軸向間隔裝藥爆破沿炮孔的壓力分布＊

楊國(guó)梁，楊仁樹，姜琳琳

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京100028）

采用軸向間隔裝藥爆破時(shí)，爆破作用機(jī)理與耦合裝藥時(shí)不同。采用空氣間隔裝藥爆破時(shí)，雖然作用于炮孔側(cè)壁的平均壓力顯著低于耦合裝藥爆破，但在空氣層間隔界面形成的系列加載波作用下，可以顯著降低爆破后矸石的大塊率，提高矸石的充填效率。N.V.Melnikov等［1－2］首先開展了炮孔底部空氣間隔爆破技術(shù)研究，對(duì)空氣間隔爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)空氣間隔裝藥的不同形式，W.L.Fourney等［3］、N.T.Moxon等［4］和 K.V.Kumar［5］也先后進(jìn)行了空氣間隔爆破技術(shù)的研究及應(yīng)用。在我國(guó)，林大澤等［6］、杜俊林等［7－8］、劉云川等［9］和吳亮等［10］先后采用理論分析、模型實(shí)驗(yàn)等研究手段對(duì)空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)以及不耦合介質(zhì)對(duì)爆破效果的影響進(jìn)行了研究，取得了一系列成果。但是對(duì)于軸向間隔裝藥爆破后應(yīng)力波的傳播疊加過程、炮孔內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布情況，通常無法采用理論和實(shí)驗(yàn)的方式獲得。

本文中，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同間隔裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式下應(yīng)力波的傳播、疊加過程以及炮孔內(nèi)部的壓力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 計(jì)算模型

由于柱狀炸藥爆炸應(yīng)力波傳播呈現(xiàn)為軸對(duì)稱，這里主要研究平面內(nèi)應(yīng)力波的傳播疊加過程，建立了二維計(jì)算模型。模型長(zhǎng)3.1m，高0.4m，炮孔深3m?？紤]了三種模型（見圖1）：模型1、2中采用了兩段裝藥，裝藥長(zhǎng)度分別為0.8和0.4m；模型3中采用了三段裝藥，裝藥長(zhǎng)度均為0.4m。計(jì)算中空氣間隔長(zhǎng)度均為0.4m。測(cè)點(diǎn)A～H 等間距排列，距炮孔底部距離為0～2.8m，如圖1（a）所示。

圖1 空氣間隔裝藥模型Fig.1 Air－deck charge models

數(shù)值計(jì)算中，巖石采用JHC模型，JHC模型適合在大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓力條件下使用，巖石的等效強(qiáng)度與壓力、應(yīng)變率和損傷有關(guān)。炸藥為三級(jí)水膠炸藥，采用MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN，結(jié)合JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸過程中壓力與體積的關(guān)系。

巖石材料物理力學(xué)參數(shù)分別為：ρ＝2.9t／m3，G＝15GPa，ν＝0.23，A＝0.79，B＝1.6，C＝0.007，N＝0.61；炸藥材料物理力學(xué)參數(shù)分別為：ρ＝1.1t／m3，D＝3.8km／s，pCJ＝10.5GPa，A＝220GPa，B＝0.2GPa，R1＝4.5，R2＝1.1，ω＝0.35。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力波傳播過程

正向起爆（見圖2（a））時(shí)，應(yīng)力波波陣面呈錐形向右傳播，應(yīng)力波波陣面逐漸變?yōu)榛⌒危f明炮孔內(nèi)部的壓力開始顯著降低。隨著應(yīng)力波的進(jìn)一步傳播，左側(cè)應(yīng)力波的波頭與右側(cè)應(yīng)力波的波尾在空氣間隔段發(fā)生疊加，這種疊加作用增強(qiáng)了炮孔中部的應(yīng)力峰值，有利于巖石的進(jìn)一步破碎。在炮孔底部、頂部各自由面間發(fā)生了復(fù)雜的應(yīng)力波反射疊加，對(duì)巖石形成了二次破碎。反向起爆（見圖2（b））時(shí)，應(yīng)力波的傳播疊加過程與正向起爆基本一致，但是由于起爆方式的不同導(dǎo)致波陣面形狀發(fā)生了明顯變化，采用三種計(jì)算模型時(shí)，形成的左傳應(yīng)力波波陣面均呈現(xiàn)弧形，比正向起爆的應(yīng)力波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，可見采用反向起爆，在炮孔堵塞處可以取得更大的應(yīng)力，有利于堵塞面處巖體的破碎。兩端同時(shí)起爆（見圖2（c））時(shí)，爆炸初期應(yīng)力波的傳播過程與上兩種方式一致，但是隨著兩列應(yīng)力波的相向傳播，在炮孔中部?jī)闪谢⌒尾òl(fā)生正碰。

