混装炸药的能量与岩石性质匹配研究

2022-12-17王基禹赵明生

爆破 2022年4期

王基禹，赵明生,2

(1.贵州大学矿业学院，贵阳 550000；2.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002)

炸药与岩石匹配一直是爆破工程领域尚未完全解决的重大难题，当前炸药与岩石匹配的理论主要分为波阻抗匹配、全过程匹配和能量匹配[1,2]。国内外许多学者都进行了相关的研究，也取得了一些建设性的成果。目前，波阻抗匹配理论是爆破工程中运用最为广泛的炸药与岩石匹配理论。该理论根据炸药岩石界面上冲击波的入射和反射效应，认为炸药与岩石的波阻抗相等时，能量利用率最高。李夕兵等以传递到岩石介质中的最大爆炸能量为目标[3]，通过理论分析和数值计算，改正了合理匹配时岩石与炸药参数之间的关系，为爆破开挖中的炸药选择提供了科学依据。杨仁树等利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统[4]，对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明，岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。叶海旺等基于BP神经网络和模糊数学方法[5]，建立了炸药与岩石匹配模型，解决了岩石的复杂多变性和爆破过程的复杂性等问题。赵明生等通过理论分析和现场试验研究了不同混装炸药配方对炸药波阻抗的影响[6]。结合现场岩石地质条件及炸药能量利用率，设计了不同的炸药配方，实现了炸药与岩石的能量匹配、提高了炸药能量利用率、提升了爆破效果。

目前，国内外专家对于炸药与岩石的全过程匹配研究较少。其中，郭子庭等根据三维动应力场以及简化的气体扩裂和能量分配模型[7]，分析计算了爆破破碎过程各阶段的能量分配关系，并得出在炸药与岩石匹配时，应考虑爆破全过程的炸药、岩石和孔网参数等综合因素，进而提出了炸药岩石全过程匹配的观点和具体要求。同时，部分国内专家从能量的角度出发，对炸药与岩石匹配进行了大量研究。赖应得提出采用增减装药量来适应破碎岩石所需的能量[8]，通过对岩巷掘进小直径中深孔直眼分段掏槽机理和参数的分析。徐颖等研究了掏槽爆破装药爆炸能量与岩体自身损伤状态的匹配[9]，得出分段装药利用其在岩石中的残余应力和大量的爆生裂隙，增强了岩石的破碎，同时也改善了炸药爆炸能量与岩石破碎的匹配关系。冷振东等从爆破破碎机理出发[10]，在保证相邻炮孔间岩石充分破碎的前提下，通过对粉碎区的合理控制来确定钻孔爆破最优的炸药性能参数，提出了炸药与岩石能量匹配准则。

目前的对于炸药与岩石匹配的研究主要集中在波阻抗或者过程研究，对于基于能量理论的炸药与岩石匹配研究较少。本文结合岩石力学试验和混装炸药配方多样性研究，基于能量匹配理论，建立了基于神经网络的炸药与岩石能量匹配模型，将该匹配模型在新疆某露天煤矿爆破施工现场进行推广应用，为改善爆破效果、提高炸药能量利用率奠定基础。

1 岩石破坏模式分析

以新疆某露天煤矿1252平盘、1228平盘、1180平盘的岩石为研究对象，对该平盘的岩石进行取样，共制取了静力学试验岩石试样34个，动力学试验岩石试样15个。通过为了测得矿岩的基本物理力学性质，将分别进行室内单轴压缩实验、巴西劈裂拉伸实验，获取岩石的单轴抗压强度、抗拉强度等力学参数。单轴压缩实验用试样为φ50 mm×100 mm圆柱体，拉伸实验用试样为φ50 mm×30 mm圆盘体，SHPB动态压缩实验用试样为50 mm×25 mm(φ×L)圆柱体。标准试样如图1所示。

图 1 部分标准试样Fig. 1 Standard samples

通过静力学试验试验得到1252、1228和1180各平盘采集的岩石试样的单轴抗压强度平均值为82.40 MPa、133.43 MPa和92.10 MPa，岩石的弹性模量平均值分别为26.37 GPa、14.68 GPa和17.74 GPa，泊松比平均值分别为0.29、0.24和0.29。各平盘岩石的平均抗拉强度为4.28MPa、3.92 MPa和8.25 MPa。

岩石动力学试验基于保利新联爆破工程有限公司民爆工程实验室内的改进式SHPB实验平台，得到不同冲击气压下应力时间曲线如图2所示。从岩石应力时间曲线中可以发现，岩石的最大应变值与冲击荷载强度无明显关系。此外，随着冲击气压的增加，其峰后曲线越陡。这说明动态扰动强度不光影响岩石的动态压缩强度，同时对岩石破坏后的残余强度也有重要的影响。

