不同結(jié)構(gòu)切縫藥包爆炸效應(yīng)試驗(yàn)研究*

楊仁樹曹文俊，2高祥濤

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區(qū)，102471）

不同結(jié)構(gòu)切縫藥包爆炸效應(yīng)試驗(yàn)研究*

楊仁樹1曹文俊1，2高祥濤1

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區(qū)，102471）

礦山掘進(jìn)中，合理的切縫藥包結(jié)構(gòu)參數(shù)對定向斷裂爆破技術(shù)有非常重要的作用。介紹了開展鉛柱中切縫藥包爆破試驗(yàn)，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法對切縫管材質(zhì)、壁厚、切縫寬度、切縫長度以及切縫藥包在炮孔中的不耦合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定切縫管工業(yè)化生產(chǎn)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過殉爆測試驗(yàn)證了切縫方向的定向效果?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，切縫藥包定向斷裂效果顯著，巷道周邊爆破的半眼痕率都在90%以上，大幅度減少超挖現(xiàn)象，提高了掘進(jìn)速度。

定向爆破 切縫藥包 藥包結(jié)構(gòu) 不耦合系數(shù) 爆炸效應(yīng)

目前，我國巖巷掘進(jìn)施工中鉆爆法仍然是主要的施工方法。巖巷周邊廣泛采用光面爆破技術(shù)，但由于光面爆破機(jī)理和光面爆破參數(shù)尚不能有效地指導(dǎo)實(shí)踐，加之光爆材料、光爆技術(shù)等因素的限制，至今仍普遍存在超挖、欠挖，圍巖松動破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象，特別在軟巖掘進(jìn)中尤為突出。

早在20世紀(jì)70年代就提出使用軸向切縫的管狀藥包在巖體中形成定向裂縫的方法。楊永琦等認(rèn)為，不耦合系數(shù)k的合理取值范圍為1.33＜k＜1.7，當(dāng)不耦合值一定時(shí)應(yīng)變峰值隨比例距離增加而衰減。張志呈等分析了圓形炮孔爆破的成縫機(jī)理，得出在耦合裝藥條件下，爆生氣體使裂紋增長2～6倍可達(dá)到炮孔半徑的10～20倍。李彥濤認(rèn)為，在切縫處會產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子最大，在相同條件下切縫藥包爆破可增大炮孔間距和提高孔痕率。張奇等研究得出在外殼厚度等條件一定的情況下，當(dāng)外殼外徑為32 mm，切縫寬4 mm時(shí)爆破效果最佳。王樹仁等指出，影響裂紋定向擴(kuò)展的主要參數(shù)是切縫寬度和外殼厚度，得出了切縫寬度對裂縫長度和寬度的影響規(guī)律。戴俊、高全臣、付永春等也對切縫寬度和切縫外殼厚度做了大量的研究工作。

切縫藥包定向斷裂爆破效果顯著，合理的切縫藥包結(jié)構(gòu)參數(shù)起了非常重要的作用，目前可以查閱到很多切縫管結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究文獻(xiàn)，但是不夠系統(tǒng)。本文運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法對切縫管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，開展切縫藥包鉛柱中爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析影響切縫藥包爆破的主要因素，找出切縫管工業(yè)化生產(chǎn)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1　切縫藥包結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的重要分支，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來安排試驗(yàn)方案，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。切縫藥包影響因子從兩個(gè)方面考慮，一是切縫藥包本身的結(jié)構(gòu)，包括切縫管材質(zhì)、壁厚、切縫寬度以及切縫長度；二是切縫藥包在炮孔中的不耦合系數(shù)。具體切縫藥包影響因子及水平見表1。

表1　切縫藥包影響因子及水平

表1列有5因素4水平，選擇L16（45）正交表。切縫寬度選用2 mm、3 mm、4 mm和5 mm；壁厚選用1 mm、2 mm、2.5 mm和3 mm；切縫長度選用200 mm、180 mm、150 mm和100 mm；材質(zhì)選用PP材料、鐵管、PVC材料、紙質(zhì)4種材質(zhì)；不耦合系數(shù)選用1、1.5、1.75、2。具體切縫藥包正交表如表2所示。

表2　不同結(jié)構(gòu)切縫藥包試驗(yàn)設(shè)置

表2每一個(gè)橫行代表一個(gè)試驗(yàn)方案，共16組試驗(yàn)。共定制32個(gè)鉛柱，選擇鉛柱的原因是鉛材質(zhì)各向均一，爆炸波在鉛柱中傳播規(guī)律性強(qiáng)，能夠如實(shí)反映不同結(jié)構(gòu)切縫藥包的爆炸效果。不同材質(zhì)、切縫寬度、壁厚、切縫長度的切縫管和鉛柱如圖1所示。鉛柱尺寸為?250 mm×320 mm。每個(gè)試驗(yàn)所用藥包遵從正交表尺寸要求制作。將切縫藥包放置于鉛柱炮孔中，為確保軸向不耦合，在藥包徑向套一個(gè)環(huán)形硬紙殼以固定切縫藥包在炮孔中的位置。每個(gè)藥包用一發(fā)8號雷管起爆，每個(gè)炮孔用細(xì)砂加502膠水進(jìn)行堵塞密實(shí)。為防止堵塞的細(xì)砂填充炮孔壁的不耦合空間，在藥包頂端加一個(gè)中間開有6 mm圓孔的圓形紙板。

