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第34卷 第2期 2017年6月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 2 Jun. 2017 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2017. 02. 009 堵塞长度对巷道掘进掏槽爆破效果影响研究 任少峰 1,2, 余红兵2, 赵明生2, 陶铁军2, 尚钰姣1 (1.西南能矿集团股份有限公司, 贵阳550000;2.贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵阳550002) 摘 要 巷道爆破掘进过程中过短或过长的炮孔堵塞都会对爆破效果和施工进度造成不良影响。为获得 某金矿爆破掘进最优掏槽炮孔堵塞长度, 采用了ANSYS/ DYNA数值仿真软件模拟了不同堵塞长度(0 cm、 10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)下的爆破施工, 分析了相应的炮孔不同位置处岩体应力变化曲线, 并进行了不同堵塞长度的爆破效果试验, 对比不同工况下的大块率、 炮孔利用率等爆破效果。试验结果表 明 对比峰值应力获得了最优的堵塞长度为30 cm, 实际工况下堵塞长度为30 ~40 cm时爆破效果是最好的, 得到了爆破质量随堵塞长度变化的规律, 过长或过短的堵塞都会引起不良爆破效果。 关键词 堵塞长度;巷道掘进;数值仿真;爆破效果;掏槽爆破 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2017)02 -0051 -04 Study of Influence of Stemming Length on Cutting Blasting Effect in Tunnel Excavation REN Shaofeng1, 2, YU Hongbing2,ZHAO Mingsheng2,TAO Tiejun2,SHANG Yujiao1 (1. Southwest Energy & Inc,Guiyang 550000,China; 2. Guizhou Xianlian Blasting Engineer Group Co Ltd,Guiyang 550002,China) Abstract In the process of tunnel blasting,short or long stemming will influence blasting effect and construction schedule. In order to obtain the optimum stemming length in the certain gold mine,the numerical simulation software ANSYS/ DYNA was used to simulate the different stem length(0 cm,10 cm,20 cm,30 cm,40 cm,50 cm,60 cm) under the blasting construction. Meanwhile,the stress curve of different rock body near blast hole was analyzed,and the blasting tests of different blockage lengths were carried out by comparing with the large block rate,blast hole uti lizing factor and other blasting effects under different conditions. The test results show that,by comparing the peak stress,the optimal stemming length of 30 cm was obtained. When the stemming length was 30 ~40 cm,the optimized blasting effect was achieved. The rule of blasting quality change with the stemming length was also obtained. Mean while,too long or too short stemming would influence blasting effect. Key words stemming length;tunnel excavation;numerical simulation;blasting effect;cutting blasting 收稿日期2017 -01 -15 作者简介任少峰(1983 -) , 男, 山东莱州人, 高级工程师、 博士后, 主要从事爆破技术管理, (Email)rsf1226@163. com。 