圖2 應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution

2.2 炮孔裝藥段測(cè)點(diǎn)壓力分布

正向起爆（見圖3（a））時(shí)，模型1中，點(diǎn)A、B 和D 具有相近的壓力峰值，點(diǎn)D 具有兩個(gè)相近的波峰。發(fā)現(xiàn)兩列應(yīng)力波在點(diǎn)D發(fā)生疊加，點(diǎn)D 在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了兩次沖擊壓縮。同時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)A在0.2ms附近具有多個(gè)波峰，說明點(diǎn)A處除依次經(jīng)歷兩列壓縮波的作用，還伴隨著更復(fù)雜的應(yīng)力波作用過程。壓力峰值最小點(diǎn)發(fā)生在點(diǎn)C。模型2中，點(diǎn)C的壓力峰值較大，表明兩段炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在點(diǎn)C發(fā)生疊加。由于上段藥量較大，因此點(diǎn)B的應(yīng)力峰值大于炮孔頂端點(diǎn)E。模型3中，點(diǎn)A、C和E的壓力曲線在0.1ms左右基本重合，且均形成了兩個(gè)大小相等的峰值。

反向起爆（見圖3（b））時(shí)，模型1中，點(diǎn)B、C和E均出現(xiàn)兩個(gè)波峰。點(diǎn)C的第一個(gè)壓力峰值由左側(cè)炸藥爆炸產(chǎn)生，右側(cè)藥包爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波幾乎同時(shí)到達(dá)點(diǎn)C。模型2中，點(diǎn)D和E的壓力峰值較大，點(diǎn)B次之，點(diǎn)C最小。模型3中，點(diǎn)B和D的壓力曲線在0.1ms左右基本重合，形成了兩個(gè)大小相同的波峰。點(diǎn)B和D均位于空氣柱底部的上方，兩列應(yīng)力波在點(diǎn)B和D附近相交，由于三段藥量一致，應(yīng)力波強(qiáng)度相同，導(dǎo)致在點(diǎn)B和D出現(xiàn)了兩個(gè)相同的峰值。

兩端起爆（見圖3（c））時(shí)，模型1和2中，具有相似的壓力場(chǎng)分布規(guī)律：點(diǎn)B、C和D 具有較高的壓力，且均有兩個(gè)相近的峰值；點(diǎn)A的壓力較小，點(diǎn)E最小。兩端起爆時(shí)，采用模型1和2的炮孔中部可以取得較高的壓力，炮孔底部和頂部的壓力較小，在這兩種爆破方式下，炮孔中部的巖體可以得到充分破碎，而炮孔底部和頂部易產(chǎn)生大塊。

