统的光面、预裂爆破对于普通爆破来说。虽然能够减少超挖量、减轻对保留岩体的破裂深度降低爆破后的维护工作量,提高劳动和经济效率,推动了工程控制爆破的发展。但对保留岩体存在比较严重的损伤破裂。而定向断裂控制爆破技术虽然进一步有效的解决了光面、预裂爆破的裂缝开裂方向不确定的问题,但仍然没有完全解决爆炸产物对孔壁保留岩体或围岩的损伤破裂问题。并存在药包加工和切槽作业困难外,对于爆炸能的充分利用和保护保留岩体或围岩方面仍然存在较大不足。

笔者在技术服务的实践、认识的过程中采取隔离爆炸冲击波、应力波和降低爆轰的压力,达到定向卸压隔振的目的。故称“定向卸压隔振爆破”,简称“卸压隔振爆破”。

简言之,定向卸压隔振爆破的原理为定向卸压隔振爆破技术是指在炮孔爆破时对保留部分的岩体或围岩采取卸压阻隔爆炸冲击波、应力波,定向削减爆炸压缩应力的控制爆破方法。它是一种既能同时在预定方位集中能量形成光滑开裂面和较好的破碎效果,又能保护孔壁和孔底保留岩体免受爆破损伤或缩小损伤范围的控制爆破新技术。其实质是在炮孔保留岩体一侧的药包加装一层或两层具有弹塑性、硬性和无毒无害无污染价格便宜的半圆形管材。利用半圆形管材达到径向不耦合装药结构和孔底轴向间隔。孔底轴向间隔是在药柱下端与孔底之间留一段不装药,其上连续不耦合装药至填充段的一种装药结构,如图1所示。

定向卸压隔振爆破中的半圆形管材在爆炸近区有效地阻隔冲击波的直接作用,削减了应力波的破岩能量,起到了隔振护壁的作用。炮孔底部的空气间隔卸掉炮p1 定向卸压隔振爆破作用机理与卸压隔振效应

(1)卸压隔振爆破作用机理。

岩石爆破时,爆轰产物直接冲击半圆形隔振套管内壁和炮孔底部空气间隔。由于隔振护壁套管的密度大于爆轰波阵面上爆炸产物的密度,且固体介质的压缩性一般小于爆轰产物的压缩性,故作用于管壁上的冲击波,除产生透射波外,还有向爆炸中心反射的压缩波。透射波经管壁的阻隔和管壁与孔壁之间的环形空气衰减后,能量大大降低。同时,管壁本身也产生变形与位移,吸收部分能量,从而大大降低了冲击波对孔壁介质的损伤破坏作用,因此能达到保护孔壁介质免受或少受爆破损伤影响的目的。因此,隔振护壁面方向的半圆套管有反射和聚能的作用,两端还能产生端部效应,更有利于临空面方向的爆破作用。

孔底空气间隔能大大降低由冲击压缩传给岩石的冲量,无疑减弱了对孔底岩石的破损作用,缩小了破坏范围,有利于孔底岩体的完整性。同时,炮孔底部空气间隔使得脉冲压力作用时间增长,爆破脉冲冲量增大,对岩体的破碎就更加有利。

而临空面方向由于没有这些条件,不存在任何阻力作用,该方向上的孔壁介质直接受到爆炸产物(包括护壁面一侧反射的爆炸产物和孔

底空间瞬时储存的脉冲冲量)的冲击,其冲量密度大于被爆介质的临界冲量密度,必然导致隔振套管的两个端点处即预定开裂方向形成一个很大的应力差。这个应力差值起到一个拉伸作用,在开裂方向首先形成较长、较宽的裂纹,从而实现在开裂方向形成光滑开裂面的目的。

(2)卸压隔振爆破力学分析。

1)临空面方向的爆破作用。

设炮孔和药包中心不耦合装药,隔振半圆形套管与孔壁介质泊松比相同。

①应力波作用:临空面方向由于无隔振套管,爆破冲击波和爆生气体直接作用于孔壁,类似于普通光面爆破。孔壁岩体受到较大的切向拉应力波峰值和径向压应力波峰值[1]:

由此可见,隔振半圆形管材同样可起到防止爆炸气体“楔入”孔壁岩体的作用。临空面方向孔壁岩体在较高的应力峰值和高温高压的爆

轰气体“气楔”作用下容易破坏,而隔振护壁面方向孔壁岩体受到保护。同时,由式(3)可以看出,隔振半圆套管层数越多,孔壁切向拉力应力峰值和孔壁准静态应力越小。

当安装有多层隔振护壁套管材时,应力波通过隔振管材之间以及隔振管材和孔壁之间的多次反射作用,受到更大的衰减作用,对孔壁随机裂纹起到更有效的抑制作用。同时,内层管材对外层管材具有瞬时保护作用,避免外层管材受爆轰波气体的直接破坏作用,隔振护壁效果得到改善。

3)炮孔底部间隔装药的爆破作用。

炮孔底部间隔装药、间隔空间对爆轰波起到缓冲作用。炮孔底部的初始爆轰压力和爆炸作用时间将随空气间隔长度的变化而变化。

炮孔底部间隔装药时,爆炸初始压力按公式[3](4)计算:

炮孔底部间隔装药时,底部爆炸作用时间按公式(5)计算:

2 定向卸压隔震爆破的试验

2.1 定向卸压隔震爆破炮孔护壁面的超动态测试与分析①

试验在有机玻璃板(尺寸400mm×400mm×5mm)上进行。应变测试选用电子应变片(动态),炸药选用叠氮化铅,起爆用MD-2000多通道脉冲点火器。卸压隔振护壁管材选用PVC塑料管。试验用有机玻璃