Ф42mm炮孔空气间隔装药爆破对岩体破碎效果的影响研究.pdf

Vol. 35 No. 4 Dec. 2018 第35卷第4期 2018年12月 爆破 BLASTING doi10.3963/j. issn. 1001 -487X.2018.04.011 0 42 mm炮孔空气间隔装药爆破对 岩体破碎效果的影响研究* 周后友二池恩旷，张修玉［朱杰『杨德强“，蒲恒强翱涛2,王彩霞5 1.贵州大学矿业学院，贵阳550003 ；2.贵州贵安新联爆破工程有限公司，贵阳550025； 3.保利久联控股集团有限责任公司，贵阳550025； 4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083； 5.铜仁新联爆破工程有限公司，贵阳554300 摘要为探索小孔径炮孔应用空气间隔装药对改善岩体破碎效果的可行性，采用ANSYS/LS-DYNA对 042 mm炮孔药包顶部、中部、底部空气间隔装药以及连续装药爆破进行数值模拟，得出中部空气间隔装药 时破碎效果较好。然后分别选取空气层占孔深比例为5、10、15、20、25、30六个工况进行乳化炸 药药包中部空气间隔装药及连续装药爆破试验，并通过Split-Desktop 3. 0软件对爆破块度进行统计分析，以 表征爆破对岩体的破碎效果。结果表明中部空气间隔装药对改善小孔径爆破块度均匀性起着良好的作用， 且空气间隔层比例不宜过大，比例为5 -15的情况下，爆堆的块度达到最佳效果，其大块度比例降低 72.88 -88.13,块度比例降低20.51 32.99。 关键词空气间隔装药爆破；数值模拟；现场试验；块度分布 中图分类号X932 文献标识码A 文章编号1001 -487X201804-0063 -06 Influence of Air-decking Charge Blasting with 0 42 mm Blast Hole on Rock Fragmentation ZHOU Hou-you 2, CHI En-an13,ZHANG Xiu-yu2, ZHU Jie-chao2, YANG De-qiang*, PU Heng-qiang2 ,DENG Tao1, WANG Cai-xia 1. College of Mining,Guizhou University,Guiyang 550003 ,China；2. Guiyang Anxin League Blasting Engineering Co Ltd,Guiyang 550025 ,China；3. Poly Union Group Co Ltd,Guiyang 550025 ,China； 4. School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 ,China；5. Tongren Xinlian League Blasting Engineering Co Ltd,Guiyang 554300,China Abstract I n order to explore the feasibility of using air-decking charge blasting technology for small diameter holes, ANSYS/LS-DYNA is used to simulate the upper, middle, bottom air-decking charges and continuous charge of 42 mm-diameter blast holes. I t is concluded that the blasting effect of the middle air-decking charge is the best. Test of middle air-decking charge blasting with air-depth ratios of 5 ,10 ,15 ,20 ,25 ,30 and the continuous charge were pered for the emulsion explosive. Statistical analysis was conducted on the blasting block size by u- sing Split-Desktop 3. 0 software,and the blasting block size index was used to analyze the impact of small-aperture air-decking charge blasting on rock fragmentation. The results show that this phenomenon can be improved by apply ing a middle air-decking charge. Moreover,the proportion of air spacers should not be too large. When the air separa tion ratio of the project is between 5 and 15 , the burst piles achieve the best effect that proportion of large blocks is reduced by 72. 88 - 88. 13 with that of small blocks reduced by 20. 51 32.99. I t can be seen that the middle air-decking charge plays an important role in improving the uniity of the small-aperture blasting blocks. Key words air-decking charge blasting； numerical simulation； field test； fragment distribution 64爆破2018年12月 空气间隔装药是调节炸药能量分布和控制爆破 效果的重要手段⑴“，且在周边环境复杂时大多采 用空气间隔装药爆破来降低爆破振动和改善块度分 布3】，主要常见的三种空气间隔结构，如图1-该 技术在各种爆破工程领域得到了广泛的应用⑼，并 为爆破工程项目带来了较多的技术经济效益。