洪 泳，馬宏昊,2，沈兆武，任麗杰，崔 宇，趙 凱

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026;2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，許多爆破過程都可以采用機(jī)械手段代替。Jimeno等[1]、Langefors等[2]、Ramezanzadeh等[3]認(rèn)為，在巖巷掘進(jìn)中，特別是硬巖條件下的巖石開挖中，鉆爆施工依然是最主要，最有效的方法。傳統(tǒng)爆破方式主要使用壓應(yīng)力對(duì)巖石進(jìn)行初始破壞，由于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較高，導(dǎo)致爆破用藥量大，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較大的振動(dòng)，危害周邊結(jié)構(gòu)，降低了圍巖的穩(wěn)定性[4]；而大藥量又會(huì)產(chǎn)生超挖現(xiàn)象，給后續(xù)爆破工作帶來不便，增加清理時(shí)間與額外支出。目前巖石巷道多數(shù)采用淺孔小循環(huán)鉆爆掘進(jìn)方式，炮孔利用率低，循環(huán)進(jìn)尺慢。針對(duì)這種現(xiàn)狀，學(xué)者們也提出了許多提高爆破效率的方法。Mohanty[5]最先提出在裝藥孔間設(shè)置空孔來達(dá)到控制爆破裂紋擴(kuò)展的方向，并隨后通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試進(jìn)行了證明。劉優(yōu)平等[6]對(duì)含空孔掏槽爆破中的空孔作用進(jìn)行了研究，從理論上得出了空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)，并通過現(xiàn)場對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，適當(dāng)加大空孔孔徑是提高巷道爆破掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺行之有效的方法；戴俊等[7]采用三角柱直眼掏槽爆破方式提高平巷掘進(jìn)爆破效率；葉曉明等[8]提出一種三維(螺旋)切槽孔爆破方法，使切槽孔爆破突破定向成縫的范圍，進(jìn)入松動(dòng)、破碎爆破領(lǐng)域，使其獲得更大的應(yīng)用前景。Nakamura等[9]進(jìn)行了爆破裂紋擴(kuò)展控制實(shí)驗(yàn)，并對(duì)普通空孔和在空孔兩側(cè)切槽對(duì)爆生裂紋擴(kuò)展的影響進(jìn)行了分析。Chen等[10]采用“先切后掏”的爆破技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種殼體環(huán)向聚能致裂器；陳世海等[11]通過比較各種不同掏槽形式爆破的實(shí)驗(yàn)效果，得出復(fù)式桶式掏槽完全適合于中深孔爆破。眾所周知，自由面的存在可以大大提高爆破效率，沒有自由面的情況下爆破效果將會(huì)顯得特別地差[12]。取巖芯技術(shù)是一種用于地質(zhì)勘探領(lǐng)域的方法，可以在巖石周邊形成一個(gè)環(huán)形自由面，利用該自由面只需很小的藥量即可達(dá)到高效爆破的目的，再加上目前人造金剛石工藝已十分成熟，使得金剛石鉆頭的成本大大降低，取巖芯鉆頭尺寸也可做得很大，使取巖芯技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能?；谏鲜霰尘?，本文中提出基于環(huán)形自由面的巖土爆破技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出取巖芯技術(shù)可以提高掏槽爆破的效率，且降低炸藥單耗，減少爆破振動(dòng)。

1 基于環(huán)形自由面巖石爆破技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查工作或工程的需要，使用環(huán)狀巖芯鉆頭及其他取芯工具，從孔內(nèi)取出的圓柱狀巖石樣品，該樣品稱為巖芯。將該技術(shù)應(yīng)用于巖石的爆破，具體過程如圖1所示。

使用大直徑取巖芯機(jī)，將巖芯鉆頭鉆至目標(biāo)位置，然后撤出巖芯鉆頭，形成環(huán)形自由面，將巖芯打孔裝藥之后爆破取出，形成規(guī)整的大直徑空孔，由于巖芯鉆頭為空心鉆，鉆孔期間并不需要磨削很大的巖土量，因此鉆孔時(shí)間較短。以實(shí)驗(yàn)室用臺(tái)式鉆孔機(jī)為例，在混凝土試件上鉆取深度為25 cm、直徑為20 cm的巖芯孔僅需1 min，而普通鉆頭根本無法鉆取如此大直徑空孔，需要?jiǎng)佑么笮豌@孔設(shè)備，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在實(shí)際應(yīng)用中，巖芯鉆所能鉆取的孔直徑必定遠(yuǎn)大于普通鉆頭所能達(dá)到的孔直徑，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)鉆孔受鉆頭尺寸制約的限制，具有先天的優(yōu)勢，鉆孔效率高。

取巖芯技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)環(huán)形自由面，沖擊波在此自由面上反射產(chǎn)生拉應(yīng)力。該拉應(yīng)力有兩個(gè)重要作用：首先，有利于從已有的巖石裂隙中破碎巖石[13]；其次，由于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，該拉應(yīng)力將在巖芯表面形成層裂現(xiàn)象[14]，因此僅需要一點(diǎn)炸藥即可分離巖芯與底部巖石，且振動(dòng)很小。

