定向断裂控制爆破

定向断裂控制爆破廖涛矿业工程2012010117一、定向断裂控制爆破起源在现代爆破工程中，为了获得平整的岩石开挖面和井巷轮廓线，提高石料开采的成材率，减少超挖和欠挖，同时，为了降低巷道围岩和露天边坡受损伤的程度，以便提高其稳定性能，光面爆破和预裂爆破技术在国内外得到了广泛的应用。为了进一步改善光面爆破和预裂爆破的效果，从20世纪60年代开始，国内外许多学者对单孔定向破裂爆破技术进行了大量的研究。总的看来，要控制岩石沿特定的方向产生破裂，采用的方法有两大类：一是控制炮孔形状，如采用切槽孔或在炮孔两侧设置小直径空孔导向；二是调整装药结构，如采用聚能装药或在药卷外套上有利于能量集中作用的切缝或切槽外壳。1.定义定向断裂控制爆破的理论基础是岩石断裂力学，它是指利用普通工业炸药或烈性炸药，通过合理确定炮孔孔网参数、装药结构、炮孔形状及起爆方法，来控制爆破过程中爆炸产物的作用方向、地震效应及爆后飞石距离、破坏范围、破坏程度和岩石运动方向的爆破技术。其特点是裂纹沿炮孔孔间连心线方向或沿预定方向起裂、延伸和贯通，故称为“定向断裂控制爆破”。国内外早在上世纪60年代就开始研究岩体定向断裂控制爆破技术，但至今并没有广泛推广应用。岩体定向断裂控制爆破的关键问题是如何在炮孔预定的周边形成一定长度和宽度的初始定向裂纹和简便的操作工艺。2.主要方法关于定向断裂控制爆破的方法，国外学者先后提出有15种之多，比较有效而实用的方法有四种，如图1所示：(1)炮孔形状法，即改变炮孔形状，通称切槽爆破；(2)药卷形状法，即改变药卷形状，工程爆破中常用轴对称侧向聚能药包爆破；(3)切缝药包法，即在药柱外套一个预先开有一定宽度的切缝的套管的切缝药包爆破法；(4)空孔导向法，即改变装药结构，保持炮孔和药卷形状不变，工程上一般应用于光面爆破或预裂爆破中。二、定向断裂控制爆破作用机理1.爆破破裂过程中爆生气体作用采用普通爆破破碎岩石时，不论是耦合装药还是不耦合装药，炸药爆炸产生的爆轰波或迅速膨胀的爆轰产物与岩石相碰撞，在岩石内产生并传播爆炸冲击波或应力波。爆破作用的应力波冲击岩石使炮孔周围产生初始径向裂纹，随后，在爆生气体准静态压力作用下，初始径向裂纹进一步扩展延伸。实验结果表明，在耦合装药的条件下，爆生气体的膨胀作用能使应力波产生的裂纹增大2~6倍，达到炮孔半径的10~20倍。由此可见，在爆破破碎过程中，爆生气体的膨胀作用要超过应力波的作用。定向断裂控制爆破与普通爆破不同，各类技术方法均采用不耦合装药和同时起爆。药卷和孔壁之间的空隙对爆炸冲击起到很大的缓冲作用，从而使到达岩体中的应力波的幅值大大降低。实验研究结果表明，与不耦合系数为1.1时的情况相比，不耦合系数为1.7时，炮孔孔壁上的最大切向拉应力下降80%左右。这样，应力波在炮孔周围产生的径向裂纹，在数量上和长度上都大大减少。所以爆生气体准静态压力在断裂控制爆破过程中的作用是主要的。表1列出了几种定向断裂控制爆破的初始裂纹和裂纹扩展的动力方式。2.应力波作用理论应力波作用理论认为，炮孔间贯穿裂缝的形成是由于两炮孔同时起爆时爆炸激起的爆炸应力波在相邻炮孔的轴心面中央相遇叠加，使该点垂直于炮孔轴心面的拉应力大于岩石的动态极限抗拉强度，从而使该点的岩石断裂，然后向炮孔方向扩展，最后形成光滑的断裂面。形成贯穿裂缝的最关键的条件是同时起爆和与之相适应的孔间距和最小抵抗线。三、切槽爆破1.切槽爆破的发展早在1905年，瑞典C·T·Foster就提出在孔壁上做预切槽，以获得定向断裂方法。20世纪60年代，瑞典的U.Langefors等人就改变炮孔形状后的爆破效果进行分析研究，结果表明在圆形孔壁上开V形槽是既简单又典型的控制炮孔形状的方法。美国W.L.Forney等人用速燃剂作为破碎剂，在有机玻璃模型上进行了切槽炮孔爆破实验，实验中所有模型均沿切槽方向断裂为两半，断面平整光滑，且炮孔壁无压碎现象。杜云贵等用水泥砂浆模型所做的切槽炮孔爆炸实验，也得到了相似的结果。