直眼掏槽爆破炮眼合理堵塞长度的理论分析.pdf

第5 3 卷第3 期 20 01 年8 月 有色金属 N N F E R R O U SM E T A L S V o 】5 3 ．N o3 A u g u s t 2 00 1 直眼掏槽爆破炮眼合理堵塞长度的理论分析 戴俊 西安科技学院，西安7 1 0 0 5 4 ； 中国矿业大学北京校区，北京1 0 0 0 8 3 摘要研究直眼掏槽炮眼合理封堵炮泥长度和后续炮眼起爆延迟时问。通过分析槽腔内岩石的破碎过程、束装药段岩石 的抛掷运动和同气两相流的喷出，得出掏槽炮眼合理封堵炮泥长度上、下限的计算公式、装药长度与炮眼抛碴效率之间的关系式 和后续炮跟起爆延迟的计算公式。在实践中，将计算结果应用于实际爆破作业，平均炮眼利用率选到9 23 ％，实现了较高的爆破 效率。所推导的公式可靠符台工程宴际。 关键词爆破；直眼掏檀；装药长度；起爆延迟 中围分类号T D 2 3 6 3 ；T D 2 3 5 4文献标识码A 文章编号1 0 0 10 2 1 1 2 0 0 1 0 3 0 0 5 9 0 4 直眼掏槽是当前巷道掘进爆破中常采用的主要 掏槽形式，具有炮眼布置简单、易于操作、适用于各 类岩层、能实现较高的炮眼利用率等特点。作者与 杨永琦⋯以其中的三角柱直眼掏槽为例，就直眼掏 槽的基本参数确定进行了专门研究，但在确定掏槽 炮眼装药长度方面，仅以槽腔内未装药段发生剪切 破坏为条件，没有考虑槽腔未装药段岩石的运动、抛 掷过程等。 直眼掏槽爆破中，不仅要将槽腔内的岩石充分 破碎，更重要的是将槽腔内破碎后的岩石抛出腔外， 为后续炮眼爆破形成有效的第二个自由面，因而探 求更可靠的掏槽炮眼装药长度计算式有重要的意 义。在相关研究成果【l 。1 的基础上，分析槽腔内未 装药段岩石在炸药爆炸产物压力作用下的运动、向 外抛掷以及槽腔的抛碴过程，提出掏槽眼堵塞长度 的计算式，并就后续炮眼的起爆延迟时间进行探讨。 1 槽腔内岩石的破碎 掏槽炮眼起爆后，槽腔内岩石将在各炮眼爆炸 载荷的共同作用下发生破坏，同时炮眼的封堵炮泥 将在炮眼内的爆炸压力作用下向外运动，引起炮眼 爆炸载荷的急激降低，不利于槽腔内岩石的充分破 碎。如果认为槽腔内岩石充分破碎所需的爆炸压力 作用时间为相距最远的两炮眼间爆破裂纹的形成时 间。一方面有 基金项目国家白拣基金资助项日 5 9 9 7 4 0 1 9 收稿E t 期2 0 0 l 0 5 1 I 作者简介藏倥 1 9 6 4 一 ．男，贵州安顺人，副教授，博士生 f - 磊 1 式中f 。一槽腔丙岩石充分破碎所需时间；n 一炮眼 问最大问距；C ，一裂纹扩展的最大速度，取C f 0 ．3 8 C 。，C ，为岩石的弹性纵波速度。 另一方面，应有一定的炮眼封堵长度，以保证槽 腔内岩石的充分破碎。假定在炮眼内的爆炸载荷作 用下，炮泥中传播的应力渡为弹性波，于是炮眼内的 炮泥端面位移e 为 e u t 0 ≤f ≤t2 2 式中t 2 一弹性波在炮泥中往返传播所需的时间； “一应力波作用下炮泥的质点速度。 铲等 3 式中c 一炮泥中的弹性波速度；1 2 一炮眼封堵炮 泥长度。 由此，得到炮泥冲出炮眼的时间t ，为 ． 2 Z 2 铲百2 1 2 1 2 罡u 4 于是，为保证槽腔内岩石的充分破碎，应有f ，≥t ，， 进而 ， 2Z 2 21Z乏≯≥瓦2aC o 1 了一’C ， 骖揣 5 式中 。旦≥二旦 平均速L m e t ．“2 i L T H E ， 万方数据 6 0有色金属 第5 3 卷 P ‘ 恚p 此；鲁h l l [ 舻1 - ] 6 p ；一炮泥的密度；P 。一炮眼内的爆压，尸。 01 2 5 p 。D 2 芋 “，d 。，d b 分别为炮眼直径与装药直 径，“为炸药密度，D 为炸药爆速；，。一炮眼装药长 度；z 一炮眼长度；A ～高压阶段爆炸产物绝热膨胀 指数， 3 ；尸 一炮泥运动的摩擦作用，换算为作 用于炮泥端面单位面积上的力。 由于式 5 中的2 “远小于C 。，为计算简便，取 2 “ C 。≈C 。 6 a 及 P 。一P c R 只 1 一高s ，／ 6 b 式中妒。