何 理， 鐘冬望， 司劍峰

(1. 武漢科技大學(xué) 理學(xué)院， 武漢 430065； 2.中鐵港航-武科大爆破技術(shù)研究中心， 武漢 430065)

?

臨近邊坡毫秒延時爆破合理延時時間試驗

何 理1,2， 鐘冬望1,2， 司劍峰1,2

(1. 武漢科技大學(xué) 理學(xué)院， 武漢 430065； 2.中鐵港航-武科大爆破技術(shù)研究中心， 武漢 430065)

摘要：臨近邊坡毫秒延時爆破時需綜合考慮巖體爆破效果及保留巖體穩(wěn)定兩方面因素，結(jié)合數(shù)碼電子雷管開展毫秒延時爆破相似模型試驗，采用動態(tài)應(yīng)變測試儀及高速相機(jī)分別對邊坡應(yīng)力場和巖體裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明：減振溝作用下，邊坡表面徑向應(yīng)力峰值由2.26MPa降低為0.84MPa，切向應(yīng)力峰值由1.16MPa降低為0.95MPa，徑向與切向應(yīng)變平均減振率分別為49.4%和35.2%；孔間延時時間為15ms或25ms時，可降低延時時間對應(yīng)變峰值影響；孔間延時時間為11ms時，裂縫寬度平均值為11.79mm，可形成新自由面，孔間延時時間大于15ms，后孔爆破時，前序藥包殘余應(yīng)力場幾近消失。試驗條件下，最優(yōu)孔間延時時間為15ms。

關(guān)鍵詞：邊坡； 毫秒延時爆破； 應(yīng)力場； 爆破效果； 延時時間； 數(shù)碼電子雷管

1引 言

采取毫秒延時爆破手段進(jìn)行巖體爆破開挖時，延時時間過短，后續(xù)藥包起爆時未能形成充分自由面，不利于巖體破碎；延時時間過長，后續(xù)藥包起爆時不能充分利用前孔炸藥能量，喪失巖塊二次碰撞破碎機(jī)會，爆破效果也并非最優(yōu)〔1-3〕。在考慮巖體破碎效果的基礎(chǔ)上，保留巖體在爆破動荷載作用下的穩(wěn)定性問題也不容忽視，由于爆破或地震荷載誘發(fā)的滑坡、邊坡崩塌現(xiàn)象時有發(fā)生，它直接影響工程進(jìn)度及施工人員生命財產(chǎn)安全，動荷載下邊坡動力響應(yīng)問題研究迫切而必要〔4〕。為提高炸藥利用率、降低巖體二次破碎成本、提高生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益，尋求既能改善巖體破碎效果、又利于邊坡穩(wěn)定的毫秒延時爆破延時時間值具有重要意義。

目前何理、鐘冬望、王建國等針對臨近邊坡開挖爆破進(jìn)行了試驗及數(shù)值模擬研究，得到邊坡在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)與破壞機(jī)理〔5-9〕，但同時考慮巖體破碎效果以及邊坡動態(tài)響應(yīng)安全評價的成果卻鮮有報道，基于此，筆者結(jié)合數(shù)碼電子雷管及動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，借助高速攝影技術(shù)，設(shè)計開展臨近邊坡毫秒延時爆破相似模型試驗，同時考慮邊坡應(yīng)力狀態(tài)及巖體破碎效果兩方面的因素，對毫秒延時爆破延時時間進(jìn)行優(yōu)選。

2試驗方案

2.1模型澆注

根據(jù)爆破相似準(zhǔn)則，對臺階爆破取幾何相似比CL=0.05〔10〕，制作水泥砂漿邊坡模型，采用425#硅酸鹽水泥和篩選后的細(xì)砂澆注而成，配比為0.5∶1∶2(水∶水泥∶砂子，重量比)。制作兩個尺寸相同的邊坡模型，1個單孔立方體模型，模型編號依次為1#、2#、3#，在2#邊坡臺階面爆區(qū)與坡面間通過模板預(yù)制減振溝，減振溝寬20mm，深150mm。為改善模型邊界條件的相似性，在1#、2#邊坡模型兩側(cè)加裝兩塊10mm厚鋼板，通過4根鐵絲連接；鋼板與混凝土之間接觸通過安裝3mm厚橡膠墊完成，通過扭緊鐵絲給模型施加預(yù)應(yīng)力。同時澆注3個尺寸為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試樣，其力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　模型力學(xué)參數(shù)