通讯作者余红兵(1991 -) , 男, 湖南常德人, 工程师、 硕士, 主要从 事爆破技术研究, (Email)602574716@ qq. com。 基金项目黔科合重大专项[2015]6003; 黔科合高G字[2015]4004; 贵州省工业和信息发展专项基金(2015030) 在工程爆破中, 一般都要对炮孔进行堵塞[ 13]。 堵塞炮孔的目的既可以保证孔内炸药充分反应, 使 之放出最大热量和减少有毒气体生成量, 又能降低 爆生气体逸出自由面的温度和压力, 提高炸药的热 效率, 使更多的热量转变为机械功。大量的理论和 试验证明[ 46] 堵塞炮泥长度等因素对爆破效果和 安全产生一定的影响, 且取得良好的爆破效果和经 济效益必须对炮孔进行有效合理的堵塞, 但堵塞长 度的理论研究对各个工程的适用性不高, 且不能体 现堵塞长度变化对爆炸应力波的影响。因此相关学 万方数据 者借助仿真模拟软件对不同堵塞长度下的掘进爆破 作数值模拟和试验研究, 分析炮孔岩体应力分布规 律, 通过工程试验验证得到最优堵塞参数, 为巷道掘 进爆破工程堵塞参数优选提供指导[ 7,8]。 1 工程概况 某金矿在巷道掘进过程中, 巷道断面3. 5 m 3. 5 m, 三分之一微拱, 炮孔直径40 mm, 炮孔长度 掏槽孔为2. 2 m, 空孔为2. 5 m, 周边孔为2 m, 设计 炮孔堵塞长度为20 cm。爆破岩体以黄铁绢英岩及 黄铁绢英岩化花岗岩为主,岩石平均密度为 2. 71 g/ cm3, 平均弹性模量34. 83 GPa, 平均泊松比 0. 26, 平均坚固性系数7. 15, 矿体赋存条件复杂, 矿 岩破碎, 矿岩的稳定性分为Ⅲ ~ Ⅳ级。施工过程中 为加快作业进度, 爆破工人经常使用乳化炸药外包 装纸或者蛇皮袋等对掏槽孔简易堵塞或者不堵塞, 经常出现炸药被挤压出炮孔、 雷管脚线炸断、 岩体爆 破进尺效果不佳、 炮孔利用率低和大块较多的现象, 严重影响着该金矿掘进工程的质量和进度, 也威胁 着金矿的安全生产。为此, 选择一个巷道掘进面对 掏槽孔通过现场试验和对比的方法得出堵塞长度的 最佳值。 2 数值仿真模拟 为了得到最佳堵塞长度,采用ANSYS/ DYNA 数值仿真软件对不同堵塞长度(0、10 cm、20 cm、 30 cm、40 cm、50 cm、60 cm) 下的爆破作业进行模拟 计算。堵塞材料选用岩屑。炸药选用卷装乳化炸 药, 炸药直径32 mm, 每卷装药量300 g。 2. 1 模型建立 建模时采用国际单位制。由于模型对称, 在不 影响计算精度的前提下为减少计算量, 取1/2模型 进行模拟, 边界采用投射边界。图1为模型整体网 格划分, 图2为炮孔位置处的网格划分。 图1 整体网格划分 Fig. 1 Global grid division 图2 炮孔周围网格划分( 堵塞长度为0. 6 m) Fig. 2 Around the hole mesh(stemming length is 0. 6 m) 其中剖面为对称面, 设置为对称约束; 临空面为 自由面, 设置为反射面; 其他面设置为透射边界; 炮 孔内采用密实耦合装药方式, 孔底起爆。假设此岩 石材料为均质、 连续、 无初应力、 各向同性的双线性 随动强化弹塑性体材料, 矿区岩体折减后的物理力 学参数如表1所示。炸药选用乳化炸药, 具体参数 如表2所示。 表1 矿区岩体折减后的物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass reduction in mining area 岩性 弹性模量 Em/ GPa 抗压强度 σm/ MPa 抗拉强度 σt/ MPa 泊松比 μ 粘结力 Cm/ MPa 内摩擦角 φm/ 硬度系数 f 黄铁绢英岩化花岗岩12. 121. 910. 840. 215. 3338. 18. 4 表2 乳化炸药参数 Table 2 Parameters of emulsion explosives ρ/ (kgm -3) D0/(ms -1) A/ GPaB/ GPaR1R2 ω E0/ GPa 13105500214. 40. 1824. 20. 90. 154. 192 2. 2 计算结果及分析 当炮孔堵塞长度为0. 6 m时, 起爆后炮孔中心 线剖面Mises等效应力演化图如图3所示。 由图3可知, 进路掘进在孔底起爆后, 炸药爆轰 由孔底向孔口(临空面)传播,Mises等效应力以近 似水滴的形状向外扩展, 应力的前期扩展过程代表 25爆 破 2017年6月 万方数据 了柱状装药的爆轰传递过程。炸药在孔底引爆以 后, 应力波以球面波的形式向外扩展, 波阵面与炮孔 之间存在一定的角度, 在应力波的传播过程中, 这个 角度基本保持不变。