隧道爆破中炮泥的作用與堵塞長度計(jì)算

王 琛,文 忠,曹夢宇

(長沙理工大學(xué), 湖南長沙 410114)

隧道爆破中炮泥的作用與堵塞長度計(jì)算

王 琛,文 忠,曹夢宇

(長沙理工大學(xué), 湖南長沙 410114)

分析對比有無炮泥堵塞對隧道爆破施工的影響,闡述了炮泥堵塞的作用。探討了隧道工程爆破施工中取得較好爆破效果的炮泥堵塞長度與炮孔長度的最佳比值,并推導(dǎo)出最優(yōu)炮泥長度的計(jì)算公式,計(jì)算值與大多數(shù)文獻(xiàn)推薦值基本接近,證明了公式的正確性和實(shí)用性。

隧道爆破;炮泥堵塞;堵塞長度

目前隧道掘進(jìn)大部分采用爆破方式進(jìn)行開挖,但是隧道開挖爆破中關(guān)于炮孔的堵塞問題一直存在疑問:炮孔是否要堵塞?炮泥堵塞的優(yōu)點(diǎn)是什么?與無堵塞反向起爆技術(shù)相比炮泥堵塞的優(yōu)勢在哪里?隨著爆破實(shí)踐的增多,許多部門與爆破人員已經(jīng)重視炮孔的堵塞,并加強(qiáng)炮泥堵塞質(zhì)量,以獲得最佳的爆破效果和更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 堵塞炮泥的作用

根據(jù)炸藥爆炸破巖的基本理論,對炮孔堵塞有3種認(rèn)識。

(1)應(yīng)力波破巖理論。該理論認(rèn)為炮孔中氣體膨脹所引起的巖石破碎作用很小,巖石的破碎主要是由應(yīng)力波和反射拉伸波作用所導(dǎo)致。此理論強(qiáng)調(diào)應(yīng)力波與反射拉伸波對巖石破碎占主導(dǎo),只要在炮孔中實(shí)現(xiàn)孔底反向起爆,就無需在孔口堵塞炮泥。

(2)氣體膨脹作用破巖理論。該理論認(rèn)為應(yīng)力波與反射拉伸波沒有足夠的能量使巖石破碎,只能使炮孔周壁形成初始徑向裂縫。而后期的準(zhǔn)靜氣體應(yīng)力場和氣體膨脹壓力的氣楔作用才是使巖石破碎的主要原因。從該理論可以得出,使用高強(qiáng)度材料嚴(yán)密地堵塞炮孔,可使氣體膨脹作用力充分發(fā)揮從而取得良好爆破效果。

(3)應(yīng)力波和氣體膨脹壓力聯(lián)合作用破巖理論。該理論承認(rèn)了爆炸應(yīng)力波、氣體膨脹壓和反射拉伸波 3項(xiàng)都對巖石的破碎有著重要貢獻(xiàn),也充分肯定了炮孔堵塞炮泥在爆破施工中的積極作用[1]。

中國鐵道科學(xué)研究院曾做過測試:條形裝藥爆破的分配比例為沖擊波(包括應(yīng)力波)能占43.7%,氣體膨脹能占 56.3%。以往做過的試驗(yàn)研究證明,不堵塞炮孔的爆破將有 50%的氣體能量從孔口消失。所以,炮泥堵塞的主要目的就是要充分發(fā)揮占爆炸總能量一半以上的氣體膨脹能量的破巖作用。武漢地質(zhì)學(xué)院,河南機(jī)掘工程隊(duì)張國祥等人[2]做過炮孔堵塞與不堵塞的試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出,堵塞炮泥比不堵塞炮泥的爆破效果好,震動(dòng)影響小,爆破漏斗深度大,這一點(diǎn)對開挖隧道中掏槽眼爆破很有意義。

表1 爆破后的黃土漏斗參數(shù)及爆破效果比較

綜上所述,可以得出炮泥堵塞的幾個(gè)作用:

(1)延長孔內(nèi)膨脹氣體作用時(shí)間,使氣體準(zhǔn)靜應(yīng)力場的破巖作用增強(qiáng),從而破巖效果得到提高;

(2)由于延長了氣體作用時(shí)間,使得炮孔內(nèi)的高溫條件得以維持更長時(shí)間,從而提高了炸藥的化學(xué)反應(yīng)完全程度,可最大限度地利用炸藥的爆能,同時(shí)減少了有害氣體的生成量,還能縮短隧道中的通風(fēng)時(shí)間;

(3)炮泥阻力延長了應(yīng)力波與氣體膨脹壓力的作用時(shí)間,使得由應(yīng)力波作用生成的裂縫充分地被高壓膨脹氣體楔裂,提高了破巖效果,也加速了裂縫的發(fā)展,增強(qiáng)了巖塊的拋擲作用。

2 炮泥長度計(jì)算公式的推導(dǎo)

在爆破中炮泥會(huì)被膨脹氣體壓出,炮泥于該過程中受到了爆生氣體的推力、炮泥與孔壁之間的摩擦力,故堵塞炮泥一定要有足夠的抗沖出時(shí)間與阻力。

假設(shè)炮孔內(nèi)氣體平均壓力為爆轟壓力 PH的一半[2],則推動(dòng)炮泥運(yùn)動(dòng)氣壓 P0為:

式中:ρ——炸藥密度;

D——炸藥爆速。

炮泥所受推力 F為:

式中:A——炮泥橫截面積;

d——炮孔直徑。

根據(jù)牛頓第二定律,對炮泥做受力分析,如圖1 所示,可得:

式中:F——爆生氣體對炮泥的推力;

m——炮泥的質(zhì)量;

g——重力加速度;

f——滑動(dòng)摩擦阻力,f=πdλg(ls-x)P,其中,λ為動(dòng)摩擦力系數(shù),取 0.05;x為炮泥運(yùn)動(dòng)的距離;p為炮泥膨脹對孔壁的擠壓力;η為側(cè)向壓力系數(shù);u0=0.8u,其中 u0為巖石動(dòng)態(tài)泊松比,u為巖石靜態(tài)泊松比,u取 0.25,故η=0.25;ls為炮泥堵塞長度;

a——炮泥的加速度。

圖1 炮泥受力分析

由于炮泥在軸向受到爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用,徑向自然就會(huì)發(fā)生膨脹,但是由于受到孔壁的管制作用,徑向不能發(fā)生任何變形,這樣炮泥就必然對孔壁施加壓力 p:

炮泥被推出炮孔所運(yùn)動(dòng)的距離即等于炮泥的長度:

故由式(3)～(6)得:

由式(6)和式(7)得出:

由求根公式得:

去掉負(fù)數(shù)根得出:

則式(11)就是用動(dòng)量守恒定律與牛頓第二定律推導(dǎo)出來的計(jì)算堵塞長度的公式。

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)秦嶺 1號隧道開挖 Ⅳ級圍巖鉆爆裝藥及炮泥有關(guān)參數(shù)[3]進(jìn)行驗(yàn)算,炮孔直徑 0.04 m,掏槽眼和輔助眼深度分別為 2.69 m和 2.10 m,每孔裝藥量分別為 1.5 kg和 1.2 kg,乳化炸藥密度為ρ=1000 kg/m3,炮泥的密度 ρ泥=1850 kg/m3,乳化炸藥爆速 D=3309 m/s。

代入式(11),得堵塞長度與炮孔長度之比為:

堵塞長度分別為 43 cm和 34 cm,與國內(nèi)一些工程師認(rèn)為開挖隧道爆破中一般堵塞長度為 40～60 cm相差不大[4]。

查閱秦嶺隧道開挖資料可知,秦嶺隧道爆破中實(shí)際合理堵塞長度與炮孔比為 0.180。且趙新濤、程貴海等人[5]在 2010年炮孔堵塞長度的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究中得出的堵塞長度最優(yōu)值的范圍為:0.20,0.30,0.35,0.45,0.50,0.60,0.70 m。實(shí)際合理堵塞長度與炮孔比在數(shù)值上與公式(11)計(jì)算的數(shù)值基本符合。

以上公式與炸藥密度、炮孔直徑、炮孔深度和炮泥密度相關(guān),且炮泥的密度越大,填塞長度就越小,這樣可以節(jié)省炮泥的用量。式(11)計(jì)算得堵塞長度是要求的起碼長度,實(shí)際工程中可適當(dāng)增加堵塞長度。

4 結(jié) 論:

(1)炮泥對開挖爆破有 2大作用:一是延長爆生氣體在炮孔內(nèi)的作用時(shí)間,提高爆炸能量的利用率;二是炮孔內(nèi)的高溫條件得以維持更長時(shí)間,從而提高了炸藥的化學(xué)反應(yīng)完全程度,減少了有害氣體的生成量,還能縮短隧道中的通風(fēng)時(shí)間。

(2)考慮了炮孔直徑、炸藥密度、爆容、炮泥與孔壁之間摩擦阻力、堵塞炮泥密度等因素,推導(dǎo)了炮泥堵塞長度與炮孔深度的計(jì)算公式。式(11)計(jì)算得堵塞長度是要求的起碼長度,實(shí)際工程中可適當(dāng)增加堵塞長度。

致謝:本文得到長沙理工大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目 JG0849的資助和吳從師教授的指導(dǎo),謹(jǐn)向?qū)W校和老師表示感謝。

[1] 王海亮.爆破工程[M].北京:中國鐵道出版社,2007:12-13.

[2] 張國祥,等.試論炮泥在爆破中的作用[J].坑探工程,1990:26-27.

[3] 劉海江.秦嶺Ⅰ號隧道開挖方法及控制爆破技術(shù)研究[J].四川建筑,2009,29(2):193-195.

[4] 吳從師,等.高臺階爆破中超前壓縮填塞法的動(dòng)應(yīng)力場模擬[J].礦業(yè)研究與開發(fā),1997,17(Z):13-15.

[5] 趙新濤,程貴海,等.炮孔堵塞長度的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究 [J].力學(xué)季刊,2010,31(2):165-171.

2011-07-06)

王 琛(1989-),男,湖南邵陽人,隧道與地下工程專業(yè) 08級本科生。