图 2 不同冲击气压下岩石应力时间曲线Fig. 2 Stress-time curve under different impact pressure

为深入研究岩石整体破裂、失稳机理及其发展过程，选取岩石在不同冲击气压值下岩石破坏过程列于图3中，考察单轴加载下岩石的最终破坏模式。由图可以看出岩石在轴向冲击荷载作用下首先沿环向产生大量裂纹，裂纹产生的原因是由于应力波在试件传播过程中发生反射产生的反射拉伸波所引起。进一步，岩石基本上失去了承载能力，破坏更加充分，破碎块度更小，最后在应力应变曲线下降的最后阶段岩石已经完全失去承载能力。

图 3 不同冲击气压下岩石试验的破坏过程Fig. 3 Failure process of rock test under different impact pressure

2 现场混装乳化炸药配方多样性研究

从能量匹配原理可知，只要求破碎岩石所需的能量做功和炸药爆炸产生的能量相等或接近相等就可以，不要求严格硬岩用高威力炸药，软岩用低威力炸药，而是通过增减装药量来调节爆炸能量大小，以适应岩石硬软程度。因此只需要设计出几组不同性能的炸药配方，再根据实际情况，调整装药量即可。混装乳化炸药的主要成分由硝酸铵、硫脲、水、乳化剂和油相组成。基于现场地面站生产条件，通过调整混装乳化炸药各组分含量来改变炸药的性能，获得5种不同性能的现场混装乳化炸药，如表1所示。

表 1 现场混装乳化炸药配方

进行混装乳化炸药爆速测试，采用外径110 mm PVC管装满混装炸药，使用双层塑料薄膜封口，用缠绕漆包线作为靶线探针，共设置五组探针，现场基时设置为0.1 μs，靶距为230 mm。爆速测试仪器为ZBS-10型智能十段爆速测试仪。每组试验现场爆速测试方法如图4所示。

图 4 现场爆速测试Fig. 4 Field detonation velocity test

根据现场测试，爆轰波在传递到PVC管第三段时可达到稳定爆轰，因此选取第三段的爆速值作为测试结果。共进行了5次爆速试验，每次试验测试2组爆速，共获得10组测试结果。爆速及密度测试结果如表2所示。

如表2所示，E1配方炸药平均爆速分别为5060.5 m/s，可作为高威力炸药使用。E2和E3配方炸药平均爆速分别为4539 m/s和4263.5 m/s，可作为中威力炸药使用。E4配方和E5配方炸药平均爆速分别为3593 m/s和3502 m/s，可作为低威力炸药使用。

表 2 混装乳化炸药爆速测试结果

结合成本考虑，虽然E2和E3配方炸药都可作为中威力炸药使用，但因为E3配方水含量较多，成本更低，因此优先使用E3配方炸药。E4和E5配方炸药爆速相近，前文实验结果表明，当水含量超过17%以上时，乳化基质稳定性会随水含量的增大快速下降，因此优先使用E4配方炸药。

3 炸药与岩石智能匹配研究

本模型的设计思路是在获取了现场的岩石力学参数后，根据要达到的爆破效果，匹配炸药性能合适的炸药配方，再结合炸药与能量匹配定律，对现场的实际装药情况进行优化，以达到改善爆破效果的目的。因此，模型的输入层包括岩石力学参数、现场情况和爆破效果要求三方面，输出层包括炸药性能参数和爆破设计参数两方面。BP神经网络结构如图5所示。

图 5 神经网络模型Fig. 5 Neural network model

选取矿山1252、1228、1180不同平盘典型爆破数据18组岩石性质、现场条件、爆破效果、炸药性能、爆破参数进行数据统计，将收集的工程实践数据进行样本训练和检测。取18组数据中的15组数据作为训练样本对模型进行训练，将剩下的3组数据作为检验样本对模型进行验证。测试样本的测试结果如表3所示。

如表3所示，三组预测的平均误差分别为5.09%、7.26%和4.79%，最大输出值误差为16.00%，误差超过百分之十的输出值共有4个，其余误差均小于百分之十，说明该模型可应用于工程实践。

表 3 神经网络预测结果对比

4 工程应用

根据现场生产计划，选定1252西平台、1228东平台和1180西平台为试验区域分别进行试验，每次试验共分三组，第一组为原爆破设计，第二组为经模型预测的孔网参数，但采用原配方炸药装药，第三组为采用模型预测的孔网参数和能量匹配的炸药进行装药。其中第一组和第二组为对照组。各平盘试验参数如表4所示。

表 4 不同平台试验参数

爆破后及时采集爆堆图片，使用块度分析软件Split-Desktop 2.0对爆破后的爆堆块度进行统计分析。统计结果表明：1252西平台三组试验大块率分别为10.1%、13.4%、6.1%，1228东平台三组试验大块率分别为8.6%、8.9%、4.8%，1180西平台三组试验大块率分别为7.4%、7.7%、5.8%。应用炸药与岩石能量匹配模型，各台阶大块率降低效果明显，爆堆块度分布更为集中，有效提高了后续铲装效率。