张迎 吉在爆破现场试验研究中发现，中部空气间隔装 药爆破的破碎效果要优于空气层置于其它位置;徐 文文通过中部空气间隔装药与连续装药爆破试验对 比,得出中部间隔装药爆破产生的岩石块度分布 均匀，平均块度、最大块度都小，大块率低，破碎度 高，使用中部空气间隔装药爆破极大地改善了爆破 效果;刘庆在采石场爆破试验中发现与连续耦合装 药比较，空气间隔装药虽然减小了炸药单耗，但 粉矿率、大块率、爆破振动等不利的爆破效果均得到 改善;涂书芳通过爆破损伤特性数值模拟得出合理 地布置空气间隔U“,可以显著地降低炸药用量。 顶部空气间隔 底部空气间隔 中部空气间隔 图1三种常见的空气间隔装药结构 Fig. 1 Three common air space charge structures 当前，空气间隔装药技术在小孔径炮孔爆破施 工中的试验与研究还较为少见。小孔径炮孔爆破施 工有利于边坡的稳定与安全，且容易控制超、欠挖, 既能保证开挖精度，又适用于周边环境复杂的控制 爆破中，但在常见的0 42 mm孔径的爆破施工中经 常出现破碎效果不易受控制，块度分布不均匀，增加 了经济成本，所以研究爆破对岩体的破碎效果成为 小孔径爆破施工过程中的关注重点。为此,探索合 理的空气间隔装药结构在小孔径爆破中的应用，使 岩石得以充分破碎，改善爆破破碎效果，具有重要的 实际应用意义。 1空气间隔装药的数值模拟 1.1模型建立 借助于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对顶部、 中部、底部空气间隔装药以及连续装药四种结构进 行数值模拟[，4J5],并结合爆破现场实际情况，模拟 Q 42mm炮孔在连续装药以及三种空气间隔条件下 岩体的损伤特性，以期为现场施工提供参考。 本次模拟采用ALE流固耦合法来模拟爆破损 伤问题为了简化计算量，在建模过程中采用 过渡网格模式”何，网格在炮孔附近分布较密，并 逐渐过渡到较大的网格。上述四种不同工况的计算 过程统一设置为药包底部起爆,且模型的底部、两侧 和后侧均定义为无反射边界，其它界面则都定义为 自由边界。 12材料模型与状态方程 1 岩体材料模型。为了更好的模拟出脆性材 料在高温、髙压、大应变率等条件下的受力状态, 在模拟过程中，采用J HC模型来模拟岩石。 2 爆轰波和气体。炸药产生的爆轰波采用髙 能炸药模型以及J WL状态方程模拟⑺如.J WL状态 方程为 P A1 - V严引1 _旦\ \ RxVf\ r2v 式中E为内能,Pa；A、B、另外，随 第35卷第4期 周后友，池恩安,张修玉，等042 mm炮孔空气间隔装药爆破对岩体破碎效果的影响研究67 着空气层比例的增加，15 cm以下的小块度比例分 布呈递减趋势，且以空气层比例为15为分界点， 20 30间隔比例条件下小块度比例急剧下降 3 6.5倍，因此，随着空气间隔比例的增加，对块度 过度粉碎起到了良好的改善效果，但空气间隔比例 不宜过大，空气间隔比例在15以下较好。 3块度均匀。从表2和图7可以看出，以e 45 60 cm块度范围为分界点，在M区域〃两点 的斜率5随着空气层的增加逐渐减少，其中连续装 药的5最大,5 -15空气间隔比例工况几乎相 同，且较连续装药小，而20 -30空气间隔比例 工况相差连续装药3.6-9倍,证明连续装药结构破 碎能力最大，造成过度粉碎比例较大,空气层间隔装 药有效的控制了炸药对岩体的过度粉碎，同时也验 证了数值模拟的计算结果;还有,M区域内be段为 块度适中区域，但只有5 15空气间隔比例工 况下所占百分比最大，变化较平缓，证明在5 15空气间隔比例工况在块度适中区域爆破块度变 化范围较广,优于其他四种工况。此外,M区域abce 与坐标原点围城的阴影面积S如“在5 -15空气 间隔比例条件下最大，在20 30空气间隔比例 条件下最小，而N区域内恰好相反,S在20 30空气间隔比例条件下最大，在5 -15空气 间隔比例条件下最小，证明空气间隔比例在20 30时,不仅在M区域内块度范围的比例极小，且 块度变化范围主要集中在N区域，只有在5 15空气间隔比例条件下块度变化范围主要集中在 M区域，且块度适中，更有利于改善块度的均匀性； 从以上分析可知，对于孔径 42 mm的小孔径 爆破，无论是连续装药还是空气层间隔装药,都会产 生大于80 cm大大块，但伴随着一定比例的空气层 间隔装药,块度分布的均匀性随之改善，若不考虑根 底的影响，综合考虑块度分布的均匀性，5 15 空气间隔比例工况总体上优于其他四种工况，且过 度粉碎小块率也得到改善,平均块度也适中。 3结论 根据以上试验结果及分析，可得出以下结论 1 空气间隔装药爆破可应用于孔径类似于 442 mm的小孔径炮孔爆破施工中，且中部空气间 隔装药爆破的破碎效果较好，但空气间隔比例不宜 过大，该试验区的最佳空气层比例宜取5 15。 2 在孔径为Q 42 mm的小孔径炮孔爆破施工 中，常呈现出块度过大或者过度粉碎的现象，通过运 用适当空气层比例的中部空气间隔装药可以改善该 现象,并使得大块度与小块度比例都有所降低，可见 空气间隔装药对改善小孔径爆破块度均匀性起着良 好的作用,具有一定应用价值。另外, 42 mm的小 孔径炮孔中部空气间隔装药爆破在不同比例空气间 隔比例条件下，平均块度大小随空气层间隔比例的 增大而呈现增大趋势。 参考文献References [1] 顾文彬，秦入平，王振雄，等.间隔装药起爆顺序对深 水岩石钻孔爆破影响的数值模拟研究〔J ].爆破， 2012,293 99-103. [1 ] GU Wen-bin,QI N Ru-ping,WANG Zhen-xiong,et al. Nu merical simulation analysis of ignition order for spaced loading on rock drilling and blasting under deep-water [J ]. Blasting,2012,293 99-103. in Chinese [2] 朱红兵.