李祥龍， 張松濤， 徐有志， 胡濤， 胡輝， 李克鋼

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南，昆明 650093；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

炸藥單耗對臺(tái)階拋擲爆破效果的影響研究

李祥龍1，2， 張松濤1， 徐有志1， 胡濤1， 胡輝1， 李克鋼1

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南，昆明 650093；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

為研究炸藥單耗的改變對臺(tái)階爆破拋擲效果的影響，以相似理論為基礎(chǔ)，利用量綱分析法推導(dǎo)出了臺(tái)階模型試驗(yàn)應(yīng)遵循的相似準(zhǔn)則，在試驗(yàn)場采用一定配比的水泥砂漿制作了5個(gè)單排孔臺(tái)階模型，統(tǒng)計(jì)了爆破后的最遠(yuǎn)拋擲距離和有效拋擲率. 模型試驗(yàn)結(jié)果表明：爆堆前部碎塊主要來源于臺(tái)階模型中層，最遠(yuǎn)拋擲距離和有效拋擲率隨炸藥單耗的增加而增大，但增大的趨勢逐漸變緩；當(dāng)q>0.51 kg/m3時(shí)，有效拋擲率可以達(dá)到40%以上；當(dāng)0.51 kg/m30.63 kg/m3時(shí)，拋擲率隨單耗增大而增加的速率變小.

炸藥單耗；臺(tái)階爆破；拋擲率；拋擲距離

相似模型試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)技術(shù)，是利用事物或現(xiàn)象間存在的相似和類似特征來研究自然規(guī)律的一種方法[1]. 中國學(xué)者徐連波[2]用量綱分析的方法研究了爆破相似律的一些問題，將影響爆破效果的參數(shù)分為幾何參數(shù)、介質(zhì)參數(shù)、炸藥爆炸參數(shù)、坐標(biāo)參數(shù)，并對無限介質(zhì)中的爆破、水壓爆破和拆除爆破等問題進(jìn)行了探討. 段卓平等[3]采用量綱分析對內(nèi)部爆炸作用下有限厚混凝土靶背面震塌破壞進(jìn)行研究，得到了臨界震塌厚度的工程計(jì)算式. 張海英等[4]通過設(shè)計(jì)不同炸藥埋深的混凝土靶模型爆炸試驗(yàn)，研究了有限厚度混凝土靶背面的臨界震塌條件. 在相似材料的配置方面，楊振生、劉俊軒等[5]通過對不同配比下相似材料的強(qiáng)度變化特性進(jìn)行研究，得出在巖性模型試驗(yàn)中，以石膏和水泥為膠結(jié)物，輔以一定級(jí)配的石英砂和碎石作為骨料，其物理力學(xué)性能與礦巖較為接近. 李祥龍等[6]基于相似材料制作了一系列爆破漏斗試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?yīng)用高速攝影技術(shù)研究了爆破自由面鼓包運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

本文基于相似理論設(shè)計(jì)臺(tái)階高度H、炮孔直徑d、炮孔傾角α、孔距a、最小抵抗線W等參數(shù)均不變，僅通過改變炸藥單耗q(首排孔)，開展5組相似材料爆破模型試驗(yàn)，研究不同炸藥單耗對臺(tái)階拋擲爆破效果的影響.

1 模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

1.1 材料相似

目前尚無法人工制作與天然土巖性質(zhì)完全一致的模型材料，因而材料相似只能近似滿足. 材料的相似指標(biāo)可考慮按材料的單軸抗壓強(qiáng)度σ或材料的密度ρ計(jì)算[7-8]為

(1)

(2)

式中：σm為相似材料的單軸抗壓強(qiáng)度；σo為礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度；ρm為相似材料密度；ρo為礦巖的密度.

1.2 幾何相似

幾何相似條件是模型試驗(yàn)應(yīng)滿足的基本條件之一，文獻(xiàn)[9]推薦模型尺寸比例與孔徑比例一致，模型孔徑設(shè)計(jì)為6 mm，黑岱溝露天煤礦深孔爆破孔徑為310 mm，為方便計(jì)算，幾何相似比n取整數(shù)1/50.

1.3 動(dòng)力相似

模型試驗(yàn)的炮孔直徑遠(yuǎn)小于黑岱溝露天煤礦拋擲爆破使用的銨油炸藥臨界直徑，故選擇導(dǎo)爆索(線裝藥密度25 g/m)作為動(dòng)力源. 黑索金炸藥爆力值為480 mL，礦山用銨油炸藥爆力值為300～315 mL，換算系數(shù)k=0.625. 模型試驗(yàn)中黑索金(RDX)的單耗為

(3)

式中：qo為礦巖第一排孔的炸藥單耗；k為換算系數(shù)；η＇為相似材料密度與礦巖密度的比值.

2 臺(tái)階模型設(shè)計(jì)

根據(jù)黑岱溝露天煤礦巖體的主要巖性指標(biāo)與模型試驗(yàn)間的相似準(zhǔn)則，采用標(biāo)號(hào)為32.5的普通硅酸鹽水泥和普通建筑用3.0等級(jí)高強(qiáng)石膏粉為膠結(jié)料，石英砂和碎石為骨料，按質(zhì)量配比為水泥：石膏：石英砂：碎石(小于7 mm)=1.00∶0.45∶3.82∶3.82制作相似巖石砂漿模型.