2 數(shù)值模擬

由于取巖芯模型爆破過程復(fù)雜，因此首先采用LS-DYNA軟件對(duì)該模型進(jìn)行模擬，以預(yù)估爆炸效果，并獲得相關(guān)爆炸參數(shù)。計(jì)算模型由炸藥、混凝土和空氣組成，炸藥與空氣采用ALE算法，混凝土采用拉格朗日算法?；炷僚c炸藥、空氣之間采用流固耦合接觸算法。整個(gè)模型采用cm-g-μs單位制。

在本文中，藥包質(zhì)量與藥包位置對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生的影響最大，因此對(duì)其進(jìn)行若干次調(diào)整，以獲得最佳爆破效果，并將這些爆破參數(shù)用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)之中。

2.1 取巖芯模型

所建立的取巖芯模型為圓柱模型，由于模型是軸對(duì)稱模型，所以采用四分之一模型建模，其中模型總高度為30 cm，直徑為20 cm，巖芯直徑為10 cm，巖芯高度為20 cm，空氣間隙厚度為1 cm。所用炸藥為1 g，且其與巖芯底部留有2 cm間隙。

為了模擬混凝土的爆炸破壞，引入了失效關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION，當(dāng)混凝土所受拉應(yīng)力達(dá)到其失效應(yīng)力，即拉應(yīng)力為2.5 MPa時(shí)混凝土單元將被刪除。

2.2 模擬結(jié)果

巖芯爆破過程如圖3所示。

從圖3中可以看出，爆炸產(chǎn)生的壓力由巖芯底部傳遞到到巖芯上部，少部分傳遞到巖芯下方混凝土，爆炸壓力沒有傳遞到巖芯環(huán)外的混凝土上。從爆破結(jié)果來看，巖芯底部破碎充分，根部基本與底下水泥斷裂，巖芯頂部產(chǎn)生裂隙，破壞較小，而巖芯外圍巖體則不受爆炸影響，空氣隙的存在對(duì)外圍巖體起到了很好的保護(hù)作用。

為使圖表清晰，從模型上選取4個(gè)單元，如圖4所示。觀察壓力隨時(shí)間變化曲線，其周圍單元曲線如圖5所示，圖5中可以看出，巖芯底部混凝土所受最大拉應(yīng)力為1.8 MPa，而外圍混凝土僅出現(xiàn)輕微波動(dòng)的拉壓應(yīng)力，其應(yīng)力值遠(yuǎn)達(dá)不到混凝土失效準(zhǔn)則，也即是外圍混凝土不受炸藥破壞影響。從圖5中可以看出，雖然單元55901與67480到炸藥距離相等，但是單元55901的應(yīng)力明顯高于單元67480的，這是由于單元55901處于巖芯與底部相接觸的位置，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，有利于巖芯的斷裂。

3 基于環(huán)形自由面巖石爆破實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證取巖芯技術(shù)在巖石爆破中的作用，根據(jù)相似準(zhǔn)則，在鋼管模型內(nèi)澆筑水泥沙漿進(jìn)行爆破模擬實(shí)驗(yàn)，鋼管不但可以保證試件成型后具有高強(qiáng)度，還可以削弱實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下模型的邊緣效應(yīng)[15]。選用鋼管的直徑為20 cm，高為30 cm。模型采用的水泥砂漿試件的配比為500#普通硅酸鹽水泥、砂子和水，其質(zhì)量配比為1∶2∶0.4，其單軸抗壓強(qiáng)度為 17.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.54 MPa，彈性模量為10.27 MPa，泊松比為0.17，密度為2.13 g/cm3，縱波波速為3 393 m/s。

實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)對(duì)爆破過程進(jìn)行了模擬，共準(zhǔn)備了8個(gè)上述規(guī)格的水泥模型，將它們編號(hào)并分為2組，其中1～4號(hào)模型采用取巖芯技術(shù)，將直徑為10 cm、長度為30 cm、壁厚0.5 cm的PVC管插入水泥模型中心，插入深度為20 cm，同時(shí)在鋼管中心用PVC管預(yù)留1個(gè)孔徑為1.8 cm、深度為20 cm的炮孔，待水泥凝固之后將PVC管拔出，形成一個(gè)厚度為0.5 cm的取芯圓環(huán)，pvc管在此處相當(dāng)于取巖芯鉆頭。5～8號(hào)模型模擬傳統(tǒng)爆破，在鋼管中間用PVC管預(yù)留一個(gè)孔徑1.8 cm、深度20 cm的炮孔。

由數(shù)值模擬所得實(shí)驗(yàn)參數(shù)，確定實(shí)驗(yàn)用雷管裝藥為1 g太安，所用測振儀型號(hào)為TC4850，精度可達(dá)0.001 cm。為了模擬實(shí)際巖巷爆破，將水泥模型平放于空中爆炸罐中，模型下方使用沙子墊平。在距離鋼管頂端12.5 cm處放置測振儀，測量爆炸后鋼管外部的振動(dòng)。將雷管放入炮孔，雷管距離底部2 cm，用沙子堵孔后引爆。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 爆破效果：

