混裝炸藥的能量與巖石性質(zhì)匹配研究

王基禹，趙明生,2

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550000；2.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550002)

炸藥與巖石匹配一直是爆破工程領(lǐng)域尚未完全解決的重大難題，當(dāng)前炸藥與巖石匹配的理論主要分為波阻抗匹配、全過程匹配和能量匹配[1,2]。國內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)的研究，也取得了一些建設(shè)性的成果。目前，波阻抗匹配理論是爆破工程中運用最為廣泛的炸藥與巖石匹配理論。該理論根據(jù)炸藥巖石界面上沖擊波的入射和反射效應(yīng)，認(rèn)為炸藥與巖石的波阻抗相等時，能量利用率最高。李夕兵等以傳遞到巖石介質(zhì)中的最大爆炸能量為目標(biāo)[3]，通過理論分析和數(shù)值計算，改正了合理匹配時巖石與炸藥參數(shù)之間的關(guān)系，為爆破開挖中的炸藥選擇提供了科學(xué)依據(jù)。楊仁樹等利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗系統(tǒng)[4]，對系列波阻抗的模型材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗。試驗結(jié)果表明，巖石在沖擊荷載下的應(yīng)力波傳播特征、動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及破碎塊度分形特征同時受波阻抗、應(yīng)變率和沖擊速度的影響。葉海旺等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)方法[5]，建立了炸藥與巖石匹配模型，解決了巖石的復(fù)雜多變性和爆破過程的復(fù)雜性等問題。趙明生等通過理論分析和現(xiàn)場試驗研究了不同混裝炸藥配方對炸藥波阻抗的影響[6]。結(jié)合現(xiàn)場巖石地質(zhì)條件及炸藥能量利用率，設(shè)計了不同的炸藥配方，實現(xiàn)了炸藥與巖石的能量匹配、提高了炸藥能量利用率、提升了爆破效果。

目前，國內(nèi)外專家對于炸藥與巖石的全過程匹配研究較少。其中，郭子庭等根據(jù)三維動應(yīng)力場以及簡化的氣體擴裂和能量分配模型[7]，分析計算了爆破破碎過程各階段的能量分配關(guān)系，并得出在炸藥與巖石匹配時，應(yīng)考慮爆破全過程的炸藥、巖石和孔網(wǎng)參數(shù)等綜合因素，進(jìn)而提出了炸藥巖石全過程匹配的觀點和具體要求。同時，部分國內(nèi)專家從能量的角度出發(fā)，對炸藥與巖石匹配進(jìn)行了大量研究。賴應(yīng)得提出采用增減裝藥量來適應(yīng)破碎巖石所需的能量[8]，通過對巖巷掘進(jìn)小直徑中深孔直眼分段掏槽機理和參數(shù)的分析。徐穎等研究了掏槽爆破裝藥爆炸能量與巖體自身損傷狀態(tài)的匹配[9]，得出分段裝藥利用其在巖石中的殘余應(yīng)力和大量的爆生裂隙，增強了巖石的破碎，同時也改善了炸藥爆炸能量與巖石破碎的匹配關(guān)系。冷振東等從爆破破碎機理出發(fā)[10]，在保證相鄰炮孔間巖石充分破碎的前提下，通過對粉碎區(qū)的合理控制來確定鉆孔爆破最優(yōu)的炸藥性能參數(shù)，提出了炸藥與巖石能量匹配準(zhǔn)則。

目前的對于炸藥與巖石匹配的研究主要集中在波阻抗或者過程研究，對于基于能量理論的炸藥與巖石匹配研究較少。本文結(jié)合巖石力學(xué)試驗和混裝炸藥配方多樣性研究，基于能量匹配理論，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的炸藥與巖石能量匹配模型，將該匹配模型在新疆某露天煤礦爆破施工現(xiàn)場進(jìn)行推廣應(yīng)用，為改善爆破效果、提高炸藥能量利用率奠定基礎(chǔ)。

1 巖石破壞模式分析

以新疆某露天煤礦1252平盤、1228平盤、1180平盤的巖石為研究對象，對該平盤的巖石進(jìn)行取樣，共制取了靜力學(xué)試驗巖石試樣34個，動力學(xué)試驗巖石試樣15個。通過為了測得礦巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)，將分別進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮實驗、巴西劈裂拉伸實驗，獲取巖石的單軸抗壓強度、抗拉強度等力學(xué)參數(shù)。單軸壓縮實驗用試樣為φ50 mm×100 mm圓柱體，拉伸實驗用試樣為φ50 mm×30 mm圓盤體，SHPB動態(tài)壓縮實驗用試樣為50 mm×25 mm(φ×L)圓柱體。標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1所示。