2.切槽爆破的原理2.1切槽孔的应力集中作用根据断裂力学理论，炸药的爆炸能使V形槽的尖端形成应力集中，V形槽越深其应力强度因子越大，应力集中现象越突出。该V形槽起导向的作用，当应力达到岩石的抗拉强度时，预制V形槽失稳扩展，介质沿此方向断裂，炸药爆炸瞬间极高的应力波和爆轰气体沿V形槽形成强有力的“气楔”，迫使岩石沿预定方向断裂。由于切槽迅速失稳扩展，孔壁侧面应力急剧下降，气体压力立即减弱，保证了孔壁径向裂隙只按预定方向起动并与相邻切槽孔贯通而孔壁周围其余部位应变峰值大幅减小，且作用时间较短，对介质损伤较小。2.2爆生气体膨胀压力切槽爆破破裂的产生和发展是应力波和爆生气体准静态压力共同作用的结果，当应力波越过切槽口产生的径向裂纹后，爆生气体准静态压力对初始裂纹产生一个气楔作用，使其继续扩展，直到和相邻切槽孔贯通。其切槽爆破的断裂力学近似模型如图2。P—炮孔内爆生气体准静压力；r—炮孔半径—切槽处岩石中的残余拉应力；a0—切槽深度a—裂缝扩展长度。根据炸药爆轰理论，宗琦认为爆生气体膨胀充满炮孔时的压力为：式中PK为临界压力，TNT的PK=280MPa；PW为平均爆轰压力，；,D分别为炸药的密度和爆速；为装药体积和炮孔体积。03.切槽爆破的力学效应爆炸荷载对炮孔壁的作用是由爆炸冲击波的动态作用和爆生气体的准静态压力作用两部分组成。岩石的破碎过程是一个动态过程，平面内的应力状态与静力内压作用是两种性质的应力状态。炸药爆炸前，炮孔壁的位移等于零；炸药爆炸时的一瞬间，孔壁质点获得很高的动量，这部分动量的获得是由于爆炸冲击波引起的，孔壁质点获得的动能随即传递给与之相邻的质点，迅速向四周传播。3.1V形切槽在爆炸冲击波作用下产生的力学效应在炮孔壁上开的V形切槽，可看作是存在于孔壁的初始裂缝。装药在炮孔内爆轰后，产生的冲击波将对炮孔壁作用一个压力脉冲。当切槽承受该压力脉冲作用时，就会在切槽表面激发出压应力波。该应力波在切槽表面发生反射，同时又在切槽尖端绕射。这种反射和绕射作用的结果，导致切槽尖端处产生较强的动态应力一应变场，其强度可用动态应力强度因子KI(t)来描述。当KI(t)满足下式时，裂纹就从切槽尖端开始向前扩展)()(idIKtK式中—岩石的动态断裂韧性，与加载速率有关。另一方面，压力脉冲在切槽表面激发出来的压应力波将沿着圆孔周围绕射。这种绕射的结果是在切槽根部附近(图3中的阴影部分)产生一个切向应力，为压应力和低拉应力的区域。当炮孔周围岩石的抗拉强度高于这些拉应力值时，则在这个区域的孔边上将不可能产生由切向拉应力引起的径向裂纹。这就是说，当孔边出现了一条裂缝(切槽)后，在它的根部附近就会形成一个抑制新裂纹生长的区域，简称为抑制区。王靖涛使用他本人提出的“瞬变弹性动力问题的边界元计算方法”，对图3所示的模型，在不同的脉冲荷载作用下进行)(idK了数值模拟计算。所有的计算结果均表明，在孔边裂缝(切槽)根部附近，确实形成了一个切向应力为压应力和低拉应力的区域，即裂纹生长抑制区。由此可见，在爆炸冲击波的作用下，V形切槽将产生两个力学效应：一是在切槽尖端形成一个较强的动态应力——应变场；二是在切槽根部附近区域形成一个抑制区，抑制新裂纹生长。这两个效应的共同作用使得裂缝在沿切槽方向(图3中AB向)扩展的同时，又抑制了其它方向的裂缝的产生，从而达到控制岩石断裂方向的目的。1-抑制区；2-切槽；3-炮孔壁3.2V形切槽在爆生气体作用下产生的力学效应装药在炮孔中爆轰时，首先以冲击波的形式对炮孔壁作用一个压力脉冲，然后是爆生气体对孔壁的准静态压力作用。一般来说，冲击波的作用时间约为数十到数百µs，而爆生气体的作用时间可达数百ms。如果炮孔口密封，则爆生气体的作用时间更长。另一方面，炸药的潜能大部分都存在于爆生气体中，在介质中产生的应变波能量仅占炸药潜能的3%。爆生气体的作用与爆炸冲击波的作用相似，在爆生气体的准静态压力作用下V形切槽的存在也将产生两个力学效应。