聚能金属射流在光面爆破切缝中的应用与研究

2023-11-08潘佩邦池恩安

矿业工程研究 2023年3期

潘佩邦,池恩安,3*

(1.贵州大学矿业学院,贵州贵阳 550000;2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵州贵阳 550000;3.保利新联爆破工程集团有限公司,贵州贵阳 550000)

自20世纪50年代以来,光面爆破技术逐渐兴起并得到广泛应用,该技术能得到较好的爆破轮廓面,并能保证预留围岩的完整性[1].光面爆破对爆破参数要求较高,如孔网参数的控制[2]、单孔装药量与不耦合系数的选取[3]、填塞质量的保障等,同时还需要根据爆区岩石特性、强度和发育情况,结合施工经验反复试爆,最终才能确定各项参数的取值.但常因爆破参数选取不当导致不能达到较为理想的光面爆破效果,因此国内众多学者在探究如何优化光爆技术的同时引入聚能爆破[4].孙守孝[5]通过对沿空留巷采用定向预裂爆破,得到了良好的切顶成缝效果;肖雄等[6]通过数值模拟验证了两点起爆有利于增强聚能射流侵彻能力;秦健飞等[7]利用双聚能槽药柱实现气刃切缝效果;王乐等[8]利用双向线形聚能效应得到显著预裂缝,并达到减震、隔震效果.

引入聚能穴利用聚能效应可获得一定的光面效果,但对金属射流因素下连续装药结构的非导爆索起爆结构鲜有研究.本文在非导爆索起爆下连续不耦合装药结构基础上,研究利用金属射流和高压气楔共同作用定向切缝,以期达到更好的光爆效果,进而实现优化光爆技术,达到光爆效果更好、半孔率更高的目的.

1 理论分析

2 试验设计

本次试验使用3组混凝土模块进行爆破试验,模块A炮孔为无聚能穴不耦合连续装药结构,模块B炮孔为有聚能穴无金属罩连续装药结构,模块C炮孔为有聚能穴有金属罩连续装药结构,装药结构如图1所示.3组结构均为连续装药,采用普通导爆管雷管同时起爆,对比各组爆破试验的切缝效果,从不耦合装药、聚能穴、聚能金属罩之间的爆破效果差异中寻求优化光爆效果的技术措施.

图1 炮孔装药结构

2.1 试验模块的选取

试验模块采用C60高强度混凝土浇筑成型,长宽高为200 cm×100 cm×50 cm,经标准养护时间后抗压强度可达到60 MPa以上[14],与变质岩类岩石强度相近[15],可近似模拟围岩爆破切缝的真实状态,如图2所示.

图2 混凝土模块

2.2 爆破参数设计

浇筑混凝土时,采用PVC管插入模块内形成固定炮孔.PVC管外径25 mm,内径23 mm,炮孔深度35 cm.根据光面爆破经验公式进行各参数计算.

最小抵抗线可根据W=KD计算.式中:W为光面爆破最小抵抗线;K为计算系数,一般取10～20,软岩取大值,硬岩取小值;D为炮孔直径.

孔距计算公式为A=MW.式中:A为孔距;M为炮孔密集系数,一般取0.6～0.8.

单孔装药量Q的计算公式为Q=qawl.式中:a为孔距;w为最小抵抗线;l孔深;q为单位体积装药量,一般取0.15～0.25 kg/m3,硬岩取大值,软岩取小值.

根据上述公式得到本次试验光面爆破参数如表1所示,孔网布置如图3所示.

表1 爆破参数

图3 孔网参数布置

除表1中爆破参数外,不耦合系数也是影响光面爆破效果的重要因素之一.张迅[16]通过工程实践发现轴向不耦合系数为1.50～2.33时光爆效果最好,为避开本次选用炸药的临界直径区间,装药时A组无聚能穴结构选用外径16 mm、内径14 mm的PVC管形成装药管,不耦合系数为1.79;B,C组聚能穴结构选用外径20 mm、内径18 mm的PVC管形成装药管并放置在炮孔内,不耦合系数为1.39.因B,C组装药管直径略大,所以同等重量相同装药高度的前提下,A组单孔装药密度略大.

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2.3 聚能罩参数设计

2.3.1 聚能罩材料选择

已有众多学者研究发现聚能罩材料与金属射流的形成密切相关[17-18].炸药爆炸压垮金属罩形成爆轰产物,沿着罩体表面垂直方向飞出,此时爆轰产物的射流速度称为来流速度Vf,爆轰产物在聚能罩顶角中线上相遇碰撞形成金属射流和杵体,射流和杵体的速度为Vd,如图4所示.李晓杰等[19]研究发现,来流速度Vf是影响碰撞产生射流和杵体的主要因素,来流速度Vf的产生对聚能罩材料属性有一定的条件要求.作为流出条件,来流速度Vf必须小于聚能罩材料的体波声速,且爆炸产生的驻点压力要远大于聚能罩材料强度.经过大量实践证明:纯铜密度高,可塑性强,是目前使用最多的聚能罩金属材料.为便于研究,本次试验选择纯铜作为聚能金属罩材料,其厚度为0.01 mm.

