巷道無掏槽爆破模型實驗研究

胡坤倫，李 毅，楊 帆，林 飛， 韓體飛

巷道無掏槽爆破模型實驗研究

胡坤倫1，李 毅1，楊 帆2，林 飛3， 韓體飛1

（1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南，232001；2.安徽江南爆破工程有限公司，安徽 寧國，242300；3. 中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北，235000）

為了研究無掏槽爆破機理，實施無掏槽爆破模型實驗，并設(shè)置直眼掏槽和錐眼掏槽爆破對照實驗組，對巷道模型中水泥試塊的應(yīng)變變化及無掏槽爆破過程進行測試分析。實驗表明：無掏槽爆破的掏槽效果最好，幾乎無殘孔，且應(yīng)變持續(xù)時間最長，出現(xiàn)2次應(yīng)變峰值，后段應(yīng)變峰值大于前段。

無掏槽爆破；模型實驗；超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)；應(yīng)變峰值

無掏槽爆破是一種巷道類單自由面爆破掘進新技術(shù)，其通過多柱狀藥包分段爆破技術(shù)與光面爆破技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)巷道無掏槽大尺面掘進光面爆破[1]。汪傳松[2]提出隧道無槽爆破法，其特點在于降低約束力和增加最有效破壞力。鄧志勇等[3]發(fā)現(xiàn)無掏槽爆破主要通過全斷面同時爆破，為其它炮孔提供爆破臨空面。顏事龍等[4]對無掏槽掘進爆破的機理進行研究。師百壘等[5]討論了無掏槽爆破的相關(guān)參數(shù)，并應(yīng)用于實際隧道工程中。

為了進一步研究無掏槽爆破機理，對比無掏槽爆破與常用掏槽爆破的綜合爆破特性，本研究設(shè)計直眼掏槽、錐眼掏槽、無掏槽爆破模型實驗，通過高速攝影及超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)觀測無掏槽爆破的二次爆破現(xiàn)象、應(yīng)力變化情況、爆破漏斗等特性[6]，以期為無掏槽爆破在巷道掘進應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 無掏槽爆破模型實驗

1.1 實驗設(shè)計

模擬巷道模型試件由水泥砂漿圓柱外罩無縫鐵桶制成，圓桶內(nèi)徑400mm，高500mm，鐵桶壁厚8mm；其水泥抗壓強度42.43MPa，抗拉強度1.84MPa，縱波速度3 844.3m/s。在巷道模型試件中部設(shè)置直眼、錐眼、無掏槽爆破工藝。統(tǒng)一設(shè)置炮孔直徑為8mm，孔深200mm，堵塞長度50mm，采用不耦合裝藥，周邊孔均為12個且不裝藥。具體爆破模型實驗方案見表1。無掏槽爆破布孔如圖1所示。

表1 爆破模型實驗方案

Tab.1 Experimental scheme of blasting model

注：雷管為8號工業(yè)電雷管，單發(fā)藥量為1g，已計入總藥量。

圖1 無掏槽爆破布孔圖

1.2 超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)及測點布置

建立超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，實測不同掏槽爆破工藝在巷道模型試件中爆炸產(chǎn)生的爆炸應(yīng)變波信號。超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)由8841型HIOKI數(shù)字存儲示波器、SDY2107A超動態(tài)應(yīng)變測試儀、若干SDY2301應(yīng)變儀橋盒、電阻應(yīng)變傳感器和Fastcam Super 10kc型CCD高速攝影機組成。采用的應(yīng)變片型號為BHF120-3BA箔式電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)為(2.0± 1%)，敏感柵尺寸為3.5mm×2.1mm。應(yīng)變磚測點位置及實物見圖2。

圖2 應(yīng)變磚布置及試件

應(yīng)變片首先張貼于應(yīng)變磚上，應(yīng)變磚所用水泥配比與巷道模型試件嚴格一致，并和被測試件彈性模量、波阻抗一致，經(jīng)防水絕緣處理后，澆筑于巷道模型中。每個巷道模型試件預(yù)埋2個應(yīng)變磚，應(yīng)變磚尺寸為20mm×20mm×20mm，分別距離試件頂部100mm和250mm處。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 爆破掏槽效果

3組模型的被爆混凝土體積和裝藥單耗基本相同，3組爆破效果如圖3所示。

圖3 巷道模型試件掏槽爆破效果圖

由圖3可看出，無掏槽爆破較掏槽爆破具有槽腔深、體積大、槽腔整齊的特點；直眼掏槽殘孔平均長度20.5mm，炮孔利用率89.75%；錐眼掏槽殘孔平均長度15mm，炮孔利用率92.5%；無掏槽爆破幾乎無殘孔，炮孔利用率100%。對于掏槽爆破，由于巷道模型試件受無縫鐵桶的約束，斷面上只有1個自由面，所以自由面首先由中心掏槽孔爆破形成。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，掏槽爆破屬于減弱拋擲爆破漏斗[7]，掏槽爆破后，自由面的數(shù)目由1個增加為2個。因此，掏槽孔的爆破好壞直接影響自由面的形成。