在0. 699 ms左右时,Mises等 效应力波阵面传播至临空面处并开始反射;在 0. 799 ms左右时, 反射波与应力波开始出现叠加现 象, 此时, 炸药爆轰过程即将结束, 由爆轰产生的应 力场开始卸载; 在1. 079 ms左右时, 药柱爆轰过程 结束, 岩石内的应力场主要由来自自由面的反射波 产生, 从应力场的演化过程来看, 这种反射波便是导 致岩石破坏的主要原因。 图3 孔底起爆时Mises等效应力演化图 Fig. 3 Mises equivalent stress evolution of in the initiation of hole bottom 在距离炮孔轴线1 m, 与炮孔轴线平行的直线 上选取三个考擦点, 这三个考察点分别位于临空面、 炮孔中部平面、 炮孔底部平面, 如图4所示。提取各 考察点在不同堵塞长度时(0、10 cm、20 cm、30 cm、 40 cm、50 cm、60 cm)的应力时程曲线, 并记录相应 峰值数据, 如表3所示。图5所示为临空面考察点 的应力变化曲线图,1 ~7分别表示不同堵塞长度的 曲线。 提取表3中数据, 作不同堵塞长度时临空面和 炮孔底部考察点的应力峰值对比曲线, 如图6所示。 图4 考察点的分布 Fig. 4 The distribution of observation points 图5 临空面考察点应力峰值 Fig. 5 Free face the stress peak 表3 不同堵塞长度时各考察点的应力峰值(单位MPa) Table 3 The peak stress of each observation point in different stemming length(unitMPa) 考察点位置 堵塞长度/ cm 0102030405060 临空面15. 45815. 06414. 79213. 96814. 56214. 62114. 592 中部22. 47322. 09422. 53022. 53422. 37121. 84120. 911 底部13. 56013. 52713. 82814. 05813. 97613. 44512. 610 35第34卷 第2期 任少峰, 余红兵, 赵明生, 等 堵塞长度对巷道掘进掏槽爆破效果影响研究 万方数据 图6 不同堵塞长度临空面和炮孔中部、 底部考察点的的应力峰值对比曲线 Fig. 6 The comparison of stress peak value of the surface,the middle part and the bottom on the observation point 由图6可知, 随着炮孔堵塞长度的增加, 临空面 处考察点的应力峰值先变小后变大, 炮孔底部考察 点的应力峰值先变大后变小, 当堵塞长度为30 cm 时, 临空面和炮孔底部考察点的应力峰值接近相等, 即当堵塞长度为30 cm时, 炸药爆炸产生的应力在 岩体中分布较均匀。从能量分布角度考察, 堵塞长 度为30 cm较合理。 由炮孔中部应力峰值对比图可知, 堵塞长度为 0时炮孔中部应力的峰值出现了较大值, 但不堵孔 时, 容易发生冲孔现象, 如图7所示。随着炮孔堵塞 长度的增加, 炮孔中部的应力峰值先变大后变小, 当 堵塞长度为30 cm时, 炮孔中部的应力峰值最大, 即 此时炸药爆炸的能量利用率最高。从能量利用率角 度考察, 堵塞长度为30 cm时较合理。 图7 不堵孔时发生冲孔现象 Fig. 7 The punching phenomenon occurs when the hole is not stemming 3 工程试验 为了验证数值仿真模拟的准确性, 对该金矿在 巷道掘进过程中对掏槽孔的不同堵塞长度进行单孔 爆破工程试验, 以此来验证堵塞长度对爆破效果的 影响。工程试验中, 炮孔采用径向不耦合轴向连续 装药方式, 堵塞长度分别选取60 cm、50 cm、40 cm、 30 cm、20 cm、10 cm、0 cm, 七种工况进行7组爆破, 除堵塞长度外其他爆破参数没有变化, 不同的爆破 工况下对应的爆破试验效果如表4所示, 其中块度 分布采用Splitdesktop3. 0软件进行分析。 表4 不同堵塞长度的爆破效果 Table 4 The blasting effect of different stemming length 堵塞长度/ cm 大块率 平均 块度/ m 均匀性 系数 炮孔 利用率/ % 00. 250. 500. 640. 64 100. 220. 320. 960. 75 200. 190. 241. 380. 84 300. 150. 181. 630. 89 400. 160. 201. 600. 90 500. 220. 281. 420. 87 600. 330. 231. 240. 