為降低模型的邊界效應(yīng)，此次試驗(yàn)使用厚鋼板制作模具，且不脫模，便于試驗(yàn)過程中在模型邊界施加約束力. 在模型的斜面用螺栓固定木板，使之能在拆除時(shí)形成自由面. 同時(shí)，為了預(yù)留炮孔，在模具內(nèi)部特定位置設(shè)置使用3根活動(dòng)的光圓鋼筋(直徑1 cm)，待砂漿硬化后抽出.

為方便觀察爆破后模型不同層位碎塊的散落位置，采用與臺(tái)階模型相同材料配比的水泥砂漿，通過混入不同顏色的顏料，制作了紅色、黃色、綠色、咖啡色、黑色的追蹤磚塊，尺寸為90 mm×35 mm×15 mm. 在臺(tái)階模型澆筑時(shí)預(yù)埋入設(shè)計(jì)位置. 追蹤磚塊的具體布置為：沿臺(tái)階模型全高自上而下分為6層，每層設(shè)置不同顏色的追蹤塊. A1～A5各層布置同顏色追蹤塊3個(gè)，層高均為1倍抵抗線長度. A6層用于模擬煤層，不設(shè)追蹤塊.

為了將初凝時(shí)間控制在45～60 min，攪拌時(shí)添加了一定量濃度為1%的硼砂溶液作為緩凝劑. 5個(gè)模型濕養(yǎng)不少于2周，且在自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)時(shí)間總共不低于28 d[10](實(shí)際養(yǎng)護(hù)了34 d).

3 模型試驗(yàn)

成型后的模型與礦山現(xiàn)場對比如圖1所示.

為研究炸藥單耗q(首排孔)與拋擲效果的關(guān)系，試驗(yàn)設(shè)計(jì)臺(tái)階高度、炮孔直徑、炮孔傾角、孔距、最小抵抗線均不變，其中：孔距為22 cm；孔深為75 cm；炮孔傾角為75°；最小抵抗線為14 cm. 僅改變炸藥單耗，礦山現(xiàn)場首排孔的銨油炸藥單耗約為1.00～1.20 kg/m3，根據(jù)動(dòng)力相似比轉(zhuǎn)換得到模型試驗(yàn)RDX炸藥單耗為0.51～0.63 kg/m3，試驗(yàn)單耗分別取0.51，0.54，0.57，0.60，0.63 kg/m3，分5組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要爆破參數(shù)如表1所示.

表1 模型爆破試驗(yàn)主要參數(shù)

按表2參數(shù)對5個(gè)臺(tái)階模型逐一爆破，統(tǒng)計(jì)爆破試驗(yàn)效果如表2所示，其中模型1-3爆破后效果如圖2所示.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

炸藥單耗q變化對最遠(yuǎn)拋距Lm及有效拋擲率Ep的影響規(guī)律如圖3所示.

由圖3可見，爆炸結(jié)束后，在模型上部形成了偏向自由面方向的漏斗坑，并在炮孔位置沿軸線方向形成3個(gè)直徑為4.5～5.0 cm的半圓柱體爆炸空腔. 碎塊主要分布在長為1.6 m，寬度為3倍孔距的采空區(qū)(依據(jù)礦山現(xiàn)場布置). 由于試驗(yàn)本身爆破方量較少，未在采空區(qū)形成有規(guī)律形狀的爆堆，從爆破后追蹤點(diǎn)的位置可以得知，爆堆前部巖塊主要來源于模型中部的A2，A3，A4層，而處于模型上部的A1層和處于模型下部的A5層爆破后被拋擲堆積在模型坡腳位置.

由圖3可見，在保證其他爆破參數(shù)不變，Lm和Ep隨q的增加而增大，但這種增大的趨勢在逐漸變緩. 可見增大炸藥單耗是提高拋擲率的一個(gè)手段，但當(dāng)q大于某一值時(shí)，僅靠增加炸藥單耗來提高拋擲率收獲甚微，且不經(jīng)濟(jì).q>0.51 kg/m3時(shí)，爆堆的碎塊直徑小于9 cm，有效拋擲率可達(dá)40%以上；0.51 kg/m30.63 kg/m3時(shí)，拋擲率隨單耗增大而增加的速率變小.

5 結(jié) 論

① 當(dāng)相似材料的物理力學(xué)性質(zhì)一定，炮孔傾角、最小抵抗線、孔距、孔深不變時(shí)，Lm和Ep隨炸藥單耗q的增加而增大，但這種增大的趨勢在逐漸變緩.

② 當(dāng)q>0.51 kg/m3，有效拋擲率可以達(dá)到40%以上；0.51 kg/m30.63 kg/m3時(shí)，拋擲率隨單耗增大而增加的速率變小.

③ 臺(tái)階拋擲爆破后的爆堆前部碎塊主要來源于臺(tái)階中部巖石，而處于臺(tái)階上、下層巖石爆破后被拋擲堆積在臺(tái)階坡腳位置.

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(責(zé)任編輯：劉雨)

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/m30.63 kg/m3， the cast percentage increases with explosive specific charge， but with a smaller increasing rate.

explosive specific charge; bench blasting; throwout rate; throwing distance

2015-06-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304087，51564027，41362013)；爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(KFJJ15-14M)

李祥龍(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