空氣和水不耦合裝藥對(duì)爆破塊度影響分析*

龔 玖，汪海波，王夢(mèng)想，宗 琦，王從平

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

對(duì)于穿山公路，考慮巖石與運(yùn)輸環(huán)境，目前普遍采用鉆爆法施工，對(duì)于路塹邊坡目前普遍采用光面爆破，光面爆破半眼殘恒率與爆破塊度大小是評(píng)價(jià)爆破效果最重要的指標(biāo)之一;不同的爆破作業(yè)對(duì)爆破塊度的大小要求各不相同[1-2]，土石方開采爆破要求減少碎石大塊率，便于土石方運(yùn)輸。對(duì)于煤礦開采，要求盡可能減少粉煤與小塊度的產(chǎn)生，以免煤礦在運(yùn)輸過程中造成浪費(fèi)；針對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破破碎塊度的影響，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。戴俊等[2]通過理論推導(dǎo)求出巖石爆破破碎塊體尺寸與炮孔內(nèi)爆炸壓力的關(guān)系;宗琦等[3-5]對(duì)水不耦合介質(zhì)孔壁沖擊壓力和巖石破壞范圍進(jìn)行理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究;杜俊林等[6-7]對(duì)水不耦合介質(zhì)沖擊波的傳播和空氣不耦合孔壁沖擊壓力進(jìn)行了理論分析；蔣復(fù)良等[8]通過研究?jī)?yōu)化了炸藥單耗與巖石可爆性分級(jí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中大塊率、小塊率之間的關(guān)系；劉永清等[9]對(duì)耦合裝藥時(shí)爆破破碎塊度分布規(guī)律進(jìn)行了分析；蔡峰等[10]研究了水介質(zhì)不耦合裝藥在深孔爆破中不耦合系數(shù)對(duì)爆炸近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的應(yīng)力波能量的影響；楊小林等[11]對(duì)水泥砂漿混凝土進(jìn)行空氣不耦合裝藥爆破，優(yōu)化不耦合系數(shù)；孫磊等[12]將水不耦合裝藥應(yīng)用在煤礦巷道，取得較好的效果；陳志彬等[13]對(duì)塊度評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇依據(jù)進(jìn)行了探討；閆國(guó)斌等[14]利用LS-DYNA建立不耦合裝藥模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析空氣和水不耦合裝藥下孔壁應(yīng)力與不耦合系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。

對(duì)于不耦合裝藥對(duì)巖石爆破塊度大小的影響，本文結(jié)合前人研究成果，從理論上對(duì)空氣和水2種介質(zhì)下的爆破塊度尺寸進(jìn)行比較，并通過模型試驗(yàn)，改變不耦合系數(shù)，對(duì)爆破塊度尺寸大小進(jìn)行回歸分析驗(yàn)證，并將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于路塹光面爆破，對(duì)改善爆破效果有一定的指導(dǎo)意義。

1 不同介質(zhì)不耦合裝藥對(duì)爆破塊度的影響

文獻(xiàn)[2]指出了巖石破碎塊度尺寸d與炮孔中裝藥爆炸后在巖石中引起的爆炸荷載p0的關(guān)系：

(1)

式中：KIC為巖石的斷裂韌度，MPa·m1/2；ρ為巖石容重，N·m-3；c為巖石彈性波速度，m·s-1；K為系數(shù)，與巖石性質(zhì)有關(guān)；r為計(jì)算點(diǎn)到裝藥中心的距離，cm；α為爆炸應(yīng)力波在巖石中的衰減指數(shù)；rb為炮孔半徑，cm。

(2)

1.1 徑向空氣不耦合裝藥

徑向空氣不耦合裝藥爆生氣體膨脹充滿整個(gè)炮孔時(shí)的氣體靜壓力值p0與不耦合系數(shù)Kd的關(guān)系為[3]：

(3)

式中：ρe為炸藥的密度，g·cm-3；D為爆速，m·s-1；dc為炮孔裝藥直徑，cm；db為炮孔直徑，cm；n為爆轟產(chǎn)物碰撞炮眼壁時(shí)，壓力增加的倍數(shù)，n=8～11。

1.2 徑向水不耦合裝藥

(4)

式中：ρw為水的原始密度，g·cm-3；rb，rc分別為炮孔直徑和炮孔裝藥直徑，cm。

(5)

爆生氣體看成絕熱膨脹過程，其膨脹壓力變化為：

(6)

式中：x為水的徑向壓縮量，cm。

達(dá)到平衡狀態(tài)(即x=δ)時(shí)的爆生氣體的壓力為：

(7)