88 现场爆破情况和爆破效果表明堵塞长度为 30 cm和40 cm时, 爆破效果是最好的。数值模拟最 优堵塞长度计算值为30 cm, 爆破效果一方面验证 了数值仿真的准确性, 一方面是由于炸药爆轰形成 粉碎圈, 堵塞物压缩变形后炮孔堵塞密闭性与数值 仿真有一定差异。应用数值仿真计算得出的最优堵 塞长度与试验相近, 在实际爆破工程中可将理论值 适当增大即可。 堵塞长度特别短时炮孔利用率低, 炸药能量从 炮孔临空面释放, 无法对炮孔底部的岩石产生粉碎 破裂, 两炮孔之间的炸药能量没有充分传递, 因此大 块主要分布在炮孔中部两炮孔中间。堵塞长度特别 长时在施工过程中会发生装药量不能满足设计要求 的情况, 同时, 炮孔临空面岩体不能被炸药能量破 碎, 大块率较高, 而炮孔底部岩体粉碎现象严重, 爆 堆均匀性系数较差。 4 结论 掏槽炮孔堵塞长度是巷道掘进过程中影响爆破 效果和施工进度的爆破作业重要技术参数, 堵塞长 度过短或过长都会延误爆破施工进度。 (下转第109页) 45爆 破 2017年6月 万方数据 [J].都市快轨交通,2010(1) 3843. [4] ZHU Weibin,LIAO Hongyan. Study on vital geologic risk control modes in metro projects[J]. Urban Rapid Rail Transit,2010(1) 3843.(in Chinese) [5] 杜闯东.基岩破碎带与软硬不均等不良地层盾构掘进 技术分析[J].隧道建设,2015(9) 920927. [5] DU Chuangdong. Analysis on shield tunneling in fractured bed rock zones and uppersoft lowerhard ground[J]. Tun nel Construction,2015(9) 920927.(in Chinese) [6] 周楚涛.土压平衡盾构过“突起基岩”地层施工技术 [J].广东水利水电,2012(4) 5963. [6] ZHOU Chutao. Technology of earth pressure balance shield protuberant bedrock strata construction[J]. Guangdong Wa ter Resources and Hydropower,2012(4) 5963.(in Chi nese) [7] 潘兴良, 任秋红.无临空面深孔爆破技术在地铁施工 中的应用[J].建筑,2011(8) 7071. [7] PAN Xingliang,REN Qiuhong. Application of airport sur face deep hole blasting technology in the subway construc tion[J]. Construction and Architecture,2011(8) 7071. (in Chinese) [8] 宋金峰.浅谈地铁盾构基岩突起深孔爆破预处理技术 [J].中国科技信息,2012(11) 6970. [8] SONG Jinfeng. Pretreatment technology of deep hole blas ting in the subway shield bedrock protrusions[J]. China Science and Technology Information,2012(11) 6970.(in Chinese) [9] 丁 锐, 路耀邦, 党如姣.侵入盾构隧道基岩地面钻孔 地下爆破预处理及效果检验技术[J].隧道建设, 2013(3) 224230. [9] DING Rui,LU Yaobang,DANG Rujiao. Pretreatment of bedrock intruding into shield tunneling scope by means of blasting hole drilling from ground surface and blasting un derground[J]. Tunnel Construction,2013(3) 224230. (in Chinese) [10] 竺维彬, 黄威然, 孟庆彪.盾构工程孤石及基岩侵入体 爆破技术研究[J].现代隧道技术,2011,48(5) 1217. [10] ZHU Weibin,HUANG Weiran,MENG Qingbiao. Re search on controlled blasting technology for boulders and invading bedrock in shield construction[J]. Modern Tunneling Technology,2011,48(5) 1217.