潘佩邦,池恩安,3*

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550000;2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550000;3.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550000)

自20世紀(jì)50年代以來,光面爆破技術(shù)逐漸興起并得到廣泛應(yīng)用,該技術(shù)能得到較好的爆破輪廓面,并能保證預(yù)留圍巖的完整性[1].光面爆破對爆破參數(shù)要求較高,如孔網(wǎng)參數(shù)的控制[2]、單孔裝藥量與不耦合系數(shù)的選取[3]、填塞質(zhì)量的保障等,同時還需要根據(jù)爆區(qū)巖石特性、強(qiáng)度和發(fā)育情況,結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)反復(fù)試爆,最終才能確定各項(xiàng)參數(shù)的取值.但常因爆破參數(shù)選取不當(dāng)導(dǎo)致不能達(dá)到較為理想的光面爆破效果,因此國內(nèi)眾多學(xué)者在探究如何優(yōu)化光爆技術(shù)的同時引入聚能爆破[4].孫守孝[5]通過對沿空留巷采用定向預(yù)裂爆破,得到了良好的切頂成縫效果;肖雄等[6]通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了兩點(diǎn)起爆有利于增強(qiáng)聚能射流侵徹能力;秦健飛等[7]利用雙聚能槽藥柱實(shí)現(xiàn)氣刃切縫效果;王樂等[8]利用雙向線形聚能效應(yīng)得到顯著預(yù)裂縫,并達(dá)到減震、隔震效果.

引入聚能穴利用聚能效應(yīng)可獲得一定的光面效果,但對金屬射流因素下連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)的非導(dǎo)爆索起爆結(jié)構(gòu)鮮有研究.本文在非導(dǎo)爆索起爆下連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,研究利用金屬射流和高壓氣楔共同作用定向切縫,以期達(dá)到更好的光爆效果,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化光爆技術(shù),達(dá)到光爆效果更好、半孔率更高的目的.

1 理論分析

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)使用3組混凝土模塊進(jìn)行爆破試驗(yàn),模塊A炮孔為無聚能穴不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),模塊B炮孔為有聚能穴無金屬罩連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),模塊C炮孔為有聚能穴有金屬罩連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示.3組結(jié)構(gòu)均為連續(xù)裝藥,采用普通導(dǎo)爆管雷管同時起爆,對比各組爆破試驗(yàn)的切縫效果,從不耦合裝藥、聚能穴、聚能金屬罩之間的爆破效果差異中尋求優(yōu)化光爆效果的技術(shù)措施.

圖1 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

2.1 試驗(yàn)?zāi)K的選取

試驗(yàn)?zāi)K采用C60高強(qiáng)度混凝土澆筑成型,長寬高為200 cm×100 cm×50 cm,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間后抗壓強(qiáng)度可達(dá)到60 MPa以上[14],與變質(zhì)巖類巖石強(qiáng)度相近[15],可近似模擬圍巖爆破切縫的真實(shí)狀態(tài),如圖2所示.

圖2 混凝土模塊

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

澆筑混凝土?xí)r,采用PVC管插入模塊內(nèi)形成固定炮孔.PVC管外徑25 mm,內(nèi)徑23 mm,炮孔深度35 cm.根據(jù)光面爆破經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行各參數(shù)計(jì)算.

最小抵抗線可根據(jù)W=KD計(jì)算.式中:W為光面爆破最小抵抗線;K為計(jì)算系數(shù),一般取10～20,軟巖取大值,硬巖取小值;D為炮孔直徑.

孔距計(jì)算公式為A=MW.式中:A為孔距;M為炮孔密集系數(shù),一般取0.6～0.8.

單孔裝藥量Q的計(jì)算公式為Q=qawl.式中:a為孔距;w為最小抵抗線;l孔深;q為單位體積裝藥量,一般取0.15～0.25 kg/m3,硬巖取大值,軟巖取小值.

根據(jù)上述公式得到本次試驗(yàn)光面爆破參數(shù)如表1所示,孔網(wǎng)布置如圖3所示.

表1 爆破參數(shù)

圖3 孔網(wǎng)參數(shù)布置

除表1中爆破參數(shù)外,不耦合系數(shù)也是影響光面爆破效果的重要因素之一.張迅[16]通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)軸向不耦合系數(shù)為1.50～2.33時光爆效果最好,為避開本次選用炸藥的臨界直徑區(qū)間,裝藥時A組無聚能穴結(jié)構(gòu)選用外徑16 mm、內(nèi)徑14 mm的PVC管形成裝藥管,不耦合系數(shù)為1.79;B,C組聚能穴結(jié)構(gòu)選用外徑20 mm、內(nèi)徑18 mm的PVC管形成裝藥管并放置在炮孔內(nèi),不耦合系數(shù)為1.39.因B,C組裝藥管直徑略大,所以同等重量相同裝藥高度的前提下,A組單孔裝藥密度略大.