爆炸后選取其中的1、5號(hào)模型進(jìn)行分析，如圖7所示。

從圖中可以看出，1號(hào)模型巖芯被炸碎并拋擲出來，而5號(hào)模型水泥則完好無損，自由面的存在大大提高了爆破效果。將模型搬出空中爆炸罐，可發(fā)現(xiàn)1號(hào)模型巖芯已被完全炸碎，而巖芯環(huán)外的水泥則不受影響；從5號(hào)模型看不出任何爆破跡象。將1號(hào)水泥倒扣后輕輕晃動(dòng)，巖芯掉落，如圖8所示。

從圖8中可以看出，1號(hào)模型巖芯完全掉落，炮孔利用率可達(dá)99%，巖芯環(huán)外壁平整，環(huán)外水泥不受雷管爆炸影響，取巖芯環(huán)起到了很好的能量隔斷作用。盡管數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)都采用1 g藥量，但由于雷管威力要比藥包威力大，因此實(shí)驗(yàn)中巖芯破壞較嚴(yán)重，但總體結(jié)果與數(shù)值模擬相吻合，即巖芯底部破碎嚴(yán)重，頂部破壞較輕，外圍巖體不受爆炸影響。其余的水泥模型也與上述情況一致，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性好。全部模型爆破后對(duì)比參見圖9。

4.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)

爆破后取巖芯模型與傳統(tǒng)水泥模型鋼管振動(dòng)位移圖形處理之后如圖10所示。從圖10中可以看出，取巖芯模型振動(dòng)位移在0～0.007 cm之間，而傳統(tǒng)水泥模型振動(dòng)位移在0.002～0.012 cm之間。單從振動(dòng)數(shù)據(jù)來看，取巖芯模型減振效果并不明顯，而從爆破效果來說，如果要達(dá)到與取巖芯模型相同的效果，則傳統(tǒng)水泥模型需要增加數(shù)倍藥量，這帶來的振動(dòng)勢必大大增加。綜上所述，在達(dá)到相同掏槽效果的條件下，取巖芯技術(shù)可大大減少爆破振動(dòng)。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

由上述分析可知，取巖芯環(huán)為巖石爆破提供了一個(gè)環(huán)形自由面，將巖芯孤立起來，減小了最小抵抗線的長度，有利于巖芯的破碎，而巖芯底部與水泥的接觸面積較小，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此其接觸位置較易斷裂，更為巖芯的完全破碎提供了良好的條件且不會(huì)產(chǎn)生超挖現(xiàn)象[16]，從而使炮孔利用率達(dá)到99%；同時(shí)，由于空氣的波阻抗要遠(yuǎn)小于水泥的波阻抗，爆轟波傳遞到巖芯環(huán)空氣域時(shí)將出現(xiàn)較大的衰減，巖芯環(huán)起到了能量隔斷作用，雷管的能量大部分被用于巖芯的破碎[17]，有效地保護(hù)了環(huán)外水泥，充分利用了爆炸能量，可達(dá)到控制爆破的目的。

5 工程應(yīng)用

黑龍江某礦巷，工程量730 m，掘進(jìn)斷面19.7 m2，凈斷面17.9 m2。平巷、巖石為細(xì)沙巖，巖石堅(jiān)固性系數(shù)為9；工作面瓦斯情況小于0.4 m3/min；工作面涌水情況小于5 m3/h。掘進(jìn)方式采用取巖芯鉆車采取全斷面一次掘進(jìn)法，光面爆破。取巖芯鉆車配備有直徑為40 cm的巖芯鉆頭，該鉆頭要遠(yuǎn)大于目前市場上所存在的巖芯鉆頭，在巖巷上打孔后爆破取出巖芯，利用所產(chǎn)生的新自由面進(jìn)行掏槽爆破。實(shí)驗(yàn)中巷道掘進(jìn)效率明顯提高，炮孔深度為3.3～3.5 m，循環(huán)進(jìn)尺在3.1～3.4 m之間，炮孔利用率為92%～97%，多數(shù)約在95%，爆破巖石塊度均勻，達(dá)到高效掘進(jìn)的目的。

6 結(jié) 論

本文中提出基于環(huán)形自由面巖土高效爆破原理，通過實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1)取巖芯技術(shù)可成型高質(zhì)量環(huán)形自由面，操作簡單，可減少炮孔數(shù)，且炮孔利用率達(dá)99%，從而實(shí)現(xiàn)大循環(huán)進(jìn)尺，提高掏槽爆破效率；

(2)基于環(huán)形自由面巖土高效爆破可減小炸藥單耗，環(huán)形自由面起到了能量隔斷作用，有效降低爆破所引起的振動(dòng)，可對(duì)巖芯外部結(jié)構(gòu)提供良好的保護(hù)作用，達(dá)到控制爆破的效果。

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