空气和水不耦合装药对爆破块度影响分析*

2018-10-09汪海波王梦想王从平

中国安全生产科学技术 2018年9期

龚玖，汪海波，王梦想，宗琦，王从平

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.安徽淮北矿业(集团)有限责任公司，安徽淮北 235000)

0 引言

对于穿山公路，考虑岩石与运输环境，目前普遍采用钻爆法施工，对于路堑边坡目前普遍采用光面爆破，光面爆破半眼残恒率与爆破块度大小是评价爆破效果最重要的指标之一;不同的爆破作业对爆破块度的大小要求各不相同[1-2]，土石方开采爆破要求减少碎石大块率，便于土石方运输。对于煤矿开采，要求尽可能减少粉煤与小块度的产生，以免煤矿在运输过程中造成浪费；针对装药结构对爆破破碎块度的影响，国内一些学者进行了大量的研究。戴俊等[2]通过理论推导求出岩石爆破破碎块体尺寸与炮孔内爆炸压力的关系;宗琦等[3-5]对水不耦合介质孔壁冲击压力和岩石破坏范围进行理论分析、室内试验和现场试验研究;杜俊林等[6-7]对水不耦合介质冲击波的传播和空气不耦合孔壁冲击压力进行了理论分析；蒋复良等[8]通过研究优化了炸药单耗与岩石可爆性分级的基础数据中大块率、小块率之间的关系；刘永清等[9]对耦合装药时爆破破碎块度分布规律进行了分析；蔡峰等[10]研究了水介质不耦合装药在深孔爆破中不耦合系数对爆炸近区和远区的应力波能量的影响；杨小林等[11]对水泥砂浆混凝土进行空气不耦合装药爆破，优化不耦合系数；孙磊等[12]将水不耦合装药应用在煤矿巷道，取得较好的效果；陈志彬等[13]对块度评价指标的选择依据进行了探讨；闫国斌等[14]利用LS-DYNA建立不耦合装药模型进行数值模拟，分析空气和水不耦合装药下孔壁应力与不耦合系数的函数关系。

对于不耦合装药对岩石爆破块度大小的影响，本文结合前人研究成果，从理论上对空气和水2种介质下的爆破块度尺寸进行比较，并通过模型试验，改变不耦合系数，对爆破块度尺寸大小进行回归分析验证，并将试验结果应用于路堑光面爆破，对改善爆破效果有一定的指导意义。

1 不同介质不耦合装药对爆破块度的影响

文献[2]指出了岩石破碎块度尺寸d与炮孔中装药爆炸后在岩石中引起的爆炸荷载p0的关系：

(1)

式中：KIC为岩石的断裂韧度，MPa·m1/2；ρ为岩石容重，N·m-3；c为岩石弹性波速度，m·s-1；K为系数，与岩石性质有关；r为计算点到装药中心的距离，cm；α为爆炸应力波在岩石中的衰减指数；rb为炮孔半径，cm。

(2)

1.1 径向空气不耦合装药

径向空气不耦合装药爆生气体膨胀充满整个炮孔时的气体静压力值p0与不耦合系数Kd的关系为[3]：

(3)

式中：ρe为炸药的密度，g·cm-3；D为爆速，m·s-1；dc为炮孔装药直径，cm；db为炮孔直径，cm；n为爆轰产物碰撞炮眼壁时，压力增加的倍数，n=8～11。

1.2 径向水不耦合装药

(4)

式中：ρw为水的原始密度，g·cm-3；rb，rc分别为炮孔直径和炮孔装药直径，cm。

(5)

爆生气体看成绝热膨胀过程，其膨胀压力变化为：

(6)

式中：x为水的径向压缩量，cm。

达到平衡状态(即x=δ)时的爆生气体的压力为：

(7)

将式(5)和(7)联合可得式(8)：

(8)

将式(8)和式(3)进行比较，得式(9)：

(9)

由式(2)得：

(10)

式中：db为水介质爆破下块度尺寸，mm；d0为空气介质爆破下块度尺寸，mm。

式(9)中分析已知pb>p0，则db

通过以上分析可知：相同起爆条件下，水介质下的爆破块度尺寸比空气介质下爆破块度尺寸小；说明水不耦合装药对爆炸能量的利用率更高，更利于改善爆破效果。

2 模拟试验材料及参数

2.1 混凝土材料尺寸及配合比参数

根据爆破相似准则，本试验取几何相似比CL=0.1，制作尺寸为350 mm×450 mm×700 mm的水泥砂浆混凝土模型。模型由42.5#硅酸盐水泥、筛选后的中砂及水搅拌浇筑而成，配比为水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2。炮孔孔径分别预留为8，10，12，14和16 mm，孔深180 mm。其中，试件模型如图1所示，混凝土模型的物理力学参数见表1。