一炮泥材料的内摩擦角； 。一炮泥受压端 面面积；S 2 一炮泥受剪切面积； 一炮泥运动的摩 擦系数，厂s 0 ．0 5 5 t “。结合式 5 、 6 a 和式 6 b 得 1 2 ≥再丽j 丽 7 式中A 瓦2 P e a ；B 蔫。 2 槽腔内岩石的抛出 2 ．1 槽腔内固一气两相流的压力 直眼掏槽中，槽腔的形成可看成由两个阶段构 成。第一阶段是各炮眼的爆炸作用使槽腔内装药段 岩石充分破碎，以致爆生气体产物渗入新生裂纹，与 岩石碎块充分混合，形成固一气两相流；第二阶段为 槽腔内未装药段岩石在两相流的压力作用下，与周 围岩石发生剪切，形成剪切缝，并进一步运动、向外 抛出，随两向流也向槽腔喷出。 图l 所示，假定爆生气体的膨胀是绝热膨胀，则 固气两相流形成时刻，槽腔内的压力为L 1 ．6 1 8 式 所示。 ⋯ ，| ㈤ 1 图1槽腔内岩石的破碎与抛出 F i g1F r a g m e m a f i o na n dt h r o w i n g - o u to fr a c ki nt h ec a v i t y 肛㈡1 鲁卜 ㈤ 式中P 。一槽腔内固一气两相流形成时刻的压力； v ，一爆生气体的膨胀体积，等于槽腔内装药段的装 药眼与空眼体积之和；P ，一爆声气体产物膨胀的临 界压力，P 。 l O O M P a ；V o 一炮眼装药体积体积； v 一低压下气体产物的膨胀系数，v 1 ．4 。 2 ．2 槽腔内未装药段岩石的抛掷运动 为实现槽腔未装药段岩石的顺利抛出，首先应 使这部分岩石受到的槽腔内端部压力大于其与周围 岩石剪断所需的总剪力[ “，即应有如下关系 P o S l ≥v S 2 9 式中r 一岩石的剪切强度；S ，一槽腔束装药段岩石 的槽腔内端部面积；S 2 一最大受剪面积，S 2 L 2 f 2 ，L 2 为形成槽腔的周长。 进而有 撼譬鲁 1 0 在式 1 0 满足的条件下，可以写出槽腔内未装 药段岩石的运动方程及初值条件 参见图1 。 P 。 点№也他1 ，，r 矗舞] P S ≥ 1 1 小。 o 和烈 0 o 式中f ，一任一时刻的2 区岩石位移；，r 一岩石移动 的摩擦系数， 0 ．6 【7 1 ；p ，一岩石的内摩擦角；￡一 时间。 磐≥o 是槽腔内束装药段岩石抛出的又一基 本条件，由于， s l L 2 f | r 1 2 一f 。 恙是 z 。 z 。∈{ 0 ，R I 的增函数，因此，如果z ； 0 时，y 0 ，则所关注的岩石将加速向外抛出，反之，所关 注的岩石将处于静止，槽腔不可能形成，由此得掏槽 炮眼封堵长度 挺去警鬻 ㈣， 2 ．3 槽腔内固一气两相流的喷出 为实现尽可能高的炮眼利用率，应使槽腔内的 两相流尽可能多地喷出腔外。在槽腔内未装药段向 外运动脱离槽腔的时刻，两相流的压力P ，为 P I P 0 寿i 1 3 万方数据 第3 期戴俊等直眼掏槽爆破炮眼合理堵塞长度的理论分析6 1 若将此后的两相流运动看成一维非定常流[ 6 如下关系 血dp．“slt P““l P 刍 m ，一m P 咄㈥” C 则有 1 4 1 5 1 6 1 7 “ 三- 1 8 式中m 一任一时刻喷出槽腔外的两相流质量； ”z 1 一喷出前的两相流质量；P 、“、C 、P 分别为任一 时刻两相流的密度、质点速度、声速和压力。 由式 1 4 ～ 1 8 ，可推知 百d r n - S 1 √导 专≯ j 1 9 解微分方程 1 9 得 暑一”川2 ] “ q 压u ．南一∥t 2 0 求导数得 d m ／m 1 d 1 l ／1 大于零。由此表明，Z 。“越大，槽腔内的抛渣越理 想，也就越有利于达到较高的爆破炮眼利用率。 3 后续炮眼的起爆延迟 掏槽爆破的目的是为后续炮眼的爆破创造第二 个自由面，改善后续炮眼的爆破条件。为能够充分 利用掏槽形成的第二个自由面，要求后续炮眼应在 至少槽腔内两相流开始向槽腔外喷出后起爆，由此， 后续炮眼的起爆延迟为 丁 T 1 T 2 T 3 2 2 式中丁一后续炮眼的起爆延迟；T ，一槽腔内装药 段岩石充分破碎所需时间；T 一槽腔内未装药段岩 石与周围岩石剪切成缝所需时间；T ，一槽腔内未装 药段岩石抛出槽腔外所需时间。