爆破应用技术聚能装药在预裂爆破中的应用

1浅析聚能装药在预裂爆破中的应用南京理工大学安刚指导教师：黄寅生摘要：聚能预裂爆破与普通预裂爆破相比,爆破效果明显提高,能有效地控制预裂缝的扩展。文中根据对线型聚能装药效应的分析研究,提出了新的聚能装药预裂切缝方法及其机理,并指出了其发展前景。关键词：线型聚能装药；预裂切缝；应用分析1预裂爆破现状和传统技术预裂爆破是在主爆破炮眼起爆之前,沿设计轮廓面布置的预裂炮眼首先起爆,形成有一定宽度的预裂缝,将开挖区与保留区的岩体分离开,从而使保留区岩体在主爆破炮眼爆破时受到的破坏和震动大为减轻,留下光滑、平整的开挖面。其机理被广泛认为是应力波和爆生气体的共同作用。其主要措施在于采用不耦合装药结构,减少装药量;使用低爆速、低密度且爆生气体生成量大的炸药;适当加密预裂炮眼,布置导向孔;合理确定炮眼系数;采取预留光面层爆破,以便获得好的爆破效果。其在矿山、水电、交通、军事和建筑等露天边坡和地下开挖等工程爆破中,得到全面推广应用,取得了巨大的综合效益。工程预裂爆破的参数选择和控制技术决定了爆破效果,其措施有:1)爆破参数的设计计算有公式法、直接试验法、经验类比法和模型试验法等。可结合工程实践经验和有关文献来确定炮眼直径、间距、最小抵抗线、不偶合系数和线装药密度等爆破参数。2)控制爆破裂缝的主要措施有:①采用孔壁切槽、设导向孔和异形炮孔等方法改变炮孔的形状或孔间的相互关系,以改变炮孔的受力状态,使劈裂面方向产生应力集中,避免裂缝方向的随机化。但孔壁切槽和设异形炮孔对钻孔精度、炮孔加工工艺和钻具要求很高。设导向孔需增加钻孔量,提高了钻眼成本。②采用压铸药柱、聚能药包、带缺口药包、扁平药包等方法改变药包形状,使其最大的压力作用于劈裂面方向。其中,聚能装药所产生的射流作用集中,用药量较少,效果最好。③采用切缝套管、挤压钢棒及半圆套管以改变装药结构,使爆生气体的最大压力作用于劈裂面方向。但对钻孔、定位、炸药、套管的材质、尺寸及力学特性要求高。3)工程实践表明,根据岩体地质条件,合理利用结构面可获得较理想的预裂缝。预裂孔与结构面一致时,可沿结构面布置,以减少炸药量,获得理想的预裂缝。一些断层、节理对爆炸应力波的衰减影响较大,可起到类似预裂缝的作用。对炸药进行分散化、微量化处理,改变装药方式,在炮孔的断层、裂隙处,局部间隔装药,以减少爆破对弱面的过度破坏及爆生气体的逸散现象。现在,聚能装药在金属切割、军用破甲等方面的应用研究甚多,并取得良好的效果。而在岩石预裂切缝方面研究较少,且传统的岩石预裂爆破技术存在能量利用率低,钻孔工作量大,成本高,切缝成材率低,受岩体地质结构条件制约等显著缺点。因此,聚能装药在岩石预裂爆破中的应用具有广阔的前景。2线型聚能装药进行预裂切缝的探讨及参数分析在大型块体切割和地坪沟槽等控制爆破中,受爆破块体的材质、控制爆破的环境条件和要求等因素的限制。为避免欠挖和超挖现象,减少钻眼工作量,降低成本,提高效率,可采用2聚能预裂切缝的新方法。2.1聚能装药形式预裂切缝时,为使有效炸药层达到稳定爆轰和充分利用其能量,考虑到药型罩顶部至轴线闭合距离很短,可采用侧向线型楔形聚能装药。其药型罩为面对称型,可产生平面射流,用于面性切割。其形状如图1所示。2.2线型聚能装药作用原理聚能切缝主要利用聚能穴的聚能作用和爆生气体的“准静态压力”作用。在爆轰波扫过槽对称表面时,使槽表面上几乎垂直于装药表面飞散的爆轰产物在装药轴线上汇聚成沿轴线方向运动的具有更高压力和密度的聚能气流。在动光弹模型实验中发现,聚能穴方向上条纹十分密集,条纹级数增大,具有明显的聚能作用[1]。聚能气流的能量由气流的动能和位能两部分组成[2],即:202024181DDE式中,0图1线型楔形聚能药包示意图1——药包;2——药壳;3——药型罩;4——导爆索孔为炸药密度kg/m3,D为爆速,m/s。等式右侧第一项为位能,第二项为动能。动能能够集中,而位能不能集中且起分散作用。