表1 混凝土模型的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of concrete model

图1 试件模型Fig.1 Specimen model

2.2 爆破块度试验

每种模型各装1发Φ6 mm×44 mm，含0.5 g DDNP电雷管，炮孔填塞材料采用细砂加502胶水混合进行封堵。分别对炮孔填充空气介质和水介质且不耦合系数为1.33,1.67,2.0,2.33和2.67的试验模型进行爆破，为了防止岩石的二次破碎和爆后碎块的飞散，试验在柔性防护罩内进行，爆后收集爆破块度，用直径分别为40，30，25，20，15和10 mm的圆孔筛对块度分级，同时称出重量并计算各等级的百分比。

3 爆破块度试验结果及分析

3.1 爆破块度试验结果

爆破块度试验中空气、水耦合介质爆破块度分布筛下累计量见表2。

3.2 块度分布函数表达式

为了更加直观分析爆破块度与不耦合系数的关系，采用块度分布函数进一步加以研究，常用的分布函数有Rosin-Ramular函数(简称R-R分布)，Gafes-Gandin-Scuhman函数(简称G-G-S分布)[1]，下面采用G-G-S和R-R分布函数进行研究分析。

表2 空气、水耦合介质爆破块度分布筛下累计量Table 2 The tiring measurement of blasting fragmentation distribution under air and water coupling medium %

G-G-S分布函数为：

y=100(x/x0)n

(11)

R-R分布函数为：

y=100{1-exp[-(x/x0)n]}

(12)

式中：y为筛下累计量，%；x为筛孔尺寸，mm；x0为块度分布特征参数;n为分布参数。

为了求出以上分布函数中未知数x0与n，采用一元线性回归分析，首先化非线性回归为线性回归，然后再求出回归方程[15]，对于G-G-S，R-R代换后的形式为：

Y=AX+B

(13)

对于G-G-S分布：Y=lny;X=lnx;A=n;B=ln100-nlnx0

对于R-R分布：Y=ln ln[100/(100-y)];X=lnx;A=n; B=-nlnx0

其中，空气、水介质下块度分布回归分析结果分别见表3～4。

爆破块度回归方程拟合结果表明：无论是空气介质还是水介质，R-R分布比G-G-S分布的相关性高，

表3 空气介质下块度分布回归分析结果Table 3 Results of regression analysis of fragmentation distribution under air medium

表4 水介质下块度分布回归分析结果Table 4 Results of regression analysis of fragmentation distribution under water medium

其相关系数均在0.98以上，因此可用R-R分布函数来描述本次试验的块度分布。

通过爆破块度回归分析，采用K50，K80以及大块率3个指标对爆破效果进行评价。

(14)

(15)

式中：K50，K80分别为50%和80%块度能通过的筛孔尺寸，mm。

本文试验结果将应用于路堑边坡光面爆破，爆破后的土石方将回填在道路路基工程中，一般要求填方料尺寸不大于40 cm，本文模型试验相似比1∶10，所以定义块度大于40 mm的为大块。

大块率的统计是将块度进行筛分后，将尺寸大于40 mm的块度重量与块度总重量相比所得，即在表2空气、水耦合介质爆破块度分布筛下累计量中，用100%减去块度等级小于40 mm的筛下累计量(%)，所得结果即为大块率。

其中，不同介质不耦合系数爆破块度效果分析统计见表5。

表5 不同介质不耦合系数爆破块度效果分析统计Table 5 Analysis and statistics of the effect of blasting fragmentation of uncoupling coefficient under different media

图2 块度指标与不耦合系数Kd的关系Fig.2 Relationship between fragmentation index and decoupling coefficient Kd

3.3 不同介质不耦合系数爆破块度效果分析

根据爆破块度筛分统计结果，作出不同介质下不耦合系数Kd与K50,K80和大块率指标的关系折线如图2所示。

由图2可知，采用水介质不耦合装药的爆破块度评价指标K50,K80和大块率均低于空气介质，与理论推导结果相符；在相同的模型试验中，空气介质和水介质块度指标两者变化趋势基本相同，且两者的块度指标差值随着不耦合系数的增加逐渐增大。

图2中，空气介质中块度指标K50,K80和大块率随着不耦合系数Kd的增加，整体呈现先减小后增大趋势，在Kd=1.67时，K50，K80和大块率分别达到的最小值为34.53 mm，45.95 mm和53.44%；水介质中块度指标K50，K80和大块率与不耦合系数Kd的变化关系基本与空气介质相同，在Kd=1.67时，K50，K80和大块率分别达到的最小值为22.55 mm，30.37 mm和31.10%。

4 现场试验

以某路堑光面爆破施工为例，光爆孔采用直径90 mm钻孔，炸药采用二号岩石乳化炸药，由于药卷尺寸相对固定，为了改善径向不耦合系数，采用2个直径35 mm的药卷捆在一起，等效直径49.48 mm，径向不耦合系数为1.81，药卷固定在竹片上放入炮孔，炮孔内注水、封堵。连接爆破网络，实施起爆，爆破效果如图3所示。