2.2孔網(wǎng)參數(shù)

通過直徑10mm的鋼筋預(yù)制炮孔，1#和2#邊坡模型上炮孔深150mm，孔距150mm，排距100mm，抵抗線150mm，模型尺寸見圖1。

圖1　邊坡模型側(cè)視圖與俯視圖Fig.1　The side view and top view of slope model

3#模型是尺寸為600mm×600mm×400mm的立方體結(jié)構(gòu)，模型澆注過程中用直徑10mm的鋼筋預(yù)制單個炮孔，孔深150mm，最小抵抗線為150mm，單孔立方體模型實物如圖2所示。

圖2　立方體模型Fig.2　Cube model

2.3測試方案

(1)應(yīng)變測試

選用uT7110動態(tài)應(yīng)變測試儀及其相應(yīng)數(shù)據(jù)分析軟件，測試時儀器采樣頻率設(shè)置為128kHz。為研究減振溝對邊坡表面應(yīng)力狀態(tài)影響，應(yīng)變測點布置方案為：在1#、2#邊坡模型坡頂及坡面分別布置兩個測點(A和B以及C和D)，每個測點分別布置了水平、垂直方向電阻應(yīng)變片，見圖1(b)；為分析巖體中應(yīng)力場疊加情況，在1#模型內(nèi)部，與藥包埋深同一高度，距離邊坡臨空面105cm的各排炮孔中垂線上，安裝內(nèi)埋應(yīng)變傳感器，見圖1(a)。

選用隆芯1#數(shù)碼電子雷管模擬單段炸藥爆炸，由銥缽表控制數(shù)碼雷管設(shè)置不同延時時間實現(xiàn)逐孔爆破，分別在1#與2#模型上以孔間延時時間5ms、10ms、15ms、20ms、25ms進(jìn)行逐孔爆破試驗。

圖1(a)中內(nèi)埋應(yīng)變傳感器用于測試混凝土內(nèi)部徑向應(yīng)變，圖1(b)中表面應(yīng)變片用于測試邊坡坡頂與坡面處應(yīng)變(徑向和切向)。

(2)裂縫寬度監(jiān)測

選用數(shù)碼電子雷管模擬單孔炸藥爆破，采用GX-8高速相機(jī)進(jìn)行裂縫擴(kuò)展的高速攝影監(jiān)測。在立方體模型上進(jìn)行單孔爆破試驗時，設(shè)置高速相機(jī)幀率為4000，像幅544×388，前觸發(fā)方式，快門速度為OPEN(248.3μs)模式。高速攝影拍攝方向如圖3(a)所示，爆破過程拍攝完成后在模型自由面裂縫兩側(cè)設(shè)置4個參考點，參考點布置如圖3(b)所示。

圖3　拍攝方案Fig.3　Method of photography

3邊坡應(yīng)力場分析研究

3.1減振溝對應(yīng)力場的影響

1#、2#邊坡模型表面應(yīng)變峰值測試結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，在減振溝作用下，邊坡各測點應(yīng)變峰值均明顯降低，個別增大現(xiàn)象是由于動應(yīng)變測試受周圍電磁干擾所致，統(tǒng)計減振率時舍棄降低率為負(fù)值的測試數(shù)據(jù)。計算得到由于減振溝的存在，徑向應(yīng)變平均減振率為49.4%，切向應(yīng)變峰值平均減振率為35.2%，由此可見，通過在爆區(qū)與邊坡保留巖體間開挖減振溝可大幅降低爆破開挖引起的坡面應(yīng)力峰值，有效改善邊坡應(yīng)力狀態(tài)，利于邊坡穩(wěn)定性。