在生产试验中,采用2号岩石硝铵炸药,用铜片做药型罩,可将能量极大部分表现为动能形式,避免高压膨胀引起能量分散而使能量更加集中,形成一股速度和动能比气体射流更高的面性金属射流。在预裂切缝方向,头部射流在开始阶段的速度可达7～8km/s,能量密度达1011Pa以上,温度升到4000～5000℃[2],以远大于介质极限抗压强度的冲击压力穿射一定深度的射流面,射流面周围介质被粉碎而呈塑性流动变形,并向外产生一些飞溅的介质残渣。同时,部分能量向四周扩散产生侧压力,增大了裂缝宽。且爆生气体的“准静态压力”作用有利于预裂缝的贯通,孔壁压力越高,应力强度因子越大,相应预裂缝的传播速度越高。其生产的径向裂缝在一定条件下可扩展到邻近主爆孔。故应保证在径向裂缝扩展到临近一排主爆孔之前两相邻预裂孔已贯穿。在以后的均匀侵彻阶段,射流速度较头部速度逐渐降低,侵彻愈来愈深,直到终止。射流形成模型如图2[3],射流速度计算图见图3。3图2中a表示爆轰波到达药型罩A点时,药型罩的变形模型。其壁面从AO移动到AB,药型罩变形前的半锥角为,变形过程中的闭合角为,A点以0u向轴线运动,变形角为。当罩微元运动到轴线后,分成射流和杵两部分,射流以ju运动,杵以su运动,碰撞点B以lu运动。假设罩微元各部分的变形运动相同且0u、、都相等,变形时罩长度和密度不变,罩金属作为理想流体处理。利用射流模型的相对坐标图b和射流速度计算图(图3),根据质量、能量和动量守恒定律,可得:射流质量(jm)jm=msin2(2)杵体质量(sm)sm=mcos2(3)上两式中,m为药型罩质量。jm、sm、m单位均为kg。射流速度(ju)ju=0u2sin)2cos((4)杵体速度(su)su=0u2cos)2sin((5)式(4)、式(5)中,A、B、D的单位为(°),ju、su、0u单位均为m/s。切缝的宽度取决于聚能流的宽度和密度及侧向应力,并与岩石物理力学性质有关。切缝长度则取决于聚能装药母线长度、药型罩材料与锥角和岩石的物理机械性质。把射流和岩石当作理想流体并考虑强度,则射流切缝长度(L)为:22110lL(6)4式中,0l为母线长度,m;为系数,取2～6;1为聚能流密度,kg/m3;2为岩石密度,kg/m3;1为射流强度,Pa;2为岩石抗压强度,Pa。在聚能切缝时,以每g炸药所担负的切割面积(S)为指标衡量预裂爆破效果:S=qa。式中,a为孔间距,m;q为单位线装药密度,g/m。2.3聚能预裂切缝效果分析聚能预裂切缝主要利用其强大的聚能射流。其主要决定因素如下:1)炸药的性能是影响聚能威力的根本因素。理论分析和试验结果都表明,聚能威力随爆轰压力增加而增加。按流体力学和爆轰理论,炸药的爆轰压力2041Dcj。式中,量符义和单位均同前。为提高聚能威力,须选用爆速较高、猛度较大的炸药。可选用2号岩石硝铵炸药和钝化RDX[4],温度高时可选用w(RDX)为96.5%的1871炸药,其作为钝感剂的超细石墨导电性好,有利于防静电积累。同时,应尽量提高药包的装药密度,有利于促使低速爆轰向高速爆轰转化。2)药型罩材料要求可压缩性小,密度大,塑性和延展性好,在形成射流的过程中不会汽化。大量试验结果表明,选用紫铜材料效果最好,其次是铸铁、钢和陶瓷。但上述材料制成的药型罩易产生杵堵。为此,国内外已有无杵体形成的粉末烧结药型罩和粉末压结药型罩问世。线型楔形药型罩形状简单,加工方便,聚能效果好。按定常、理想、不可压缩流体力学理论,炸药为瞬时爆轰且药型罩的壁面同时平行地向轴线压合时,,=0,射流速度20ctguuj,射流质量2sin2mmj。试验表明,当在15～35°间时,射流具有足够的质量和速度。小时射流速度高,利于提高切缝长度;大时射流质量大,利于增大切缝宽度。常取为15～23°左右。采用顶部薄、底部厚的变壁厚药型罩,增加了射流头部速度,降低了尾部速度,拉长了射流,增加了破甲深度。3)聚能装药与孔壁的间距一定时,能充分发挥切缝威力。