圖 1 部分標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig. 1 Standard samples

通過靜力學(xué)試驗試驗得到1252、1228和1180各平盤采集的巖石試樣的單軸抗壓強度平均值為82.40 MPa、133.43 MPa和92.10 MPa，巖石的彈性模量平均值分別為26.37 GPa、14.68 GPa和17.74 GPa，泊松比平均值分別為0.29、0.24和0.29。各平盤巖石的平均抗拉強度為4.28MPa、3.92 MPa和8.25 MPa。

巖石動力學(xué)試驗基于保利新聯(lián)爆破工程有限公司民爆工程實驗室內(nèi)的改進(jìn)式SHPB實驗平臺，得到不同沖擊氣壓下應(yīng)力時間曲線如圖2所示。從巖石應(yīng)力時間曲線中可以發(fā)現(xiàn)，巖石的最大應(yīng)變值與沖擊荷載強度無明顯關(guān)系。此外，隨著沖擊氣壓的增加，其峰后曲線越陡。這說明動態(tài)擾動強度不光影響巖石的動態(tài)壓縮強度，同時對巖石破壞后的殘余強度也有重要的影響。

圖 2 不同沖擊氣壓下巖石應(yīng)力時間曲線Fig. 2 Stress-time curve under different impact pressure

為深入研究巖石整體破裂、失穩(wěn)機理及其發(fā)展過程，選取巖石在不同沖擊氣壓值下巖石破壞過程列于圖3中，考察單軸加載下巖石的最終破壞模式。由圖可以看出巖石在軸向沖擊荷載作用下首先沿環(huán)向產(chǎn)生大量裂紋，裂紋產(chǎn)生的原因是由于應(yīng)力波在試件傳播過程中發(fā)生反射產(chǎn)生的反射拉伸波所引起。進(jìn)一步，巖石基本上失去了承載能力，破壞更加充分，破碎塊度更小，最后在應(yīng)力應(yīng)變曲線下降的最后階段巖石已經(jīng)完全失去承載能力。

圖 3 不同沖擊氣壓下巖石試驗的破壞過程Fig. 3 Failure process of rock test under different impact pressure

2 現(xiàn)場混裝乳化炸藥配方多樣性研究

從能量匹配原理可知，只要求破碎巖石所需的能量做功和炸藥爆炸產(chǎn)生的能量相等或接近相等就可以，不要求嚴(yán)格硬巖用高威力炸藥，軟巖用低威力炸藥，而是通過增減裝藥量來調(diào)節(jié)爆炸能量大小，以適應(yīng)巖石硬軟程度。因此只需要設(shè)計出幾組不同性能的炸藥配方，再根據(jù)實際情況，調(diào)整裝藥量即可。混裝乳化炸藥的主要成分由硝酸銨、硫脲、水、乳化劑和油相組成。基于現(xiàn)場地面站生產(chǎn)條件，通過調(diào)整混裝乳化炸藥各組分含量來改變炸藥的性能，獲得5種不同性能的現(xiàn)場混裝乳化炸藥，如表1所示。

表 1 現(xiàn)場混裝乳化炸藥配方

進(jìn)行混裝乳化炸藥爆速測試，采用外徑110 mm PVC管裝滿混裝炸藥，使用雙層塑料薄膜封口，用纏繞漆包線作為靶線探針，共設(shè)置五組探針，現(xiàn)場基時設(shè)置為0.1 μs，靶距為230 mm。爆速測試儀器為ZBS-10型智能十段爆速測試儀。每組試驗現(xiàn)場爆速測試方法如圖4所示。

圖 4 現(xiàn)場爆速測試Fig. 4 Field detonation velocity test

根據(jù)現(xiàn)場測試，爆轟波在傳遞到PVC管第三段時可達(dá)到穩(wěn)定爆轟，因此選取第三段的爆速值作為測試結(jié)果。共進(jìn)行了5次爆速試驗，每次試驗測試2組爆速，共獲得10組測試結(jié)果。爆速及密度測試結(jié)果如表2所示。

