爆破应用技术——聚能装药在预裂爆破中的应用.doc

浅析聚能装药在预裂爆破中的应用

南京理工大学安刚指导教师：黄寅生
摘要：聚能预裂爆破与普通预裂爆破相比,爆破效果明显提高,能有效地控制预裂缝的扩展。文中根据对线型聚能装药效应的分析研究,提出了新的聚能装药预裂切缝方法及其机理,并指出了其发展前景。
关键词：线型聚能装药；预裂切缝；应用分析
1预裂爆破现状和传统技术
预裂爆破是在主爆破炮眼起爆之前,沿设计轮廓面布置的预裂炮眼首先起爆,形成有一定宽度的预裂缝,将开挖区与保留区的岩体分离开,从而使保留区岩体在主爆破炮眼爆破时受到的破坏和震动大为减轻,留下光滑、平整的开挖面。其机理被广泛认为是应力波和爆生气体的共同作用。其主要措施在于采用不耦合装药结构,减少装药量;使用低爆速、低密度且爆生气体生成量大的炸药;适当加密预裂炮眼,布置导向孔;合理确定炮眼系数;采取预留光面层爆破,以便获得好的爆破效果。其在矿山、水电、交通、军事和建筑等露天边坡和地下开挖等工程爆破中,得到全面推广应用,取得了巨大的综合效益。
工程预裂爆破的参数选择和控制技术决定了爆破效果,其措施有:
1)爆破参数的设计计算有公式法、直接试验法、经验类比法和模型试验法等。可结合工程
实践经验和有关文献来确定炮眼直径、间距、最小抵抗线、不偶合系数和线装药密度等爆破参数。
2)控制爆破裂缝的主要措施有:
①采用孔壁切槽、设导向孔和异形炮孔等方法改变炮孔的形状或孔间的相互关系,以改变
炮孔的受力状态,使劈裂面方向产生应力集中,避免裂缝方向的随机化。但孔壁切槽和设异形炮孔对钻孔精度、炮孔加工工艺和钻具要求很高。设导向孔需增加钻孔量,提高了钻眼成本。
②采用压铸药柱、聚能药包、带缺口药包、扁平药包等方法改变药包形状,使其最大的压力作用于劈裂面方向。其中,聚能装药所产生的射流作用集中,用药量较少,效果最好。
③采用切缝套管、挤压钢棒及半圆套管以改变装药结构,使爆生气体的最大压力作用于劈
裂面方向。但对钻孔、定位、炸药、套管的材质、尺寸及力学特性要求高。
3)工程实践表明,根据岩体地质条件,合理利用结构面可获得较理想的预裂缝。预裂孔与
结构面一致时,可沿结构面布置,以减少炸药量,获得理想的预裂缝。一些断层、节理对爆炸应力波的衰减影响较大,可起到类似预裂缝的作用。对炸药进行分散化、微量化处理,改变装药方式,在炮孔的断层、裂隙处,局部间隔装药,以减少爆破对弱面的过度破坏及爆生气体的逸散现象。
现在,聚能装药在金属切割、军用破甲等方面的应用研究甚多,并取得良好的效果。而在岩石预裂切缝方面研究较少,且传统的岩石预裂爆破技术存在能量利用率低,钻孔工作量大,成本高,切缝成材率低,受岩体地质结构条件制约等显著缺点。因此,聚能装药在岩石预裂爆破中的应用具有广阔的前景。
2线型聚能装药进行预裂切缝的探讨及参数分析
在大型块体切割和地坪沟槽等控制爆破中,受爆破块体的材质、控制爆破的环境条件和要求等因素的限制。为避免欠挖和超挖现象,减少钻眼工作量,降低成本,提高效率,可采用聚能预裂切缝的新方法。
2.1聚能装药形式
预裂切缝时,为使有效炸药层达到稳定爆轰和充分利用其能量,考虑到药型罩顶部至轴线闭合距离很短,可采用侧向线型楔形聚能装药。其药型罩为面对称型,可产生平面射流,用于面性切割。其形状如图1所示。
2.2线型聚能装药作用原理
聚能切缝主要利用聚能穴的聚能作用和
爆生气体的“准静态压力”作用。在爆轰波扫过
槽对称表面时,使槽表面上几乎垂直于装药表面飞散的爆轰产物在装药轴线上汇聚成沿轴线方向运动的具有更高压力和密度的聚能气流。在动光弹模型实验中发现,聚能穴方向上条纹十分密集,条纹级数增大,具有明显的聚能作用[1]。聚能气流的能量由气流的动能和位能两部分组成[2],即:
式中,图1线型楔形聚能药包示意图
1——药包;2——药壳;3——药型罩;4——导爆索孔
为炸药密度kg/m,D为爆速,m/s。等式右侧第一项为位能,第二项为动能。动能能够集中,而位能不能集中且起分散作用。在生产试验中,采用2号岩石硝铵炸药,用铜片做药型罩,可将能量极大部分表现为动能形式,避免高压膨胀引起能量分散而使能量更加集中,形成一股速度和动能比气体射流更高的面性金属射流。在预裂切缝方向,头部射流在开始阶段的速度可达7～8km/s,能量密度达10Pa以上,温度升到4000～5000℃[2],以远大于介质极限抗压强度的冲击压力穿射一定深度的射流面,射流面周围介质被粉碎而呈塑性流动变形,并向外产生一些飞溅的介质残渣。同时,部分能量向四周扩散产生侧压力,增大了裂缝宽。且爆生气体的“准静态压力”作用有利于预裂缝的贯通,孔壁压力越高,应力强度因子越大,相应预裂缝的传播速度越高。其生产的径向裂缝在一定条件下可扩展到邻近主爆孔。故应保证在径向裂缝扩展到临近一排主爆孔之前两相邻预裂孔已贯穿。在以后的