增加间距,可拉长射流,增大切缝长度。但间距太大时,射流会产生径向分散和摆动,延伸到一定程度后产生断裂现象,使切缝长度降低。对常用的铜药型罩,有利间距是罩底宽度的1～3倍以上。同时考虑到炸药直径对爆轰性能的影响,按岩石裂纹扩展动力学原理,不耦合系数k为[5]:28/16/12028/16/120))/(()(33)(27ICcKlrlFDnkDn(7)式中,n为由空气向岩石传递能量时的折损系数,可近取1;C为岩石的抗拉强度,N/m2;ICK为岩石的断裂韧性,N/m2/3;l为裂纹在爆生气体作用前的实际长度,m;r为炮孔半径,m;F(l/r)为l/r的函数,其值见表1;其余量符号含义及单位均同前。k一般取2～5。为使爆破能量沿切割面均匀分布且不压坏孔壁,所有炮孔采用分段装药。同时,在药柱中央空心孔设低能导爆索以实现同时起爆。分段间隔尺寸根据药量、孔深及堵塞长度(一般不大于0.2m),并使爆炸能分布均匀和尽可能增大装药长度为原则进行综合考虑,一般取0.2～50.3m。4)预裂切缝药包可采用纸壳药柱,以减弱稀疏波的作用,提高炸药能量的利用率。可适当改变锥角和装药结构以调整爆轰波形,增大切缝长度。5)预裂孔同时起爆时,炮眼间距a为两相邻聚能装药切缝长度的2倍。切缝长度应为聚能流与爆生气体共同作用的叠加,其准确计算,涉及到聚能流的穿透效应、动态应力强度因子与裂缝速度间的函数关系、预裂缝压力的分布和孔壁压力与动态应力强度因子间的关系,有待进一步研究。在实际工程中,可运用相似定律进行模拟并结合孔径和线装药量q确定,近似取2a22110l(8)式中,量符号含义及单位均同前。6)对于在炮孔前方有临空面的块体进行预裂切割爆破时,炮孔深度d与切割厚度H,应用下式计算,即d=(0.6～0.8)H。H小时其系数取小值,H大时取大值。当大型块体仅需切除上层一部分时,若保留部分与切除部分存在分离面,取d=(0.8～0.9)H;若介质强度高,开挖面要求较低时,可取d=(1.0～1.1)H。7)爆生气体沿聚能产生的初始定向裂缝扩展,直到断裂强度因子小于断裂韧度而裂缝止裂。加强炮孔堵塞,延长其作用时间,可增加间距a值。3聚能装药预裂切缝的应用前景和发展方向与现有预裂爆破技术相比,聚能装药切缝的突出优点在于:能量集中,能将爆生气体的能量更多地转化成聚能射流的动能,节省炸药;在节理、层理发育和原岩应力复杂的情况下,沿切缝延伸的裂缝与原有裂缝相遇时,爆轰压力越高、射流速度越大,切割效果越好;有效控制断裂方向,防止其他裂缝的形成和延伸,降低不平整度,提高成材率。可用于大理石、花岗岩等材料的切割;通过控制聚能流的方向,大大减小了对围岩的冲击波、地震波影响;增大预裂孔间距,减小钻孔费用和劳动强度,提高了效率。因此,聚能装药切缝是一项值得研究和推广的技术。聚能装药预裂切缝技术发展方向:1)不同的药型罩锥角、不同的炸药、不同的装药密度对聚能的影响。2)聚能药包需特殊加工。药型罩会极大地影响聚能射流侵彻能力,应有精确的几何形状、较高的密度和良好的动态延展性。钨铜合金、钨镍合金等高密度合金可用作其材料,但成本高。核工业生产的副产品贫铀[6],密度大,机械加工性能好,在聚能金属药型罩的选材上具有很好的应用前景。但须改善其处理工艺。3)无罩双侧线型聚能装药利用爆生气体准静压作用力学模型和椭圆孔的力学模型在切割大理石的试验中,取得了较好的效果,尤其是切割体底部有软弱面时,其效果更佳。但需从理论和实践上不断加以补充。4)加强对条形药包的端部效应、抛掷堆积和药量计算等问题的研究。加强对爆破冲击波、地震效应、飞石和安全距离的设计,以减少防护费用,降低损失。5)充分考虑影响爆破效果的各种因素,如工程地质、爆破参数选择、施工工艺等,减小炮孔6定位误差和角度误差,按设计装药结构分层装药,保证不耦合系数,以取得理想的爆破效果。参考文献:[1]张奇.工程爆破动力学分析及其应用[M].北京:煤炭工业出版社,199