表2　應(yīng)變峰值數(shù)據(jù)(單位:με)

注：減振率=(ε1-ε2)/ε1×100%，ε1、ε2分別表示1#、2#模型上各測點的應(yīng)變峰值。

根據(jù)表1中模型材料彈性模量E=19GPa，依次計算得到?jīng)]有減振溝的1#模型坡面最大徑向應(yīng)力值為2.26MPa，最大切向應(yīng)力值為1.16MPa；而預(yù)制減振溝的2#模型，最大徑向應(yīng)力與最大切向應(yīng)力分別為0.84MPa、0.95MPa。

3.2延時時間對應(yīng)力場影響

為研究孔間毫秒延時時間對各測點應(yīng)變峰值的影響，定義應(yīng)變波形中前兩次峰值時刻分別為T1、T2，不同孔間延時時間條件下1#模型表面B測點和D測點處應(yīng)變波形峰值時刻見表3。

孔間延時時間為ms量級， 勢必造成段間應(yīng)變波形的疊加，從而導(dǎo)致應(yīng)變峰值時刻差值并非嚴(yán)格的設(shè)計延時時間值，故為定量給出孔間毫秒延時時間對應(yīng)變波應(yīng)變峰值的影響程度，定義參考量Ω：

表3　不同延時時間條件下應(yīng)變峰值時刻

(1)

式中：T1、T2為應(yīng)變波形前兩次峰值應(yīng)變時刻；t0為設(shè)計延時時間值。式(1)中Ω值越大，表明延時時間對應(yīng)變峰值影響越大；反之，亦然。

通過式(1)分別計算出B測點和D測點處徑向與切向應(yīng)變的Ω值，見表4。

表4　各測點處Ω值(ms)

為便于比較分析，Ω與設(shè)計延時時間t0的關(guān)系見圖4。

圖4　Ω與設(shè)計延時時間關(guān)系Fig.4　Relationship between Ω and designed delay time t0

由表4及圖4(a)可以看出，坡頂B測點處切向Ω值在延時時間為5ms～20ms時均比徑向Ω值大，且整體呈現(xiàn)緩慢衰減趨勢，在25ms延時時間時達(dá)到最小值，為0.04；徑向Ω值在10ms延時時間時出現(xiàn)極大值，隨后呈微弱衰減趨勢；毫秒延時爆破開挖巖體，針對邊坡坡頂宜選取孔間延時時間大于10ms，可減少延時時間對應(yīng)變峰值影響，降低應(yīng)變波形的疊加。

由表4及圖4(b)可以得到，坡面D測點處徑向Ω值在0～15ms區(qū)間內(nèi)逐漸減小，而后在20ms時出現(xiàn)極大值，達(dá)到0.31，然后又在25ms延時時間時降低至最小值0.06；切向Ω值隨孔間延時時間增加，呈現(xiàn)升降交替形式變化，在10ms及20ms處出現(xiàn)極大值，在15ms與25ms時均出現(xiàn)最小值，為0.03，近乎趨近于0；臨近邊坡爆破開挖，針對坡面宜選取孔間延時時間15ms或25ms，可降低延時時間對應(yīng)變峰值影響。

綜合B測點和D測點分析結(jié)果可知，試驗條件下，臨近邊坡毫秒延時爆破開挖時，為避免邊坡表面應(yīng)變疊加，建議選取15ms或25ms為孔間合理延時時間值。

4巖體爆破效果分析

4.1合理孔間延時時間計算

為達(dá)到理想的破碎效果，毫秒延時爆破孔間延時時間確立原則為〔11〕：

(1)相鄰炮孔爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波能有效、充分疊加；

(2)不小于單個炮孔起爆形成自由面所需時間；

(3)增加破碎巖塊有效、強(qiáng)烈的碰撞，產(chǎn)生二次破碎。

合理孔間延時時間t由下式計算得到〔2,12〕：

(2)