圖3 測(cè)點(diǎn)壓力曲線Fig.3 Pressure curves at measuring points

2.3 沿炮孔測(cè)點(diǎn)壓力分布

圖4 測(cè)點(diǎn)壓力峰值曲線Fig.4 Effective pressure curves at measuring points

正向起爆（見圖4（a））時(shí)，模型2中，裝藥段炮孔側(cè)壁壓力峰值分布較均勻，且可以取得較高的平均壓力峰值。模型3中，可以取得均勻的壓力分布，但平均壓力顯著低于模型2。并且發(fā)現(xiàn)采用模型1和2正向起爆時(shí)，在距離炮孔底部1.6m以后曲線基本重合，說明采用這兩種裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)炮孔堵塞區(qū)巖體的破碎作用相同。反向起爆（見圖4（b））時(shí)，模型1中，炮孔底部的壓力較大，但在堵塞段衰減很快。當(dāng)增大左側(cè)藥量時(shí)，炮孔中部各點(diǎn)的壓力較大，堵塞段的壓力衰減較慢。同時(shí)起爆（見圖4（c））時(shí)，模型1和2中，在裝藥段中部壓力較大，而后壓力迅速衰減，在堵塞處達(dá)到最小值0.75GPa。模型3中，測(cè)點(diǎn)的壓力分布與模型1和2顯著不同，壓力首先升高，在炮孔中部急劇降低，而后再次升高，在炮孔頂部降到最低，壓力曲線出現(xiàn)等值震蕩情形。

3 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破巖石塊度分布，結(jié)合炮孔布置方案，發(fā)現(xiàn)在掏槽孔上方的崩落孔附近是大塊出現(xiàn)的主要區(qū)域，即如圖5中炮孔11～15附近為大塊出現(xiàn)區(qū)域，為此在該5個(gè)炮孔內(nèi)采用軸向間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

圖5 炮孔布置圖Fig.5 Layout of boreholes

模型1正向起爆時(shí)，在炮孔頂部堵塞段出現(xiàn)大塊，大塊被拋擲的距離較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)大塊距離迎頭面可達(dá)5～8m。模型1反向起爆時(shí)，炮孔頂部大面積巖體直接被剝離形成大塊，形成的大塊直接堆積在距離迎頭面2m的范圍內(nèi)。模型1兩端同時(shí)起爆時(shí)，爆破后大塊分布和拋擲距離與反向起爆差距不大。模型2正向起爆時(shí)，爆破后大塊率比模型1有所改善，但巖石塊體拋擲的距離更遠(yuǎn)，爆炸后形成的空氣沖擊波極強(qiáng)，巷道側(cè)壁固定的高壓開關(guān)被沖擊至地面。模型2反向起爆時(shí)，爆破塊度得到了顯著改善，基本上消除了20cm以上的大塊。模型2兩端起爆時(shí)，爆破效果與正向起爆時(shí)基本相同。模型3爆破時(shí)，由于同一個(gè)炮孔中引出6條雷管腳線，容易造成錯(cuò)接、漏接現(xiàn)象，導(dǎo)致炮孔拒爆。就爆破效果而言，采用三段裝藥反向爆破后，爆破效果與頂部增大藥量反向起爆后的差距不大，采用正向和兩端起爆后爆破效果較差。

以上表明，采用底部增大裝藥量，進(jìn)行空氣間隔爆破，無論采用何種起爆方式，對(duì)于降低爆破大塊率均沒有明顯的改善，只是對(duì)拋擲距離產(chǎn)生了一定的影響。增大頂部裝藥量，采用不同的起爆方式時(shí)均形成了極強(qiáng)的空氣沖擊波，爆破塊度得到了顯著改善。特別是采用反向起爆后，沿炮孔壓力場(chǎng)的分布得到了明顯改善，爆破塊度得到了控制。

4 結(jié) 論

（1）采用空氣間隔裝藥爆破后，裝藥段炮孔近區(qū)壓力均出現(xiàn)多個(gè)峰值，壓力持續(xù)作用時(shí)間顯著增強(qiáng)，有利于爆生氣體壓力對(duì)巖體的充分破碎。

（2）增大靠近炮孔堵塞面一側(cè)的裝藥量，在正向和兩端起爆時(shí)，炮孔中部的壓力均有明顯提高。增大底部炸藥量，采用反向起爆時(shí)，炮孔底部壓力達(dá)到最大。

（3）采用反向起爆時(shí)，炮孔堵塞段壓力均高于正向和兩端起爆，采用模型2反向起爆時(shí)，沿炮孔的壓力場(chǎng)分布更加均勻，且平均壓力達(dá)到最大。

（4）將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的爆破效果，提高了矸石的充填效率。

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