炸药单耗对台阶抛掷爆破效果的影响研究
2016-02-22李祥龙张松涛徐有志胡涛胡辉李克钢
李祥龙， 张松涛， 徐有志， 胡涛， 胡辉， 李克钢
(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南，昆明 650093；2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)
炸药单耗对台阶抛掷爆破效果的影响研究
李祥龙1，2， 张松涛1， 徐有志1， 胡涛1， 胡辉1， 李克钢1
(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南，昆明 650093；2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)
为研究炸药单耗的改变对台阶爆破抛掷效果的影响，以相似理论为基础，利用量纲分析法推导出了台阶模型试验应遵循的相似准则，在试验场采用一定配比的水泥砂浆制作了5个单排孔台阶模型，统计了爆破后的最远抛掷距离和有效抛掷率. 模型试验结果表明：爆堆前部碎块主要来源于台阶模型中层，最远抛掷距离和有效抛掷率随炸药单耗的增加而增大，但增大的趋势逐渐变缓；当q>0.51 kg/m3时，有效抛掷率可以达到40%以上；当0.51 kg/m3
炸药单耗；台阶爆破；抛掷率；抛掷距离
相似模型试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象间存在的相似和类似特征来研究自然规律的一种方法[1]. 中国学者徐连波[2]用量纲分析的方法研究了爆破相似律的一些问题，将影响爆破效果的参数分为几何参数、介质参数、炸药爆炸参数、坐标参数，并对无限介质中的爆破、水压爆破和拆除爆破等问题进行了探讨. 段卓平等[3]采用量纲分析对内部爆炸作用下有限厚混凝土靶背面震塌破坏进行研究，得到了临界震塌厚度的工程计算式. 张海英等[4]通过设计不同炸药埋深的混凝土靶模型爆炸试验，研究了有限厚度混凝土靶背面的临界震塌条件. 在相似材料的配置方面，杨振生、刘俊轩等[5]通过对不同配比下相似材料的强度变化特性进行研究，得出在岩性模型试验中，以石膏和水泥为胶结物，辅以一定级配的石英砂和碎石作为骨料，其物理力学性能与矿岩较为接近. 李祥龙等[6]基于相似材料制作了一系列爆破漏斗试验模型，并应用高速摄影技术研究了爆破自由面鼓包运动规律.
本文基于相似理论设计台阶高度H、炮孔直径d、炮孔倾角α、孔距a、最小抵抗线W等参数均不变，仅通过改变炸药单耗q(首排孔)，开展5组相似材料爆破模型试验，研究不同炸药单耗对台阶抛掷爆破效果的影响.
1 模型试验相似准则
1.1 材料相似
目前尚无法人工制作与天然土岩性质完全一致的模型材料，因而材料相似只能近似满足. 材料的相似指标可考虑按材料的单轴抗压强度σ或材料的密度ρ计算[7-8]为
(1)
(2)
式中：σm为相似材料的单轴抗压强度；σo为矿岩的单轴抗压强度；ρm为相似材料密度；ρo为矿岩的密度.
1.2 几何相似
几何相似条件是模型试验应满足的基本条件之一，文献[9]推荐模型尺寸比例与孔径比例一致，模型孔径设计为6 mm，黑岱沟露天煤矿深孔爆破孔径为310 mm，为方便计算，几何相似比n取整数1/50.
1.3 动力相似
模型试验的炮孔直径远小于黑岱沟露天煤矿抛掷爆破使用的铵油炸药临界直径，故选择导爆索(线装药密度25 g/m)作为动力源. 黑索金炸药爆力值为480 mL，矿山用铵油炸药爆力值为300～315 mL，换算系数k=0.625. 模型试验中黑索金(RDX)的单耗为
(3)
式中：qo为矿岩第一排孔的炸药单耗；k为换算系数；η＇为相似材料密度与矿岩密度的比值.
2 台阶模型设计
根据黑岱沟露天煤矿岩体的主要岩性指标与模型试验间的相似准则，采用标号为32.5的普通硅酸盐水泥和普通建筑用3.0等级高强石膏粉为胶结料，石英砂和碎石为骨料，按质量配比为水泥：石膏：石英砂：碎石(小于7 mm)=1.00∶0.45∶3.82∶3.82制作相似岩石砂浆模型.
为降低模型的边界效应，此次试验使用厚钢板制作模具，且不脱模，便于试验过程中在模型边界施加约束力. 在模型的斜面用螺栓固定木板，使之能在拆除时形成自由面. 同时，为了预留炮孔，在模具内部特定位置设置使用3根活动的光圆钢筋(直径1 cm)，待砂浆硬化后抽出.