在切槽尖端处产生应力集中现象的同时，还使孔壁上的切向拉应力均有所降低，特别是在切槽根部附近的区域，形成了一个压应力和低拉应力区，即新裂缝生长的抑制区(图3中的阴影部分)。在这两个效应的共同作用下，裂缝必然在切槽尖端开始向前扩展，同时又抑制了新裂缝在孔边其它方向的生成。在爆生气体的准静态压力作用下，裂缝在切槽尖端扩展的条件为：式中—炮孔周边最大拉应力。tSmax4.切槽参数4.1切槽张角α对切槽张角，国内外看法不完全一致。美国马兰大学断裂控制研究组的学者认为α=60°较好。吴立认为刻槽角度在30°～60°之间较为合适，张志呈、王成端等认为60°最佳，一般取60°～90°，为保持切槽尖端锐度，α应尽量取大些；肖正学认为α=60°~80°之间时，能比较好地获得切槽爆破的效果；宋俊生通过实验研究表明，随着角度的增大，沿着切槽方向的应变峰值也相应增大，当角度α由30°增大45°时，沿切槽方向的应变峰值有所增加，当α增至60°时，沿切槽方向的应变峰值明显提高。切槽参数如图4。4.2切槽深度a对于不同特性的岩石和炸药，应选取不同的切槽深度，根据Jams，W.Dally，W.LFounery等人的研究，对于大多数岩石来说，当炮孔内的压力超过69MPa时，炮孔周围将产生杂乱的裂隙，断裂面也将难以控制。理论分析表明，相对切槽深度a/R0.2时，a/R的值对临界炮孔压力的影响最敏感，当a/R0.2时，其影响逐渐减少；当a/R0.5时，其影响可忽略不计。随着a/R值的增大，炮孔临界起裂荷载减少，但a/R过大，降低效应不很显著，在工程实践中，a/R过大将导致岩石对切刃的夹持作用增大，机械切槽效率降低，刃具磨损加大，因此建议a=(0.2～0.3)R。4.3切槽尖端曲率半径郑泽岱等根据数值计算结果得到下图5，可知在图4中，切槽侧面C点的压应力抑制系数Kc在ρ≥1.3mm时衰减较大，故对炮孔直径为40mm，切槽深度a=4～6mm时，切槽尖端的曲率半径ρ=1.3mm较好。4.4切槽尖端锐度a/ρ根据断裂力学观点，尖锐的切槽有利于实现岩石的低应力脆断。H.Nisitani对V型切槽的无限平板垂直于切口方向受拉时，切口锐度a/ρ对切口尖端的应力集中系数的影响的计算表明，在α=0°~90°范围，当a/ρ=1时，孔边最大切向应力集中系数为3.06，当a/ρ=2时，该系数为4.0，当a/ρ=4时为5.3，当a/ρ=8时为7.2，可见切槽尖端锐度对尖端应力集中系数的影响很大。4.5切槽口宽度b及沿炮眼深的切槽长度h切槽口宽度为非独立参数，可由切槽深度和切槽张角近似地确定，。试验表明，切槽的导向作用沿孔深方向的扩展范围是有限的，即若只是在炮眼上部切槽，未切槽的孔底区域仍会出现随机裂缝或不规则裂面，为保证断裂控制的质量，对整个炮眼沿全长切槽较为妥当。综上所述，工程中常用的直径为40mm的破岩切槽浅孔的槽口参数取值范围建议如表2所示。)2tan(2lb5.切槽爆破参数5.1不耦合系数采用不耦合装药时，由于孔壁与药包之间存在一定的间隙，爆炸产生的高温高压气体将有一个膨胀过程，当其膨胀到孔壁时，衰减到一定程度。这样就能保证孔壁不产生压碎，不产生剪切破坏、不产生张性破坏以及天然微裂纹不起裂。根据炸药爆轰原理和凝聚炸药的状态方程，推导出如下不耦合系数计算式：式中pH为爆生气体的初始平均压力；pL为临时压力，一般等于100MPa；k为绝热指数，k=1.4；r为等熵指数，r=3；η为压力增大系数，η=8~11；n为动压强度提高系数，n=10~15；Sc为岩石的单轴抗压强度。当采用2号岩石硝铵炸药，pH=1.653GPa时，利用上式求出不同的Sc值下的不耦合系数，见表35.2孔间距a通过大量试验，考虑岩石性质影响，用拟合方程求孔间距。式中a为炮眼间距；x为岩石坚固性系数。5.3最小抵抗线W最小抵抗线W的尺寸大小是直接影响爆破成缝的重要因素。张志呈认为W2a可以保证爆轰应力波还未达到最小抵抗线的自由