圖1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)用切縫藥包與鉛柱

2　正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

鉛柱中切縫藥包爆破試驗(yàn)后結(jié)果見圖2。

圖2　鉛柱爆后剖面圖

檢驗(yàn)炸藥作功能力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法就是鉛柱擴(kuò)孔法，炸藥置鉛柱炮孔內(nèi)，爆后用水填充其膨脹體積，用此參數(shù)來衡量炸藥作功能力。由于方案中隨不耦合系數(shù)變化，各鉛柱炮孔直徑預(yù)制的大小不同，用填充水含量來衡量切縫處的做功能力不具有可比性。因此需定義一個(gè)比例因子衡量切縫藥包做功能力，比例因子的計(jì)算如下:

式中:δ——比例因子；

a——爆后切縫方向鉛柱外徑，mm；

b——爆后垂直切縫方向鉛柱外徑，mm。

鉛柱爆破試驗(yàn)結(jié)果以衡量切縫藥包切縫方向做功能力的比例因子為考察指標(biāo)。切縫藥包爆破后，用游標(biāo)卡尺量取a和b的值，由式（1）得到δ填入正交表中。

切縫寬度、壁厚、切縫長度、切縫管材質(zhì)和不耦合系數(shù)各因數(shù)對爆破效果的影響試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

圖3（a）顯示切縫寬度并不是越大越好，存在一個(gè)極限值，當(dāng)超過此極限值，爆破效果反而下降。

圖3（b）顯示切縫管壁厚對爆破效果呈遞增趨勢，壁厚越大，爆破效果越好，壁厚從1 mm向2.5 mm變化過程中，爆破效果變化明顯，當(dāng)壁厚繼續(xù)增大時(shí)，δ值增幅趨緩。

圖3（c）為切縫長度對爆破效果的影響，在所研究的各因素中，為影響因素最小的。這有可能是由于切縫藥包在爆炸的瞬間，高爆轟壓力在切縫處產(chǎn)生的高應(yīng)力集中對軸向切縫快速擴(kuò)展?？赡芘c炸藥爆速有密切關(guān)系，爆速越高，切縫長度影響越小，因?yàn)楸贈Q定了炸藥的猛度，高爆速對切縫管切縫處的局部破壞能力強(qiáng)，切縫長度的影響就小。

圖3（d）為切縫管材質(zhì)對爆破效果的影響，這是影響切縫藥包爆破效果最主要的影響因素，圖中顯示，鐵管爆破效果最好，紙管爆破效果最差，PP和PVC材質(zhì)對爆破效果影響大抵相當(dāng)。鐵管約束能力強(qiáng)，鐵管的特征阻抗大于炸藥的特征阻抗，在切縫處產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度強(qiáng)，同時(shí)鐵管能夠穩(wěn)定爆轟波的傳播，阻礙側(cè)向稀疏波對軸向爆轟波傳爆的削弱，提高了切縫藥包的爆轟速度，從而增大了切縫處的爆轟壓力。鐵管還能夠?qū)Ρ鷼怏w的徑向膨脹起到一定的限制作用，使得爆生氣體在裝藥空間內(nèi)保留的時(shí)間相對延長，從而延長了爆生氣體對孔壁的作用時(shí)間。

圖3（e）為不耦合系數(shù)對爆破效果的影響，完全耦合裝藥條件下，無論切縫管結(jié)構(gòu)如何變化，由于爆生氣體在切縫處沒有足夠的空間和時(shí)間對炮孔壁優(yōu)先作用，定向爆破效果不甚明顯，隨著不耦合系數(shù)的增大，定向爆破效果顯著。

圖3　切縫藥包各參數(shù)效應(yīng)曲線圖

由圖3可以看出，各影響因素中使得比例因子值最大的為最優(yōu)，因此最佳方案應(yīng)為A3B4C1D2E4，也就是切縫寬度為4 mm，壁厚為3 mm，材質(zhì)為鐵管，切縫長度為200 mm時(shí)，在不耦合系數(shù)為2.0的條件下，定向斷裂爆破效果最佳。這個(gè)參數(shù)可以作為工業(yè)化生產(chǎn)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但綜合考慮各方面的因素，能夠滿足工程需求、所選材質(zhì)來源廣泛、價(jià)格合理、現(xiàn)場操作方便，最終選擇了PP材質(zhì)代替鐵管的切縫管用于現(xiàn)場試驗(yàn)。

3　優(yōu)化后切縫藥包殉爆距離測試

炸藥的殉爆是衡量炸藥爆轟性能非常重要的參數(shù)之一。炸藥的殉爆是由殉爆距離來表征的。切縫藥包由于其特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，其殉爆距離的測試至今沒有文獻(xiàn)報(bào)道。共設(shè)置了5種放置方式的PP材質(zhì)切縫藥包進(jìn)行殉爆試驗(yàn)，5種放置方式見圖4、不同殉爆距離d的測試結(jié)果見表3。