(in Chi nese) (上接第54页) 通过数值仿真计算得出某金矿在巷道掘进中掏 槽孔堵塞最优长度为30 cm,现场工程试验值为 30 ~40 cm, 验证了数值仿真的正确性, 同时提出最 优堵塞长度应略长于仿真结果, 对类似巷道掘进工 程的掏槽爆破施工起到理论指导作用。 参考文献(References) [1] 高文乐, 周奥博, 张 强.坚硬岩石巷道爆破掘进参数 优化[J].爆破,2015,32(2) 6467,105. [1] GAO Wenle,ZHOU Aobo,ZHANG Qiang. Parameters optimization on tunnel blasting in hard rock[J]. Blasting, 2015,32(2) 6467,105.(in Chinese) [2] 王 洋, 史秀志, 苟永刚, 等.平行双自由面岩体爆破炮 孔堵塞效应研究[J].振动与冲击,2016,35(15) 8085. [2] WANG Yang,SHI Xiuzhi,GOU Yonggang,et al. Blast hole stemming length effects of rock blasting with parallel doublefreesurface[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016,35(15) 8085.(in Chinese) [3] 张 平, 杨廷明, 初保光, 等.中深孔爆破合理堵塞长 度试验研究[J].铜业工程,2014,127(3) 5860. [3] ZHANG Ping,YANG Tingming,CHU Baoguang,et al. Study on reasonable stemming length in mediumlength hole blasting[J]. Copper Engineering,2014,127(3) 58 60.(in Chinese) [4] 李延龙, 史秀志, 刘 博, 等.水炮泥合理填塞长度的 试验研究[J].爆破,2015,32(2) 1116,38. [4] LI Yanlong,SHI Xiuzhi,LIU Bo,et al. Experimental re search on reasonable length of water stemming[J]. Blas ting,2015,32(2) 1116,38.(in Chinese) [5] 孙文标, 郭兵兵, 李红行, 等.煤矿岩巷掘进爆破参数 优化研究[J].煤炭技术,2015,34(11) 9597. [5] SUN Wenbiao,GUO Bingbing,LI Honghang,et al. Re search on blasting parameter optimization of rock drift ex cavation in coal mine[J]. Coal Technology,2015, 34(11) 9597.(in Chinese) [6] 张袁娟, 韩红强, 黄金香, 等.炮孔堵塞对爆破效果影 响研究[J].煤炭技术,2014,33(5) 101103. [6] ZHANG Yuanjuan,HAN Hongqiang,HUANG Jinxiang,et al.Study on influence of blasthole stemming to blasting effect [J].Coal Technology,2014,33(5) 101103.(in Chinese) [7] 凌同华, 曹 峰, 李 洁.菱形楔形混合掏槽爆破的数 值模拟研究与应用[J].爆破,2016,33(4) 914,33. [7] LING Tonghua,CAO Feng,LI Jie. Numerical simulation re search and application of diamond and wedgeshaped cutting blasting[J]. Blasting,2016,33(4) 914,33.(in Chinese) [8] 袁红所, 张家铭, 贺立新, 等.复杂地质条件下隧道爆 破方案优化设计[J].爆破,2016,33(1) 5054,67. [8] YUAN Hongsuo,ZHANG Jiaming,HE Lixin,et al. Op timization of tunnel′s blasting scheme under complicated geological conditions[J]. Blasting,2016,33(1) 5054, 67.(in Chinese) 901第34卷 第2期 梁奎生, 荆永滨, 柴修伟, 等 泥水平衡盾构隧道基岩孤石控制爆破预处理技术 万方数据
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