將式(5)和(7)聯(lián)合可得式(8)：

(8)

將式(8)和式(3)進(jìn)行比較，得式(9)：

(9)

由式(2)得：

(10)

式中：db為水介質(zhì)爆破下塊度尺寸，mm；d0為空氣介質(zhì)爆破下塊度尺寸，mm。

式(9)中分析已知pb>p0，則db

通過以上分析可知：相同起爆條件下，水介質(zhì)下的爆破塊度尺寸比空氣介質(zhì)下爆破塊度尺寸??；說明水不耦合裝藥對(duì)爆炸能量的利用率更高，更利于改善爆破效果。

2 模擬試驗(yàn)材料及參數(shù)

2.1 混凝土材料尺寸及配合比參數(shù)

根據(jù)爆破相似準(zhǔn)則，本試驗(yàn)取幾何相似比CL=0.1，制作尺寸為350 mm×450 mm×700 mm的水泥砂漿混凝土模型。模型由42.5#硅酸鹽水泥、篩選后的中砂及水?dāng)嚢铦仓?，配比為水∶水泥∶?0.5∶1∶2。炮孔孔徑分別預(yù)留為8，10，12，14和16 mm，孔深180 mm。其中，試件模型如圖1所示，混凝土模型的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 混凝土模型的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of concrete model

圖1 試件模型Fig.1 Specimen model

2.2 爆破塊度試驗(yàn)

每種模型各裝1發(fā)Φ6 mm×44 mm，含0.5 g DDNP電雷管，炮孔填塞材料采用細(xì)砂加502膠水混合進(jìn)行封堵。分別對(duì)炮孔填充空氣介質(zhì)和水介質(zhì)且不耦合系數(shù)為1.33,1.67,2.0,2.33和2.67的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行爆破，為了防止巖石的二次破碎和爆后碎塊的飛散，試驗(yàn)在柔性防護(hù)罩內(nèi)進(jìn)行，爆后收集爆破塊度，用直徑分別為40，30，25，20，15和10 mm的圓孔篩對(duì)塊度分級(jí)，同時(shí)稱出重量并計(jì)算各等級(jí)的百分比。

3 爆破塊度試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 爆破塊度試驗(yàn)結(jié)果

爆破塊度試驗(yàn)中空氣、水耦合介質(zhì)爆破塊度分布篩下累計(jì)量見表2。

3.2 塊度分布函數(shù)表達(dá)式

為了更加直觀分析爆破塊度與不耦合系數(shù)的關(guān)系，采用塊度分布函數(shù)進(jìn)一步加以研究，常用的分布函數(shù)有Rosin-Ramular函數(shù)(簡(jiǎn)稱R-R分布)，Gafes-Gandin-Scuhman函數(shù)(簡(jiǎn)稱G-G-S分布)[1]，下面采用G-G-S和R-R分布函數(shù)進(jìn)行研究分析。

表2 空氣、水耦合介質(zhì)爆破塊度分布篩下累計(jì)量Table 2 The tiring measurement of blasting fragmentation distribution under air and water coupling medium %

G-G-S分布函數(shù)為：

y=100(x/x0)n

(11)

R-R分布函數(shù)為：

y=100{1-exp[-(x/x0)n]}

(12)

式中：y為篩下累計(jì)量，%；x為篩孔尺寸，mm；x0為塊度分布特征參數(shù);n為分布參數(shù)。

為了求出以上分布函數(shù)中未知數(shù)x0與n，采用一元線性回歸分析，首先化非線性回歸為線性回歸，然后再求出回歸方程[15]，對(duì)于G-G-S，R-R代換后的形式為：

Y=AX+B

(13)

對(duì)于G-G-S分布：Y=lny;X=lnx;A=n;B=ln100-nlnx0

對(duì)于R-R分布：Y=ln ln[100/(100-y)];X=lnx;A=n; B=-nlnx0

其中，空氣、水介質(zhì)下塊度分布回歸分析結(jié)果分別見表3～4。

爆破塊度回歸方程擬合結(jié)果表明：無論是空氣介質(zhì)還是水介質(zhì)，R-R分布比G-G-S分布的相關(guān)性高，

表3 空氣介質(zhì)下塊度分布回歸分析結(jié)果Table 3 Results of regression analysis of fragmentation distribution under air medium

表4 水介質(zhì)下塊度分布回歸分析結(jié)果Table 4 Results of regression analysis of fragmentation distribution under water medium

其相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，因此可用R-R分布函數(shù)來描述本次試驗(yàn)的塊度分布。

