熊常然 陳 何

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

由于巖體是由節(jié)理和裂隙以及被他們分割成的巖石所組成的復(fù)雜地質(zhì)體，而節(jié)理的存在會使爆炸應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面處發(fā)生反射、折射和透射，同時會導(dǎo)致炸藥爆破的能量從結(jié)構(gòu)面“泄出”，嚴重阻礙爆炸應(yīng)力波的傳播[2]，最終導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的能量分布不均，使得炸藥能量利用率低，影響爆破作用效果。關(guān)于普通單孔爆炸應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了不同方面的研究[3-6]，然而針對束狀孔爆破在節(jié)理巖體中爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律的研究較少，為了更加具體地了解節(jié)理對束狀孔爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響以及節(jié)理巖體中束狀孔與當(dāng)量大孔爆破的區(qū)別，本文通過構(gòu)筑不同節(jié)理厚度的束狀孔與當(dāng)量大孔混凝土模型進行爆破試驗。

1 模型試驗

1.1 模型設(shè)計

以某礦山的工程巖體為原型，主要研究不同布孔方式下，節(jié)理巖體中爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律，因此主要考慮試驗?zāi)Ｐ筒牧狭W(xué)性質(zhì)的相似關(guān)系[7，8]?；谀Ｐ驮囼灥木群凸ぷ髁?，將相似比取為4。模型選用42.5R普通硅酸鹽水泥，粗骨料為石子，最大粒徑不大于2 cm，河砂的粒徑小于1 mm，水泥∶石子∶河砂∶水為1∶1.69∶1.21∶0.4(質(zhì)量比)。

在澆注混凝土模型時，在同一批次混凝土中制作標(biāo)準(zhǔn)模型進行普通混凝土抗壓強度試驗、靜力受壓彈性模量試驗和劈裂抗拉強度試驗，對模型材料的靜力學(xué)性能進行測定，得到的模型材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體與模型材料物理力學(xué)參數(shù)

節(jié)理巖體模型爆破試驗共制作4個直徑2.4 m、高度0.6 m的混凝土圓柱體模型，其中束狀孔與當(dāng)量大孔模型各2個。為了避免爆生氣體的影響，束狀孔模型中炮孔用4根直徑30 mm的鋼管垂直布置在模型中心，束內(nèi)孔間距為120 mm(圖1)；當(dāng)量大孔模型炮孔為1根直徑60 mm的鋼管垂直布置在模型中心(圖2)；每個模型分別在4個方向布置不同厚度(4～16 mm)的節(jié)理，節(jié)理材料選用PVC板進行模擬，垂直布置在各個模型中，為減少不同方向上的應(yīng)力波之間互相干擾，節(jié)理材料長度不宜過大，節(jié)理材料長度選取為300 mm。

圖1 不同節(jié)理厚度的束狀孔模型(單位：mm)Fig.1 Bunch-holes models with different thicknesses of joints(Unit：mm)

圖2 不同節(jié)理厚度的當(dāng)量大孔模型(單位：mm)Fig.2 Equivalent large hole models with different thicknesses of joints(Unit：mm)

1.2 試驗方法

為了研究束狀孔和當(dāng)量大孔在不同節(jié)理條件下的爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律，采用混凝土制作節(jié)理巖體相似模型，采用PVC塑料板模擬充填節(jié)理，每個炮孔由鋼管包圍，忽略爆生氣體的作用，以導(dǎo)爆索束作為炸藥對束狀孔與當(dāng)量大孔的混凝土節(jié)理模型進行爆破，采用TC-4850N測振儀監(jiān)測爆炸應(yīng)力波的振動速度。

炸藥選用PB12型導(dǎo)爆索，用小刀切段(5 cm/段)并由膠帶綁成一束(圖3)，由數(shù)碼電子雷管起爆。裝藥量為9.2 g，埋藏深度(以藥包中心計算)為11.5 cm。測振儀布置在每個節(jié)理后遠離炮孔的方向，起爆后多臺測振儀同時采集信號。

圖3 導(dǎo)爆索束Fig.3 Manufacture of the detonating cord bundles

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

束狀孔模型和當(dāng)量大孔模型的測振儀采集的數(shù)據(jù)分別見表2、表3。將測點的三個方向速度曲線進行合成，得到不同節(jié)理厚度的束狀孔模型合成速度時程曲線分別如圖4、圖5所示。

表2 束狀孔模型數(shù)據(jù)

表3 當(dāng)量大孔模型數(shù)據(jù)

圖4 束狀孔模型不同節(jié)理厚度合成速度時程曲線Fig.4 The vector velocity-time curves of bunch-holes models under different thicknesses of joints

圖5 當(dāng)量大孔模型不同節(jié)理厚度合成速度時程曲線Fig.5 The vector velocity-time curves of equivalent large hole models under different thicknesses of joints