式中：W為最小抵抗線，m；CP為應(yīng)力波傳播速度，m/s；ηc為巖體裂隙性系數(shù)；vc為裂隙傳播速度，m/s；β為爆破漏斗錐頂角；S為形成新自由面所需最小裂縫寬度，通常取為0.01m；vS為裂縫擴(kuò)展速度，m/s。

4.2結(jié)果及分析

(1)自由面形成時間

高速攝影監(jiān)測完成后，對高速相機(jī)拍攝的畫面進(jìn)行尺寸校準(zhǔn)，計算得到校準(zhǔn)比例為1 Pixel=0.7056mm，并對測量物理量進(jìn)行角度矯正，以ms為單位，取不同時刻裂縫兩側(cè)參考點間距離變化作為裂縫寬度評價指標(biāo)。

(3)

則通過式(3)分別計算出L13、L14、L23、L24，用以表征裂縫寬度隨時間的變化情況并將裂縫寬度的平均值，見表5。

表5　不同時刻裂縫寬度平均值

由表5可以看出，單孔炸藥起爆至9ms時，裂縫寬度平均值已達(dá)到10.23mm，此時L23，L24依次為9.6mm和9.14mm；11ms時，各參考點間距離均達(dá)到10mm，此時裂縫寬度平均值為11.79mm，已充分具備形成新自由面的條件，毫秒延時爆破中，伴隨新自由面的出現(xiàn)，相應(yīng)減小了藥包抵抗線，一定程度上能加大巖石碎塊的運(yùn)動初速度，激發(fā)碎塊相互碰撞，運(yùn)動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功加強(qiáng)二次破碎效果；此后裂縫寬度進(jìn)一步變大，15ms時，裂縫寬度平均值為17.55mm，25ms時裂縫寬度已達(dá)到29.36mm。

故通過高速相機(jī)對裂縫寬度變化情況進(jìn)行監(jiān)測及分析，可以得到試驗條件下，孔間延時時間設(shè)置應(yīng)不小于11ms。

(2)應(yīng)力場疊加分析

試驗測得1#邊坡模型內(nèi)部不同孔間延時時間條件下應(yīng)變波形如圖5所示。

圖5　應(yīng)變波形圖Fig.5　The figures of strain wave

將爆炸應(yīng)變波形全歷程分為主應(yīng)變段與尾應(yīng)變段兩個部分〔13〕，初始應(yīng)變波到波幅衰減至最大幅值的1/e間的波形為主應(yīng)變段，相應(yīng)的持續(xù)時間為爆炸應(yīng)變波持續(xù)時間。圖5(d)與(e)中，當(dāng)孔間延時時間分別為20ms和25ms時，分段應(yīng)變波形幾乎不存在疊加現(xiàn)象，根據(jù)前述方法得到單段炸藥爆炸應(yīng)變波持續(xù)時間為T=12ms～16ms。

定義圖5中各應(yīng)變波形圖中峰值時刻按出現(xiàn)順序依次為t1，t2，t3(25ms時，雷管數(shù)為2發(fā)，故只有t1，t2)，設(shè)Φ=T-(t3-t1)/2，則Φ值可以反映分段應(yīng)變波形間的疊加程度，Φ值越大，表明各相鄰炮孔爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波疊加越充分，越利于巖體的破碎。不同孔間延時時間條件下各應(yīng)變波形疊加情況如表6所示。