通過爆破塊度回歸分析，采用K50，K80以及大塊率3個(gè)指標(biāo)對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(14)

(15)

式中：K50，K80分別為50%和80%塊度能通過的篩孔尺寸，mm。

本文試驗(yàn)結(jié)果將應(yīng)用于路塹邊坡光面爆破，爆破后的土石方將回填在道路路基工程中，一般要求填方料尺寸不大于40 cm，本文模型試驗(yàn)相似比1∶10，所以定義塊度大于40 mm的為大塊。

大塊率的統(tǒng)計(jì)是將塊度進(jìn)行篩分后，將尺寸大于40 mm的塊度重量與塊度總重量相比所得，即在表2空氣、水耦合介質(zhì)爆破塊度分布篩下累計(jì)量中，用100%減去塊度等級(jí)小于40 mm的篩下累計(jì)量(%)，所得結(jié)果即為大塊率。

其中，不同介質(zhì)不耦合系數(shù)爆破塊度效果分析統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 不同介質(zhì)不耦合系數(shù)爆破塊度效果分析統(tǒng)計(jì)Table 5 Analysis and statistics of the effect of blasting fragmentation of uncoupling coefficient under different media

圖2 塊度指標(biāo)與不耦合系數(shù)Kd的關(guān)系Fig.2 Relationship between fragmentation index and decoupling coefficient Kd

3.3 不同介質(zhì)不耦合系數(shù)爆破塊度效果分析

根據(jù)爆破塊度篩分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，作出不同介質(zhì)下不耦合系數(shù)Kd與K50,K80和大塊率指標(biāo)的關(guān)系折線如圖2所示。

由圖2可知，采用水介質(zhì)不耦合裝藥的爆破塊度評(píng)價(jià)指標(biāo)K50,K80和大塊率均低于空氣介質(zhì)，與理論推導(dǎo)結(jié)果相符；在相同的模型試驗(yàn)中，空氣介質(zhì)和水介質(zhì)塊度指標(biāo)兩者變化趨勢(shì)基本相同，且兩者的塊度指標(biāo)差值隨著不耦合系數(shù)的增加逐漸增大。

圖2中，空氣介質(zhì)中塊度指標(biāo)K50,K80和大塊率隨著不耦合系數(shù)Kd的增加，整體呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，在Kd=1.67時(shí)，K50，K80和大塊率分別達(dá)到的最小值為34.53 mm，45.95 mm和53.44%；水介質(zhì)中塊度指標(biāo)K50，K80和大塊率與不耦合系數(shù)Kd的變化關(guān)系基本與空氣介質(zhì)相同，在Kd=1.67時(shí)，K50，K80和大塊率分別達(dá)到的最小值為22.55 mm，30.37 mm和31.10%。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以某路塹光面爆破施工為例，光爆孔采用直徑90 mm鉆孔，炸藥采用二號(hào)巖石乳化炸藥，由于藥卷尺寸相對(duì)固定，為了改善徑向不耦合系數(shù)，采用2個(gè)直徑35 mm的藥卷捆在一起，等效直徑49.48 mm，徑向不耦合系數(shù)為1.81，藥卷固定在竹片上放入炮孔，炮孔內(nèi)注水、封堵。連接爆破網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施起爆，爆破效果如圖3所示。

圖3 路塹邊坡光面爆破效果Fig.3 Smooth blasting effect of roller slope

從圖3可以看出，爆破后巖石破碎塊度較小，炮眼殘痕率較好，未出現(xiàn)炮孔局部粉碎破壞情況。

5 結(jié)論

1)從理論以及模型試驗(yàn)均得出水不耦合裝藥爆破塊度尺寸小于空氣不耦合裝藥，說明水不耦合裝藥對(duì)爆炸能量的利用率比空氣介質(zhì)高。

2)當(dāng)Kd=1.67時(shí)，對(duì)于不同介質(zhì)不耦合裝藥爆破模型，K50,K80以及大塊率3個(gè)塊度評(píng)價(jià)指標(biāo)均為最小值，但在實(shí)際爆破作業(yè)中，有時(shí)由于炮孔尺寸和藥卷直徑的生產(chǎn)規(guī)格限制，不易改變，現(xiàn)場(chǎng)可采用近似最優(yōu)不耦合系數(shù)進(jìn)行爆破。

3)在R-R分布函數(shù)中，塊度分布特征參數(shù)x0與塊度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)K50,K80以及大塊率成正比，即隨著x0增大，K50,K80以及大塊率的值也隨著增大。