著作權(quán)集體管理組織代表會員著作權(quán)人進(jìn)行管理的權(quán)利源于著作權(quán)人的授權(quán)，是集體管理組織在取得著作權(quán)人信任前提下的自愿性集體管理，著作權(quán)集體管理組織的代表性要求其符合法定的主體條件。《條例》中有關(guān)發(fā)起設(shè)立著作權(quán)集體管理組織的權(quán)利人不少于50人，且在全國范圍代表相關(guān)權(quán)利人的利益的規(guī)定，⑩ 參見《著作權(quán)集體管理?xiàng)l例》第7條第2款。體現(xiàn)了集體管理組織具有一定的代表性。

2.3 聚能罩參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 聚能罩材料選擇

已有眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)聚能罩材料與金屬射流的形成密切相關(guān)[17-18].炸藥爆炸壓垮金屬罩形成爆轟產(chǎn)物,沿著罩體表面垂直方向飛出,此時爆轟產(chǎn)物的射流速度稱為來流速度Vf,爆轟產(chǎn)物在聚能罩頂角中線上相遇碰撞形成金屬射流和杵體,射流和杵體的速度為Vd,如圖4所示.李曉杰等[19]研究發(fā)現(xiàn),來流速度Vf是影響碰撞產(chǎn)生射流和杵體的主要因素,來流速度Vf的產(chǎn)生對聚能罩材料屬性有一定的條件要求.作為流出條件,來流速度Vf必須小于聚能罩材料的體波聲速,且爆炸產(chǎn)生的駐點(diǎn)壓力要遠(yuǎn)大于聚能罩材料強(qiáng)度.經(jīng)過大量實(shí)踐證明:純銅密度高,可塑性強(qiáng),是目前使用最多的聚能罩金屬材料.為便于研究,本次試驗(yàn)選擇純銅作為聚能金屬罩材料,其厚度為0.01 mm.

圖4 金屬射流產(chǎn)生示意圖

2.3.2 聚能罩最優(yōu)頂角選擇

聚能罩頂角的大小對聚能射流的速度有著重要影響.隨著頂角的變化,射流與杵體也會隨之變化,小錐角(30°～80°)能產(chǎn)生常規(guī)射流,多應(yīng)用于常規(guī)破甲彈;中錐角(80°～120°)形成桿式射流;大錐角(120°～160°)常應(yīng)用于爆炸型彈丸(EFP)[20].焦志剛等[21]運(yùn)用模擬仿真技術(shù)得出聚能罩形成聚能桿式彈丸(JPC)與金屬射流(JET)的頂角范圍及其轉(zhuǎn)換關(guān)系;孫飛等[22]利用數(shù)值仿真模擬軟件進(jìn)行計(jì)算,得出最優(yōu)聚能結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,當(dāng)聚能罩頂角為90°時聚能切割效果最佳;李曉杰等[19]通過經(jīng)驗(yàn)公式cosα=(1-sinθ)/cosθ(α為半頂角,θ為彎折角)計(jì)算得出,當(dāng)頂角2α在80°～101°時,金屬射流的動能E達(dá)到最大.結(jié)合上述研究成果并考慮聚能罩制作的便利性,此次試驗(yàn)聚能罩頂角設(shè)計(jì)為90°.

2.3.3 聚能罩炸高選擇

炸高是指聚能罩底邊到靶板的距離.炸高過高,會造成金屬罩爆轟產(chǎn)物過早匯集而導(dǎo)致能量浪費(fèi),影響射流侵徹深度;反之,則導(dǎo)致爆轟產(chǎn)物在未匯集前就撞擊靶板,造成方向分散、定向效果不明顯、切割能力下降等現(xiàn)象.合理的炸高有利于金屬射流的形成及撞擊靶板的時間恰當(dāng),能量得到最大限度的有效利用[23].根據(jù)炸高的經(jīng)驗(yàn)公式H=hsinαtanα(H為炸高,h為聚能罩直角邊長,α為半頂角)[19,22]可知,炸高與半頂角α及聚能罩直角邊長h有關(guān).PVC管內(nèi)聚能罩截面如圖5所示,聚能罩為等腰直角三角形,直角邊長h確定后炸高即可確定,通過計(jì)算得出當(dāng)h為6.7 mm時,最優(yōu)炸高為4.8 mm.試驗(yàn)時在PVC管兩端外側(cè)纏相同長度膠帶,便于裝藥時孔內(nèi)固定藥包,確保聚能方向兩側(cè)炸高一致.

圖5 PVC管內(nèi)聚能罩截面示意圖

3組模塊炮孔內(nèi)裝藥高度一致,根據(jù)PVC管截面圖計(jì)算可知,模塊A炮孔內(nèi)的空氣占比約為68.6%,模塊B、C炮孔內(nèi)的空氣占比約為59.4%.