如表2所示，E1配方炸藥平均爆速分別為5060.5 m/s，可作為高威力炸藥使用。E2和E3配方炸藥平均爆速分別為4539 m/s和4263.5 m/s，可作為中威力炸藥使用。E4配方和E5配方炸藥平均爆速分別為3593 m/s和3502 m/s，可作為低威力炸藥使用。

表 2 混裝乳化炸藥爆速測試結(jié)果

結(jié)合成本考慮，雖然E2和E3配方炸藥都可作為中威力炸藥使用，但因為E3配方水含量較多，成本更低，因此優(yōu)先使用E3配方炸藥。E4和E5配方炸藥爆速相近，前文實驗結(jié)果表明，當(dāng)水含量超過17%以上時，乳化基質(zhì)穩(wěn)定性會隨水含量的增大快速下降，因此優(yōu)先使用E4配方炸藥。

3 炸藥與巖石智能匹配研究

本模型的設(shè)計思路是在獲取了現(xiàn)場的巖石力學(xué)參數(shù)后，根據(jù)要達(dá)到的爆破效果，匹配炸藥性能合適的炸藥配方，再結(jié)合炸藥與能量匹配定律，對現(xiàn)場的實際裝藥情況進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到改善爆破效果的目的。因此，模型的輸入層包括巖石力學(xué)參數(shù)、現(xiàn)場情況和爆破效果要求三方面，輸出層包括炸藥性能參數(shù)和爆破設(shè)計參數(shù)兩方面。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖 5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 5 Neural network model

選取礦山1252、1228、1180不同平盤典型爆破數(shù)據(jù)18組巖石性質(zhì)、現(xiàn)場條件、爆破效果、炸藥性能、爆破參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將收集的工程實踐數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本訓(xùn)練和檢測。取18組數(shù)據(jù)中的15組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本對模型進(jìn)行訓(xùn)練，將剩下的3組數(shù)據(jù)作為檢驗樣本對模型進(jìn)行驗證。測試樣本的測試結(jié)果如表3所示。

如表3所示，三組預(yù)測的平均誤差分別為5.09%、7.26%和4.79%，最大輸出值誤差為16.00%，誤差超過百分之十的輸出值共有4個，其余誤差均小于百分之十，說明該模型可應(yīng)用于工程實踐。

表 3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果對比

4 工程應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)計劃，選定1252西平臺、1228東平臺和1180西平臺為試驗區(qū)域分別進(jìn)行試驗，每次試驗共分三組，第一組為原爆破設(shè)計，第二組為經(jīng)模型預(yù)測的孔網(wǎng)參數(shù)，但采用原配方炸藥裝藥，第三組為采用模型預(yù)測的孔網(wǎng)參數(shù)和能量匹配的炸藥進(jìn)行裝藥。其中第一組和第二組為對照組。各平盤試驗參數(shù)如表4所示。

表 4 不同平臺試驗參數(shù)

爆破后及時采集爆堆圖片，使用塊度分析軟件Split-Desktop 2.0對爆破后的爆堆塊度進(jìn)行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果表明：1252西平臺三組試驗大塊率分別為10.1%、13.4%、6.1%，1228東平臺三組試驗大塊率分別為8.6%、8.9%、4.8%，1180西平臺三組試驗大塊率分別為7.4%、7.7%、5.8%。應(yīng)用炸藥與巖石能量匹配模型，各臺階大塊率降低效果明顯，爆堆塊度分布更為集中，有效提高了后續(xù)鏟裝效率。

5 結(jié)論

(1)通過開展巖石靜、動態(tài)力學(xué)試驗，獲得了不同巖石靜態(tài)力學(xué)參數(shù)以及不同沖擊荷載對巖體應(yīng)力應(yīng)變及巖體破壞特征的影響規(guī)律。通過調(diào)整混裝乳化炸藥不同組分配比，結(jié)合混裝乳化炸藥爆速測試和密度測試，獲得了5種不同性能的混裝乳化炸藥配方。

(2)基于炸藥與巖石能量匹配理論，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的炸藥與巖石能量匹配模型，通過測試樣本對訓(xùn)練好的PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，三組預(yù)測的平均誤差分別為5.09%、7.26%和4.79%。

(3)基于能量調(diào)控原則，針對新疆某露天礦1252西平臺、1228東平臺和1180西平臺開展了工程試驗。爆破結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)的炸藥配方和爆破參數(shù)，合理匹配的炸藥不僅能夠降低炸藥單耗，同時大塊率、后裂距離等爆破效果指標(biāo)也得到了有效改善。