空气间隔装药爆破机理及理论研究[D].武 汉武汉大学,2006. [2] ZHU Hong-bing. Study on the mechanism and application of air-decking blasting [ D j. Wuhan Wuhan University, 2006. in Chinese [3] 刘世波.深孔爆破间隔装药技术探讨[J ].工程爆破， 2010,164 41-43. [3 ] LI U Shi-bo. Study on deep-hole blasting interval charging technique [ J ]. Engineering Blasting, 2010, 16 4 41- 43. in Chinese [4] 吴亮，周勇，杨璃.等.空气间隔与耦合装药混 凝土爆破对比分析[J ].武汉科技大学学报，2012, 353 225-228. [4] WU Liang,ZHOU Yong,YANG Ran,et al. Applicationand effect analysis of spaced loading blasting [ J ]. J ournal of Wuhan University of Science and Technology, 2012, 353 225-228. in Chinese [5] 叶海旺，康强，赵明生，等.节理裂隙岩体空气间隔 装药爆破试验研究[J ].爆破,2012,29226・30. [5] YE Hai-wang,KANG Qiang,ZHAO Ming-sheng,et al. Ex perimental study on air-decking charging explosion in jointed and fractured rock mass [J ]. Blasting, 2012, 292 26-30. in Chinese [6] 代青松，陶铁军，李 鸿，等.土石方控制爆破减振试 验研究[J ].矿业研究与开发,2016,36422-25. [6] DAI Qing-song,TAO Tie-jun,LI Hong,et al. Experimental study on blasting vibration control for earthwork [ J ]. Min ing RD,2016,364 22-25. in Chinese [7] 张洁升，符小海，泮红星.底部空气柱缓冲装药结构在 底板找平爆破中的应用研究[J ] 爆破,2011,283 46-49. [7] ZHANG J ie-sheng,FU Xiao-hai,PAN Hong-xing. Applied research of bottom air interval charging structure in base 68爆破2018年12月 board leveling blasting [ J ]. Blasting, 2011,28 3 46- 49. in Chinese [8] 吴 亮，位 敏,钟冬望，等.空气间隔装药爆破动态 应力场特性研究[J ]爆破,2009,26417・21. [8 ] WU Liang, WEI Min, ZHONG Dong-wang, et al. Study on dynamic stress characteristics of air-decked charge explo- sion[ J ]. Blasting,2009,264 17-21. in Chinese [9] 吴亮,朱红兵，卢文波.空气间隔装药爆破研究现状 与探讨[J ].工程爆破,2009,15116-19. [9] WU Liang,ZHU Hong-bing,LU Wen-bo. An overview and discussion of the study on air-decking charging blasting]J ]. Engineering Blasting,2009,15 1 16-19. in Chinese [10] 张迎吉，周建敏,徐文文，等.不同位置空气间隔装药 爆破减振和破碎效果试验[J ]・工程爆破，2015, 211 15-19. [10] ZHANG Ying-ji, ZHOU J ian-min, XU Wen-wen, et al. Experiment on effect of vibration reduction and rock fragementation for different positions air-decjing charge blasting[ J ] . Engineering Blasting,2015,21 1 15-19. in Chinese [11] 徐文文，叶海旺,张迎吉，等金堆城露天矿空气间隔 装药减震控制爆破试验研究[J ] 爆破,2013,303 70-74. [11] XU Wen-wen, YE Hai-wang, ZHANG Ying-ji, et al. Ex perimental study on air-decking charging controlled blas ting to reduce vibration in J induicheng Open-pit Mine [J ]. Blasting,2013 ,303 70-74. in Chinese [12] 刘庆，康强,赵明生.采石场空气间隔装药数值 模拟及应用[J ].爆破,2013, 30365-69. [12 ] LI U Qing,KANG Qiang, ZHAO Ming-sheng. Numerical simulation and application of air deck charging in quarry [J ]. Blasting,2013 ,303 65-69. in Chinese [13] 涂书芳，冷振东空气间隔装药爆破损伤特性数值模 拟研究[J ].