T l 、T 2 和T 3 分别 由下式计算。 1 、， 警 T 2 石l z ／2 2 2 3 一～“ P F ’ 州1 P 锄s 。 i 带瓦 1 4 F 学娲滓鬻，r 以上式中m l 为槽腔内未装药段岩石的质量。 4 算例 为验算上述计算方法的可靠性，利用典型的爆 破岩石种类，在三角柱直眼掏槽 图2 所示 的条件 下，进行计算。 图2 三角柱直眼掏槽的炮眼布置 F i g ．2 S h o t h o l el a y o u ti nt r i a n g l eb u r nc u t 以砂岩为例，参照文献【1 , 2 , 7J ，取炮眼深度f 3 ．0 m ，直径d 4 ．2 c m ；采用2 号岩石炸药，其密度 P 。 1 0 0 0 k g ／m 3 ，爆速D 3 6 0 0 m ／s ；岩石及炮眼炮 泥的性能参数见表1 ；掏槽眼问最大距离a 6 1 c m 。 表1 爆破岩石及所用炮泥的性能参数【l ’2 0 1 T a b l e1 P r o p e r t yp a r a m e t e r so fr o c ka n ds t e m m J r t g 名称 k 脚一3 “因数／M P a 岩石2 4 5 03 50 68 5 炮泥1 8 0 02 800 5 5一 首先，由式 7 求得f 2 ≥1 9 ．9 5 c m ；又由式 1 0 求得￡2 ≤6 7 c m ；由式 1 2 求得z 2 ≤5 3 ．5 c m 和式 2 1 求得z ，以越小越好，综合式 7 、 1 0 、 1 2 及 式 2 1 的结果，得1 9 ．9 5 c m 一Z 2 ≤5 3 ．5 c m ；最后，取 z 2 5 5 c m ，由式 2 2 ，得到后续炮眼起爆延迟T 1 0 5 8 2 3 m s 。 在实际爆破施工⋯中，掏槽眼参数词整为最 o 心 “一0 击 上州 一。√p 一 z 万方数据 有色金属第5 3 卷 大炮眼问距a 6 5 c m ，炮眼封堵炮泥长度f 2 6 0 c m ，后续炮眼起爆延迟T 2 5 m s ，爆破循环进尺 在2 ．6 4 ～2 ．8 6 m 之问，平均2 ．7 7 m ，平均炮眼利用 率达到预期结果，9 2 ．3 ％，实现了较高的爆破效率。 5结束语 直眼掏槽的破岩过程由槽腔内装药段岩石的充 分破碎与槽腔内破碎岩石向腔外抛出两个阶段构 成。为保证槽腔内岩石的充分破碎，必须维持一定 时间的炮眼高压，因而应保证一定的炮眼封堵炮泥 长度，这由式 7 求解；另一方面，为实现破碎岩石顺 利抛出槽腔外，炮眼封泥长度不宜过大，以保证足够 的炮眼装药长度，综合式 7 、 1 0 、 1 2 及式 2 1 ， 可求得炮眼封堵炮泥的台理值。炮眼堵塞长度过 大、过小，均不利于实现较高的掏槽炮眼利用率。 后续炮眼起爆延迟时间也是影响掏槽爆破效果 的重要因素。必须有一定的起爆时间延迟，以实现 槽腔内岩石的充分破碎与抛出，形成有效的第二个 自由面，合理的起爆延迟时间由式 2 2 计算。根据 计算结果，认为对于炮眼长度不超过3 m 的直眼掏 槽，工程中通常采用的后续炮眼顺段起爆 起爆时差 2 5 m s ，可保证有效槽腔的形成，但若条件允许，建 议后续跑眼隔段起 爆起爆时差5 0 m s 。 工程实践表明，所计算结果与工程实际基本相 符，对巷道掘进爆破中直眼掏槽的参数设计有一定 参考价值。 参考 文献 [ 1 ] 戴俊，杨永琦．三角柱直眼掏槽爆破参数研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 0 ，2 0 4 3 6 4 [ 2 ] 李新平．朱瑞赓，夏元友．中深孔双螺旋掏槽爆破的破碎机理与设计应用[ J ] ．岩土工程学报，1 9 9 7 ．1 9 2 8 4 [ 3 ] 林从谋，陈士海．深孔直眼掏槽排碴过程研究[ J ] 爆炸与冲击，1 9 9 7 ，1 7 1 6 8 [ 4 ] 张奇，张玉明，雒昆利．直眼掏槽的爆破作用及参数计算[ J ] 岩土力学，1 9 9 7 ，1 8 2 5 1 【5 ] 卢文渡，掏振宇．