2.2 結(jié)果分析與討論

2.2.1 節(jié)理厚度對爆炸應(yīng)力波的影響

對比圖4和圖5可以看出，爆炸應(yīng)力波經(jīng)過節(jié)理后會呈現(xiàn)出多峰狀態(tài)，說明爆炸應(yīng)力波在經(jīng)過節(jié)理時會在節(jié)理內(nèi)發(fā)生多次反射和折射；隨著節(jié)理寬度的增加，節(jié)理對爆炸應(yīng)力波的阻礙作用也變大，并且應(yīng)力波峰值到達時間逐漸延長，即應(yīng)力波在節(jié)理內(nèi)的傳播時間與節(jié)理厚度成正比。由此可以判斷，節(jié)理的存在對爆炸應(yīng)力波有明顯的泄能作用，炸藥爆炸的能量會以“沖炮”或者其它形式從節(jié)理中泄出，從而導(dǎo)致爆破作用效果降低。

不同節(jié)理厚度的束狀孔與當(dāng)量大孔模型峰值速度曲線如圖6所示，衰減系數(shù)對比數(shù)據(jù)見表4。從圖6可以看出，兩種布孔方式的測點峰值速度均是隨著節(jié)理厚度增加逐漸減??；當(dāng)節(jié)理條件從無節(jié)理到節(jié)理厚度為4 mm時，測點峰值速度都急速下降；當(dāng)節(jié)理厚度為4～16 mm時，峰值速度開始呈線性緩慢降低，節(jié)理厚度對于兩種布孔方式爆炸應(yīng)力波的影響規(guī)律總體上相似：隨著節(jié)理厚度的增加，應(yīng)力波峰值到達時間逐漸延長，測點峰值速度逐漸降低。

表4 不同節(jié)理厚度衰減系數(shù)數(shù)據(jù)

圖6 不同節(jié)理厚度峰值速度對比Fig.6 Comparison of peak velocities under different thicknesses of joints

由表4可知，在相同的節(jié)理厚度條件下，束狀孔與當(dāng)量大孔爆炸應(yīng)力波衰減系數(shù)在節(jié)理厚度為4 mm時分別約為31.19%和34.38%，在節(jié)理厚度為16 mm時分別約為57.1%和62.5%；束狀孔爆炸應(yīng)力波的衰減系數(shù)均小于當(dāng)量大孔爆炸應(yīng)力波的衰減系數(shù)，相差幅度在3.19%～11.00%。

為了進一步研究節(jié)理厚度對束狀孔和當(dāng)量大孔的影響區(qū)別，采用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如圖7所示。

圖7 峰值速度與節(jié)理厚度關(guān)系擬合曲線Fig.7 Fitting curves of the relationship between peak velocity and joint thickness

圖7中，x—節(jié)理厚度L，mm；y—測點節(jié)理模型測點峰值速度v，cm/s。得到的衰減公式分別見式1、式2。

束狀孔：v=-0.058L+2.168

(1)

當(dāng)量大孔：v=-0.084L+2.659

(2)

從圖7可以看出，當(dāng)量大孔模型擬合曲線的截距大于束狀孔模型的，差值約0.491，說明當(dāng)量大孔的爆炸應(yīng)力波峰值遠高于束狀孔模型，這也對應(yīng)了當(dāng)量大孔爆炸應(yīng)力波高峰值的特點；束狀孔模型擬合曲線的斜率絕對值小于當(dāng)量大孔模型，差值約0.025，即束狀孔模型測點峰值速度v1隨著節(jié)理厚度L的增加而衰減的幅度小于當(dāng)量大孔模型的衰減幅度。原因主要是束狀孔中多個炮孔的爆炸應(yīng)力波在節(jié)理處產(chǎn)生的多個反射波和透射波相互疊加，應(yīng)力波在節(jié)理內(nèi)反射的次數(shù)越多，該節(jié)理對應(yīng)力波傳遞的影響就越小。因此，巖體中相同厚度的節(jié)理對束狀孔爆炸應(yīng)力波的衰減作用比當(dāng)量大孔的更小。

2.2.2 束狀孔與當(dāng)量大孔的爆炸應(yīng)力波波形比較

對比圖4(a)和圖5(a)可以看出，束狀孔爆炸產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波呈多個波峰形態(tài)，而當(dāng)量大孔爆炸產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波則呈現(xiàn)單峰形態(tài)，并且峰值更大，但應(yīng)力波峰值過高可能會使炮孔周圍出現(xiàn)較大的粉碎區(qū)，相對而言，束狀孔爆破可減少出現(xiàn)較大的粉碎區(qū)。假定炸藥在爆炸后產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波能起到破巖效果的合成速度需大于1 cm/s，即為圖4(a)和圖5(a)內(nèi)顯示的有效作用區(qū)間，那么束狀孔的有效作用區(qū)間長度要大于當(dāng)量大孔的有效作用區(qū)間長度，即束狀孔爆炸應(yīng)力波的作用時間更長，炸藥能量利用率更高。

綜上可知，與當(dāng)量大孔爆炸相比，束狀孔爆炸更具優(yōu)勢。

3 結(jié)論

1)節(jié)理的存在會影響束狀孔爆炸應(yīng)力波的傳播。

2)隨著節(jié)理厚度的增加，節(jié)理厚度對應(yīng)力波衰減的影響會逐漸變大，不同節(jié)理厚度下的束狀孔爆炸應(yīng)力波的衰減率更低。

3)在節(jié)理巖體中，束狀孔爆破的應(yīng)力波作用時間比當(dāng)量大孔的更長，對炸藥的能量利用率更高，同時束狀孔爆破能夠盡可能減少出現(xiàn)巖石過粉碎現(xiàn)象，從而改善爆破作用效果。