圖4（a）型為軸向切縫藥包殉爆距離最小為8 cm，原因是主發(fā)裝藥爆轟波陣面與被發(fā)裝藥接觸面積小所致。

圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）、圖4（e）型均為側(cè)向殉爆，圖4（b）型為切縫方向?qū)η锌p方向，是所有殉爆距離中最大的，這是由于切縫管切縫方向的能量集中所致。

表3　殉爆距離測試結(jié)果

圖4（c）垂直切縫方向平行放置是側(cè)向殉爆距離中最小的，這是由于兩個(gè)方面的原因，一是炸藥爆轟波優(yōu)先從切縫處釋放，造成能量在垂直切縫方向減弱，從而殉爆距離變小，二是由于垂直切縫方向有一定厚度的切縫管材質(zhì)間隔，也能造成殉爆距離的減少。

圖4（d）和圖4（e）的差別主要在于主發(fā)裝藥的確定，但是兩者的殉爆距離差別很大，圖4（d）型是以切縫方向的裝藥為主發(fā)裝藥殉爆一定距離處相對應(yīng)的垂直切縫方向的被發(fā)裝藥，其距離比圖4（e）的要大，這也充分說明了切縫方向的定向效果。需要說明的是殉爆距離受很多因素影響，如炸藥種類的不同，同一種裝藥密度的變化等因素都會造成殉爆距離的變化。

圖4　殉爆試驗(yàn)切縫管位置圖

4　現(xiàn)場應(yīng)用

定型生產(chǎn)的切縫藥包在京煤集團(tuán)大臺煤礦、長溝峪煤礦進(jìn)行了初步應(yīng)用，并與傳統(tǒng)的光面爆破效果進(jìn)行了對比，效果非常明顯。圖5為兩個(gè)煤礦中切縫藥包爆破后巖巷周邊成型效果。

圖5　切縫藥包爆破后巖巷周邊成型效果圖

巖巷周邊炮孔采用切縫藥包的定向斷裂爆破技術(shù)與傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)相比，在兩個(gè)指標(biāo)上具有更好的效果。

（1）技術(shù)指標(biāo)。采用切縫定向斷裂控制爆破技術(shù)后，炮眼數(shù)減少，周邊眼由原來的26個(gè)減少到15個(gè)，整個(gè)斷面炮眼數(shù)由原來的65個(gè)減少到50個(gè)；節(jié)省炸藥、雷管用量，每循環(huán)比原來節(jié)省炸藥5.51 kg，節(jié)省雷管15個(gè)；周邊半眼痕率大大提高，半眼痕率可達(dá)90%以上，半眼痕長度可達(dá)1.2～1.4 m，為炮孔長度的80%以上；嚴(yán)格控制周邊超欠挖量，周邊超欠挖量由原來的200 mm左右控制到50 mm以內(nèi)；巷道圍巖的破壞程度大大降低，從而降低了巷道的支護(hù)難度。

（2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。礦山煤礦巷道每進(jìn)尺90 m，炸藥費(fèi)用節(jié)省6900元，雷管費(fèi)用節(jié)省1656元，噴料費(fèi)用節(jié)省15900元，排矸及釬頭費(fèi)用節(jié)省1500元。以上4項(xiàng)共計(jì)25956元，節(jié)約費(fèi)用平均為288.4元/m。

5　結(jié)論

（1）根據(jù)工業(yè)炸藥爆轟理論，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法確定了切縫管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)切縫藥包可靠傳爆、穩(wěn)定爆轟。切縫藥包結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為切縫藥包定型生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

（2）切縫藥包現(xiàn)場應(yīng)用定向斷裂效果顯著，巷道周邊爆破的半眼痕率都參考文獻(xiàn)：

在90%以上，大幅度減少超挖現(xiàn)象，巷道成型質(zhì)量大大改觀，實(shí)現(xiàn)了理論成果技術(shù)化，技術(shù)成果產(chǎn)品化。

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Experimental study on explosion effect of slotted cartridge with different structure

Yang Renshu1，Cao Wenjun1，2，Gao Xiangtao1
（1.School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Beijing Jingmei Chemical Industry Co.，Ltd.，F(xiàn)angshan，Beijing 102471，China）

The reasonable structure parameters of slotted cartridge played a very important role in orientation fracture blasting technology in mine tunnelling.The slotted cartridge blasting tests in lead blocks were carried out.By the orthogonal design method，the slotted pipe material，pipe wall thickness，slot width，slot length and decouple coefficient of slotted cartridge in blasthole were optimized，the slotted pipe's reasonable structure parameters for the industrial production were determined.Then the orientation effect of slot direction was verified by induced detonation tests.Field tests showed that the directional fracture effects of slotted cartridge were remarkable，and the rates of half-hole marks of blasting around roadway were above 90%，which reduced sharply the over excavation phenomenon and increased the tunnelling speed.

directional blasting，slotted cartridge，structure of cartridge，decouple coefficient，explosion effect

TD235

A

楊仁樹（1963-），男，安徽和縣人，教授，博士生導(dǎo)師。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51134025）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20110023110018）