轴向不耦合装药爆破应用研究

2017-07-24唐明渊余红兵

采矿技术 2017年4期

关键词：孔口装药炸药

唐明渊,康强,余红兵

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵州贵阳 550002; 2.贵州贵安新联爆破工程有限公司, 贵州贵阳 550025)

轴向不耦合装药爆破应用研究

唐明渊1,2,康强1,余红兵1

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵州贵阳 550002; 2.贵州贵安新联爆破工程有限公司, 贵州贵阳 550025)

轴向不耦合装药是一种有效的爆破装药技术。以往研究显示,轴向不耦合装药在减少炸药用量同时,能够改善爆破效果。为了取得良好效果,轴向不耦合装药必须采用适合的爆破参数。采用数值模拟及现场试验,研究了轴向不耦合装药的间隔位置及间隔长度对爆破效果的影响,并探讨了合理参数范围。该研究结果可以为工程爆破施工提供参考。

间隔装药;数值模拟;现场试验;爆破参数

0 引言

影响钻孔装药爆破效果的因素众多,炮孔装药结构是影响效果显著的一项主要因素。钻孔装药在爆破技术发展历史中最终取代了裸露药包爆破,其原因就在于对炸药爆炸能量的充分利用,而在爆破技术多年的发展了历程中,工程人员为了适应各种环境与需求又发明了多种钻孔装药方式—一般的连续耦合装药、预裂爆破与光面爆破、药壶爆破等等。通过改变装药结构,控制炸药爆炸瞬间的爆轰压力,不同的装药结构可以形成切缝、破碎、抛掷等差别极大的爆破效果。轴向不耦合装药是工程技术人员发明的一种旨在改善岩土爆破效果、降低爆破成本的技术手法。以往的研究以工程实践为主,并从实践中取得了较好的应用反馈。轴向不耦合装药结构的参数多于一般的连续耦合装药,除炸药种类、单耗外,还需考虑不耦合的位置、数量及不耦合部位长度与使用的材料。本文结合数值模拟与现场试验,对轴向不耦合装药的应用进行了研究。

1 数值模拟

ANSYS/LS－DYNA数值模拟软件可以进行有限元分析,广泛应用于许多领域。该软件对爆破模拟提供了多种模拟手法。由于不耦合装药涉及到空气在爆轰过程中对岩体的作用,需要考虑气体作用于岩体的效应,因此本文选择采用多物质流固耦合算法(ALE)进行模拟研究,可以避免拉格朗日算法爆炸模拟时网格变形过大的问题。数值模拟模型选择建立单炮孔中深孔模型,炮孔孔径90mm,孔深9m,台阶高度为8m,堵塞长度3m,反向起爆。图1为模型示意图,模型中AB、BC、CD面为自由面,正面为对称面,其余各面均施加无反射边界模拟无限域。

图1 典型模型(单位:m)

模型中岩石采用动力塑性材料∗MAT_PLASTIC_KINEMATIC,炸药采用材料∗MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN及相关状态方程∗EOS_ JWL,各材料参数具体设置见表1～表5。

表1 岩石材料参数

表2 炸药材料参数

表3 炸药状态方程参数

表4 空气材料参数

表5 空气状态方程参数

本文主要对轴向不耦合位置和长度的影响进行研究。不耦合的位置分五种:顶部、底部、中上部、正中部、中下部。不耦合长度以不耦合长度与不耦合及装药段长度之和的比例计量,范围为10%、15%、20%、25%、40%、50%六种情况,另外以连续耦合装药作为对比。对于分为两个装药段的中部不耦合情况,上下两段装药均为反向起爆。

轴向不耦合爆破的模拟效果见图2,图2中显示了不同工况下的岩体损伤范围,随着颜色由红色到绿色的渐变,损伤程度逐渐降低。

对比不同轴向不耦合位置及长度的损伤效果,可以得到以下结论:

(1)不耦合长度对于爆破效果的影响极为显著。不耦合段周边的损伤明显低于装药段的损伤情况。孔口与孔底不耦合区域岩体破碎效果受到的影响非常显著,孔口和孔底的岩体随着不耦合长度的增大损伤范围逐渐缩小,40%、50%的不耦合长度比例下甚至没有损伤。这表示孔口、孔底的岩体基本没有破碎,形成了大块岩石与大片根底。

(2)不耦合段位于中部的3种情况,在相同不耦合比例横向对比,损伤范围明显大于孔口与孔底位置的不耦合装药,30%以下时的损伤范围与连续耦合装药的范围基本相同,只是以红色表示的过度破坏区域比连续耦合装药少。这些情况表明不耦合位置置于中部比孔口或孔底的效果要好,而且爆破效果在30%比例以下时和连续耦合装药爆破的效果接近。

(3)孔口与孔底位置不耦合装药情况下,可以发现炮孔的孔顶孔底端部有红色损伤区域。在大比例不耦合情况下,红色区域周边甚至完全没有损伤。中部不耦合装药的三种情况可以发现炮孔中部的损伤加强现象。孔顶与孔底的端部损伤加强和中部不耦合装药的中部损伤加强现象,验证了孔口与孔底空气层端部应力增强效应与中部不耦合上下段装药爆破冲击波叠加的观点。

图2 不同工况损伤范围

2 现场试验

在贵州省遵义市郊区某地的场平工程现场开展了不耦合装药的现场试验。该区域岩石为陡倾斜中厚层灰岩、中等程度风化、南北走向,岩石的普氏硬度系数f＝8～10。岩体的节理一定程度发育,经详细线测量节理间距平均约为30～40cm。

现场试验每次选择2排共6孔爆破,每次试验的台阶高度、炮孔直径、炮孔孔深、炸药种类等等参数均与数值模拟相同。数值模拟的5种不耦合位置及6种不耦合比例均在现场试验中进行了验证。试验采用40mm直径PVC管作为不耦合段的支撑装置。现场试验所用炸药类型为3500m/s爆速的现场混装铵油炸药。爆破采用导爆管雷管网路起爆,孔外3段雷管传爆,孔内采用10段管起爆。

试验结果主要对比爆后大块率及平均块度,此处大块是指1m以上岩块。试验所用的块度分析软件为澳大利亚产的爆破爆堆专用的商用图像分析软件。根据软件分析结果,不同工况现场试验的爆破块度分布效果见图3、表6及表7。