预裂爆破中炮孔压力变化历程的理论分析[ J ] ．爆炸与冲击．1 9 9 4 ，1 4 2 1 4 0 [ 6 ] 北京工业学院八系 爆炸及其作用 编写组爆炸及其作用 上 [ M ] 北京国防工业出版社，1 9 7 9 8 ，1 8 9 [ 7 ]张奇．直眼掏槽内破碎与抛掷动力学模型及实验研究[ D ] [ 学位论文] ．北京中国矿业大学北京校区，1 9 9 7 1 8 A N A L Y S E So FR A T I o N A LS T E M M I N GL E N G T HF O RB U R N ．C U TB L A S T I N G D A ／J u n X i ’Ⅱ月I n s t i t u t eo f i e n c eu n dT e c h n t d o g y ，X i ’d n7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ； t k , i j i n gC a m p u so f C h i n aU n i n i t y o f M i n i n gT e c h n o l o g y ，B e O i n g1 0 0 0 8 3 ．C h i n a A B S T R A C T T I Mf o t i n l l l a ea r ed e d u c e df o rc a l c u l a t i n gt h er a t i o n a ll e n g t ho fs t e m m i n gi nb u r n C u tc a v i t ya n dd e l a ys h o t t i n m0 fs u c c e s s i v eh o l e S ．T h e1 0 w e r1 i m i to ft h es t e m m i n g1 e n g t hd e p e n d so nt h er o c kb r e a k i n gp r o c e s si nt h ec a v i t y ，a n dt h eu p p e r l i m i tr e l a t e st Ot h ep r e s s u r eo ft h es o l i d g a sf l o wi nt h ec a v i t y ．T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a r g e p a r tl e n g t ha n de f f i c i e n c yo fh o l e si sd e c i d e db yt h ec a n eo fb r o k e nr o c kt h r o w no u to ft h ec a v i t y ．T h ed e l a ys h o t t i m eo fs u c c e s s i v eh o l e sc o n s i s t so ft h r e ep a r t s r o c kb e i n gb r o k e ni nt h ec h a r g ep a r t ，e r a c k i n gi nc h a r g e f r e ep a r t ， a n dt h eb r o k e nr o c kb e i n gt h r o w nO U to ft h ec a v i t y ．T h er e s u l t sc a l c u l a t e da r ep r o v e nt ob er e l i a b l ei np r a c t i c e b l a s t i n g ．a n d9 2 ．3 ％e f f i c i e n c yo fh o l e si sa c h i e v e d ． K E yW O R D S b l a s t i n g ；b u r nC U t ；c h a r g el e n g t h ；d e l a ys h o tt i m e 万方数据