为方便观察爆破后模型不同层位碎块的散落位置，采用与台阶模型相同材料配比的水泥砂浆，通过混入不同颜色的颜料，制作了红色、黄色、绿色、咖啡色、黑色的追踪砖块，尺寸为90 mm×35 mm×15 mm. 在台阶模型浇筑时预埋入设计位置. 追踪砖块的具体布置为：沿台阶模型全高自上而下分为6层，每层设置不同颜色的追踪块. A1～A5各层布置同颜色追踪块3个，层高均为1倍抵抗线长度. A6层用于模拟煤层，不设追踪块.
为了将初凝时间控制在45～60 min，搅拌时添加了一定量浓度为1%的硼砂溶液作为缓凝剂. 5个模型湿养不少于2周，且在自然环境下养护时间总共不低于28 d[10](实际养护了34 d).
3 模型试验
成型后的模型与矿山现场对比如图1所示.
为研究炸药单耗q(首排孔)与抛掷效果的关系，试验设计台阶高度、炮孔直径、炮孔倾角、孔距、最小抵抗线均不变，其中：孔距为22 cm；孔深为75 cm；炮孔倾角为75°；最小抵抗线为14 cm. 仅改变炸药单耗，矿山现场首排孔的铵油炸药单耗约为1.00～1.20 kg/m3，根据动力相似比转换得到模型试验RDX炸药单耗为0.51～0.63 kg/m3，试验单耗分别取0.51，0.54，0.57，0.60，0.63 kg/m3，分5组进行实验，主要爆破参数如表1所示.
表1 模型爆破试验主要参数
按表2参数对5个台阶模型逐一爆破，统计爆破试验效果如表2所示，其中模型1-3爆破后效果如图2所示.
4 试验结果分析
炸药单耗q变化对最远抛距Lm及有效抛掷率Ep的影响规律如图3所示.
由图3可见，爆炸结束后，在模型上部形成了偏向自由面方向的漏斗坑，并在炮孔位置沿轴线方向形成3个直径为4.5～5.0 cm的半圆柱体爆炸空腔. 碎块主要分布在长为1.6 m，宽度为3倍孔距的采空区(依据矿山现场布置). 由于试验本身爆破方量较少，未在采空区形成有规律形状的爆堆，从爆破后追踪点的位置可以得知，爆堆前部岩块主要来源于模型中部的A2，A3，A4层，而处于模型上部的A1层和处于模型下部的A5层爆破后被抛掷堆积在模型坡脚位置.
由图3可见，在保证其他爆破参数不变，Lm和Ep随q的增加而增大，但这种增大的趋势在逐渐变缓. 可见增大炸药单耗是提高抛掷率的一个手段，但当q大于某一值时，仅靠增加炸药单耗来提高抛掷率收获甚微，且不经济.q>0.51 kg/m3时，爆堆的碎块直径小于9 cm，有效抛掷率可达40%以上；0.51 kg/m3
5 结 论
① 当相似材料的物理力学性质一定，炮孔倾角、最小抵抗线、孔距、孔深不变时，Lm和Ep随炸药单耗q的增加而增大，但这种增大的趋势在逐渐变缓.
② 当q>0.51 kg/m3，有效抛掷率可以达到40%以上；0.51 kg/m3
③ 台阶抛掷爆破后的爆堆前部碎块主要来源于台阶中部岩石，而处于台阶上、下层岩石爆破后被抛掷堆积在台阶坡脚位置.
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(责任编辑：刘雨)
Study on the Bench Cast-Blasting Effects Influenced by Explosive Specific Charge
LI Xiang-long1，2， ZHANG Song-tao1， XU You-zhi1， HU Tao1， HU Hui1， LI Ke-gang1
(1.Faculty of Land Resources Engineer，Kunming University of Science and Technology， Kunming，Yunnan 650093，China; 2.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)
To research the influence of explosive specific charge change on bench blasting throwing results， a similarity criteria was deduced with dimension analysis method for the bench model test based on similarity theory. Five bench models with single-row hole were prepared in a test field using cement mortar in a certain proportion. Based on these bench models， the longest throwing distance and the effective throwout rate were got from explosion experiment. The results show that， anterior fragments of blast heap are mainly derived from the middle layer of bench model. With the increase of explosive specific charge， both throwing distance and throwout rate increase accordingly and gradually tended to be stable; whenq>0.51 kg/m3， the cast percentage can reach more than 40%; as 0.51 kg/m3
explosive specific charge; bench blasting; throwout rate; throwing distance
2015-06-15
国家自然科学基金资助项目(51304087，51564027，41362013)；爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)开放基金资助项目(KFJJ15-14M)
李祥龙(1981—)，男，博士，副教授，E-mail:lxl00014002@163.com.
TD 235
A
1001-0645(2016)12-1233-04
10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.005