水电与新能源,2018,322 16-20. [13] TU Shu-fang, LENG Zhen-dong. Numerical simulation study on damage characteristics of the air-decked charge blasting[ J]. Hydro Power and Newenergy ,2018 ,322 16-20. in Chinese [14] 叶海旺，汪柳俊，冉 成，等分层装药爆破间隔填塞 长度优化研究[J ]爆破,2017,34226-34. [14] YE Hai-wang,WANG Liu-jun,RAN Cheng,et al. Optimi zation on interval stemming length of blasting in layered charge[ J ]. Blasting,2017,342 26-34. in Chinese [15] 宗琦，吴捷豪，马扶清.爆破动载对不同龄期混凝 土支护体影响的数值模拟[J ]煤矿安全，2018, 493 52-55. [15 ] ZONG Qi, WU J ie-hao, MA Zhi-qing. Numerical simula tion of the influence of blasting vibration on concrete support with different ages [ J ]. Safety in Coal Mines, 2018,493 52-55. in Chinese [16]苏洪陈帅志.起爆方式对爆破损伤影响的数值分 析[J ]煤炭技术,2018,37 1 32-34, [16] SU Hong,CHEN Shuai-zhi. Numerical analysis of effect of detonation s on blasting damage [ J ]. Coal Technology ,2018 1 32-34. in Chinese [17] 闫国斌，于亚伦空气与水介质不耦合装药爆破数值 模拟[J ].工程爆破,2009,15413-19. [17 ] YAN Guo-bin, YU Ya-lun. Numerical simulation of air and water medium decoupling charge blasting [ J ]. Engi neering Blasting,2009,154 13-19. in Chinese [18] 明 悦，胡浩川，周建敏.不同位置空气间隔装药爆 破对岩体破碎效果的影响研究[J ]采矿技术,2016, 165 63-65. [18 ] MI NG Yue, HU Hao-chuan, ZHOU J ian-min. Study on the effect of blasting on the crushing effect of rock mass by air deck charging [ J ]. Mining Technology, 2016, 165 63-65. in Chinese [19] 王 琪,张世平，林 哲露天深孔不同位置水间隔装 药爆破数值模拟[J ] 煤炭技术,2018,37127-29. [19] WANG Qi,ZHANG Shi-ping,LI N Zhe. Open water deep hole position interval blasting numerical simulation [ J ]. Coal Technology,2018 ,371 27-29. in Chinese [20] 康强裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试 验研究[D].武汉武汉理工大学,2012. [20] KANG Qiang. Numerical simulation and experimental study of air-deck charge blasting in fractured rock mas ses [D ]. Wuhan Wuhan University of Techonolgy ,2012. in Chinese [21] 巫雨田预裂缝减震效果数值模拟研究[D].武汉武 汉理工大学，2014. [21] WU Tian-yu. Numerical simulation for vibration-reduc tion effect of presplitting crack [ D]. Wuhan Wuhan Uni・ versity of techonolgy ,2014. in Chinese [22] 曹进军，朱宽,李晓虎，等.中深孔与浅孔联合布孔 在煤层底板爆破中的数值模拟研究[J ]爆破,2016, 334 65-72. [22] CAO J in-jun,ZHU Kuan,LI Xiao-hu. Numerical simula tion research of medium-deep hole combined with shal low hole blasting in seam floor [ J ]. Blasting, 2016, 334 ；65-72. in Chinese [23] 刘福高.现场混装乳化炸药爆破参数优化及数值模 拟研究[D].武汉武汉科技大学,2015. [23] LI U Fu-gao. Blasting parameter optimization and numeri cal simulation research of the site mixing-loading emul sion explosive [ D]. Wuhan Wuhan University of science and techonolgy ,2015. in Chinese 英文编辑柯波