图4 金属射流产生示意图

2.3.2 聚能罩最优顶角选择

聚能罩顶角的大小对聚能射流的速度有着重要影响.随着顶角的变化,射流与杵体也会随之变化,小锥角(30°～80°)能产生常规射流,多应用于常规破甲弹;中锥角(80°～120°)形成杆式射流;大锥角(120°～160°)常应用于爆炸型弹丸(EFP)[20].焦志刚等[21]运用模拟仿真技术得出聚能罩形成聚能杆式弹丸(JPC)与金属射流(JET)的顶角范围及其转换关系;孙飞等[22]利用数值仿真模拟软件进行计算,得出最优聚能结构参数组合,当聚能罩顶角为90°时聚能切割效果最佳;李晓杰等[19]通过经验公式cosα=(1-sinθ)/cosθ(α为半顶角,θ为弯折角)计算得出,当顶角2α在80°～101°时,金属射流的动能E达到最大.结合上述研究成果并考虑聚能罩制作的便利性,此次试验聚能罩顶角设计为90°.

2.3.3 聚能罩炸高选择

炸高是指聚能罩底边到靶板的距离.炸高过高,会造成金属罩爆轰产物过早汇集而导致能量浪费,影响射流侵彻深度;反之,则导致爆轰产物在未汇集前就撞击靶板,造成方向分散、定向效果不明显、切割能力下降等现象.合理的炸高有利于金属射流的形成及撞击靶板的时间恰当,能量得到最大限度的有效利用[23].根据炸高的经验公式H=hsinαtanα(H为炸高,h为聚能罩直角边长,α为半顶角)[19,22]可知,炸高与半顶角α及聚能罩直角边长h有关.PVC管内聚能罩截面如图5所示,聚能罩为等腰直角三角形,直角边长h确定后炸高即可确定,通过计算得出当h为6.7 mm时,最优炸高为4.8 mm.试验时在PVC管两端外侧缠相同长度胶带,便于装药时孔内固定药包,确保聚能方向两侧炸高一致.

图5 PVC管内聚能罩截面示意图

3组模块炮孔内装药高度一致,根据PVC管截面图计算可知,模块A炮孔内的空气占比约为68.6%,模块B、C炮孔内的空气占比约为59.4%.

2.4 炸药选择与装药结构设计

传统的光面爆破常使用乳化硝铵炸药,采用底部加强装药、中部和上部空气间隔装药的方式,用竹片连接固定,导爆索起爆,而且需要选择合理的单耗药量、单孔装药量和孔网参数,并结合丰富的施工经验,才能获得较好的光面爆破效果.但实际施工时常因作业人员技术参差不齐、装药方式不当、爆破参数选择不合理等原因导致光面爆破效果不佳.此次试验选用贵州盘江化工厂生产的2号岩石膨化硝铵炸药,严格控制线装药密度和装药直径,10 g硝铵炸药装药高度仅为10 cm.膨化硝铵炸药的各项参数值如表2所示.

表2 膨化炸药爆破参数

通过数值模拟发现,一个合理的间隔装药空气比可以提升爆炸能量的利用率,当炮孔中空气比为40%时,混凝土单元从压剪破坏转换为拉伸破坏[24].在梯段爆破中,空气间隔位于装药上部时,能量利用率最大,所以此次试验采取炮孔底部装药,确保填塞长度为15 cm,预留10 cm未装药空间作为应力波的反射增强空间,如图6所示.

图6 炮孔装药结构

3 试验结果及分析

3.1 半孔率

通过对比3组试验模块爆破效果发现,无聚能穴不耦合装药结构(A组)爆破能产生残留半孔,但光爆面不规则,半孔破损率高,光爆效果不佳,爆后石渣最多且粒径较小,半孔率约为66%.A组爆破效果如图7所示.

图7 无聚能穴不耦合装药结构爆破效果

有聚能穴无金属罩装药结构(B组)爆破能产生完整的残留半孔,光爆面沿聚能穴方向分布,但半孔尺寸大小不一,光爆面不平整,爆后石渣较多且粒径大小不一,半孔率约为95%.B组爆破效果如图8所示.

图8 有聚能穴无金属罩装药结构爆破效果

有聚能穴有金属罩装药结构(C组)的光爆效果最好,能产生完整炮孔的残留半孔,光爆面沿着聚能穴方向均匀分布,残留半孔尺寸基本一致,爆后石渣最少,半孔率为100%.C组爆破效果如图9所示.

图9 有聚能穴有金属罩装药结构爆破效果

3.2 爆破振动

本次爆破采用交博L20-N爆破振动仪进行振动数据采集,爆破振动仪距爆点7 m.对3组模块进行振动数据采集后发现:A组最大爆破峰值为1.809 cm/s,B组最大爆破峰值为1.693 cm/s,C组最大爆破峰值为1.606 cm/s,C组有金属聚能罩的爆破振动峰值最小.A组炮孔截面的空气占比为68.6%,B,C组的空气占比为59.4%,理论上爆生气体在预留空间大的A组炮孔中的作用时间更长,即准静态压力做功时间长,有效做功能量更多,产生爆破振动等无效能量转换更少,爆破振动应更小,但试验数据正好相反,说明聚能效应使炸药能量得到了定向释放,能量利用率更高,转化为爆破振动等无效能量更少,更有利于提高炸药能量利用率.