2.4 炸藥選擇與裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光面爆破常使用乳化硝銨炸藥,采用底部加強(qiáng)裝藥、中部和上部空氣間隔裝藥的方式,用竹片連接固定,導(dǎo)爆索起爆,而且需要選擇合理的單耗藥量、單孔裝藥量和孔網(wǎng)參數(shù),并結(jié)合豐富的施工經(jīng)驗(yàn),才能獲得較好的光面爆破效果.但實(shí)際施工時常因作業(yè)人員技術(shù)參差不齊、裝藥方式不當(dāng)、爆破參數(shù)選擇不合理等原因?qū)е鹿饷姹菩Ч患?此次試驗(yàn)選用貴州盤江化工廠生產(chǎn)的2號巖石膨化硝銨炸藥,嚴(yán)格控制線裝藥密度和裝藥直徑,10 g硝銨炸藥裝藥高度僅為10 cm.膨化硝銨炸藥的各項(xiàng)參數(shù)值如表2所示.

表2 膨化炸藥爆破參數(shù)

通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),一個合理的間隔裝藥空氣比可以提升爆炸能量的利用率,當(dāng)炮孔中空氣比為40%時,混凝土單元從壓剪破壞轉(zhuǎn)換為拉伸破壞[24].在梯段爆破中,空氣間隔位于裝藥上部時,能量利用率最大,所以此次試驗(yàn)采取炮孔底部裝藥,確保填塞長度為15 cm,預(yù)留10 cm未裝藥空間作為應(yīng)力波的反射增強(qiáng)空間,如圖6所示.

圖6 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 半孔率

通過對比3組試驗(yàn)?zāi)K爆破效果發(fā)現(xiàn),無聚能穴不耦合裝藥結(jié)構(gòu)(A組)爆破能產(chǎn)生殘留半孔,但光爆面不規(guī)則,半孔破損率高,光爆效果不佳,爆后石渣最多且粒徑較小,半孔率約為66%.A組爆破效果如圖7所示.

圖7 無聚能穴不耦合裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果

有聚能穴無金屬罩裝藥結(jié)構(gòu)(B組)爆破能產(chǎn)生完整的殘留半孔,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,爆后石渣較多且粒徑大小不一,半孔率約為95%.B組爆破效果如圖8所示.

圖8 有聚能穴無金屬罩裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果

有聚能穴有金屬罩裝藥結(jié)構(gòu)(C組)的光爆效果最好,能產(chǎn)生完整炮孔的殘留半孔,光爆面沿著聚能穴方向均勻分布,殘留半孔尺寸基本一致,爆后石渣最少,半孔率為100%.C組爆破效果如圖9所示.

圖9 有聚能穴有金屬罩裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果

3.2 爆破振動

本次爆破采用交博L20-N爆破振動儀進(jìn)行振動數(shù)據(jù)采集,爆破振動儀距爆點(diǎn)7 m.對3組模塊進(jìn)行振動數(shù)據(jù)采集后發(fā)現(xiàn):A組最大爆破峰值為1.809 cm/s,B組最大爆破峰值為1.693 cm/s,C組最大爆破峰值為1.606 cm/s,C組有金屬聚能罩的爆破振動峰值最小.A組炮孔截面的空氣占比為68.6%,B,C組的空氣占比為59.4%,理論上爆生氣體在預(yù)留空間大的A組炮孔中的作用時間更長,即準(zhǔn)靜態(tài)壓力做功時間長,有效做功能量更多,產(chǎn)生爆破振動等無效能量轉(zhuǎn)換更少,爆破振動應(yīng)更小,但試驗(yàn)數(shù)據(jù)正好相反,說明聚能效應(yīng)使炸藥能量得到了定向釋放,能量利用率更高,轉(zhuǎn)化為爆破振動等無效能量更少,更有利于提高炸藥能量利用率.

4 結(jié)論

1)僅通過簡單增加孔內(nèi)空氣含量和優(yōu)化不耦合系數(shù)并不能有效減小爆破峰值壓力對預(yù)留圍巖的損傷和降低爆破振動危害,也不能獲得較好的爆破輪廓面效果.因此,在進(jìn)一步研究中,應(yīng)考慮其他因素和技術(shù)手段來改善這些問題.

2)金屬射流與高壓氣楔共同作用的切割效果最佳,可實(shí)現(xiàn)光滑的爆破輪廓面、較高的炮孔半孔率以及良好的半孔殘留完整度.此外,該方法還能減少石渣的生成并降低爆破振動的影響.本研究驗(yàn)證了非導(dǎo)爆索起爆的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)光爆技術(shù)的可行性,為進(jìn)一步優(yōu)化光爆技術(shù)提供了依據(jù).

3)利用線型聚能金屬射流和爆生氣體的氣楔作用,為非均勻質(zhì)復(fù)合材料的定向爆破切割的應(yīng)用提供了參考.未來的研究可以進(jìn)一步深入探索該技術(shù)在多種不同材料中的適用性,以實(shí)現(xiàn)更好的定向爆破切割效果.