由表6可以看出，當(dāng)孔間延時時間為5ms時，波形間疊加現(xiàn)象嚴(yán)重，疊加時長在單段爆炸應(yīng)變波持續(xù)時長的44%以上， 此時各相鄰炮孔應(yīng)變波能有效、充分疊加，相鄰炮孔間巖體受力時間得到延長，利于提高巖體破碎效果?？组g延時時間為10ms時，相鄰炮孔應(yīng)變波部分疊加，從延長巖體中應(yīng)力場狀態(tài)持續(xù)時間角度考慮，仍能改善巖體破碎效果。當(dāng)孔間延時時間為15ms時，相鄰炮孔應(yīng)變波只存在微弱的疊加現(xiàn)象，后孔爆破時，前序藥包殘余應(yīng)力場幾近消失；當(dāng)孔間延時時間達(dá)到20ms以上時，相鄰炮孔應(yīng)變波完全分離，相當(dāng)于單孔單響情況。從加強(qiáng)各相鄰炮孔爆炸應(yīng)力波有效、充分疊加角度考慮，建議孔間合理延時時間設(shè)置應(yīng)不大于15ms。

表6　應(yīng)變波形疊加程度

綜上所述，試驗條件下，為使相鄰炮孔爆炸應(yīng)力波有效、充分疊加，炮孔起爆時有充分自由面，增加破碎巖塊有效、強(qiáng)烈碰撞，加強(qiáng)二次破碎效果，建議孔間合理延時時間選取11ms～15ms。

5結(jié) 論

(1)減振溝作用下，邊坡表面徑向應(yīng)力峰值由2.26MPa降低為0.84MPa，切向應(yīng)力峰值由1.16MPa降低為0.95MPa；徑向與切向應(yīng)變平均減振率分別為49.4%和35.2%?？组g延時時間為15ms或25ms時，可降低延時時間對應(yīng)變峰值影響，避免邊坡表面應(yīng)變疊加。

(2)從自由面形成時間角度考慮，孔間延時大于11ms，后孔起爆時，裂縫寬度平均值達(dá)到11.79mm，形成新自由面，相應(yīng)減小了藥包抵抗線，加大了巖石碎塊運(yùn)動的速度，增強(qiáng)二次破碎效果。從相鄰炮孔爆炸應(yīng)力波疊加角度考慮，孔間延時5ms時，疊加程度在44%以上，利于提高巖體破碎效果；孔間延時10ms時，部分疊加；當(dāng)孔間延時為15ms時，僅存在微弱的疊加現(xiàn)象；孔間延時時間進(jìn)一步增大，相鄰炮孔應(yīng)變波完全分離，相當(dāng)于各炮孔獨立起爆。

(3)綜合考慮邊坡表面應(yīng)力狀態(tài)及巖體爆破效果兩方面因素，試驗條件下，建議選取孔間合理延時時間值為15ms。

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Experimental study on reasonable delay time of millisecond delay blasting near slope

HE Li1,2， ZHONG Dong-wang1,2， SI Jian-feng1,2

(1. College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China；2. CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center, Wuhan 430065, China)

ABSTRACT：The rock blasting effect and stability of reserved rock mass should be considered at the same time in millisecond delay blasting near slope. Combined with digital electronic detonators, the similar model test of millisecond delay blasting was designed and carried out. Dynamic strain tester and high-speed camera were used to monitor stress field and crack propagation of slope rock mass respectively. The results showed that, under the action of damping ditch and on the slope surface, radial peak stress decreased from 2.26MPa to 0.84MPa, tangential peak stress decreased from 1.16MPa to 0.95MPa, and the average damping rates of radial and tangential strain were 49.4% and 35.2% respectively. The influence of delay time on the peak strain was reduced with 15ms or 25ms. The average width of crack was 11.79mm that could form new free surface with delay time of 11ms. The residual stress field of previous explosive charge almost disappeared when subsequent explosive charge detonated with delay time longer than 15ms. Under experimental conditions, the optimal delay time between blasting holes was 15ms.

KEY WORDS:Slope; Millisecond delay blasting; Stress field; Blasting effect; Delay time; Digital electronic detonator

中圖分類號：TD235； O382.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.002

作者簡介：何 理(1986-)，男，博士、講師，主要從事工程爆破與巖石動力學(xué)方面的教學(xué)與科研工作。E-mail： emp-heli@hotmail.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51174147、51574184)；武漢科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(JCX0017)

收稿日期：2015-05-05

文章編號：1006-7051(2016)01-0008-06