通過Fastcam Super 10kc型CCD高速攝影機觀察無掏槽爆破整體過程，如圖4所示。

圖4 無掏槽爆破整體過程

無掏槽爆破是在平行于斷面方向的多柱狀藥包同時起爆，形成加強拋擲爆破漏斗。上段藥柱爆破后，形成新的自由面，始終是加強拋擲爆破漏斗。

由圖4可見前段裝藥起爆后將水泥試件破碎和拋擲，為后段爆破提供新的自由面。并且在爆破應(yīng)力波和爆生氣體的作用下，后段水泥試件產(chǎn)生更多的裂縫，使得后段爆破拋擲水泥試件效果更加明顯。

2.2 爆炸應(yīng)變波信號特性

3組模型的應(yīng)變——時間曲線如圖5所示，應(yīng)變峰值統(tǒng)計見表2。

圖5 巷道模型試件中的應(yīng)變——時間歷程曲線

表2 應(yīng)變峰值結(jié)果統(tǒng)計表

Tab.2 Statistical table of peak strain

由表2及圖5可見，3組爆破模型引起的應(yīng)變最大峰值基本相同。圖5（a）、圖5（b）僅在0～200μs時間范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變，而且只有1次；圖5（c）則分別在0～100μs及200～600μs范圍內(nèi)，出現(xiàn)2次應(yīng)力應(yīng)變，且第2次峰值高于第1次峰值。這是由于無掏槽爆破按一定的微差時間分段起爆，使得后段爆破能充分利用前段爆破的殘余爆破應(yīng)力，增強爆破效果。

3 結(jié)論

（1）與直眼掏槽、錐眼掏槽相比，無掏槽爆破的爆破效果最好，幾乎無殘孔，炮孔利用率接近100%，且應(yīng)變持續(xù)時間最長，出現(xiàn)2次應(yīng)變峰值，后段應(yīng)變峰值大于前段。（2）無掏槽爆破通過多柱狀藥包同時起爆，爆破應(yīng)力波互相疊加，與爆生氣體共同作用；前段裝藥起爆后，為后段爆破提供新的自由面，前、后段爆破均為加強拋擲爆破漏斗。（3）無掏槽爆破前后段裝藥按照一定的微差間隔分段起爆，后段爆破能充分利用前段爆破的殘余爆破應(yīng)力，獲得更好的爆破效果。

[1] 王昌建.井巷不掏槽爆破模擬試驗研究[D].安徽淮南:安徽理工大學,2001.

[2] 汪傳松.隧道無槽爆破法研究[J].巖土工程學報,2000,22 (5):555-558.

[3] 鄧志勇,劉慧.隧道無掏槽掘進爆破技術(shù)的實驗研究[C]//第六屆全路工程爆破學術(shù)會議,2000.

[4] 顏事龍,王烈傳,王昌建.不掏槽掘進爆破機理的探討[J].淮南工業(yè)學院學報,2001,21(3):36-39.

[5] 師百壘,戴俊.隧道無掏槽齊發(fā)崩落爆破應(yīng)用研究[J].公路, 2016(6):261-264.

[6] 楊帆.煤礦巷道無掏槽掘進的實驗研究[D].安徽淮南:安徽理工大學,2015.

[7] 顏事龍,胡坤倫,徐穎.現(xiàn)代工程爆破理論與技術(shù)[M].江蘇徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2007.

Experimental Study on Tunneling Model by Cut-free Blasting

HU Kun-lun1，LI Yi1，YANG Fan2，LIN Fei3，HAN Ti-fei1

（1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan,232001；2. Anhui Jiangnan Blasting Engineering Co.Ltd.,Ningguo,242300；3.CCTEG Huaibei Blasting Technology and Engineering Institute Co. Ltd., Huaibei, 235000）

In order to study the mechanism of cut-free blasting, the model experiments of cut-free blasting were investigated, as well as the parallel cut and taper cut were set as the contrast experiment groups. The strain change of cement test blocks in the roadway model was tested and the complete cut-free blasting process was recorded. The experiment results showed that the cutting effect of cut-free blasting was the best of all with almost no residual holes, the strain duration of cut-free blasting which had two strain peaks was the longest of all, and the strain peak in the back section was higher than that in the front section.

Cut-free blasting; Model experiment; Ultra-dynamic strain testing system；Strain peak

TJ510.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.013

1003-1480（2019）05-0049-03

2019-09-12

胡坤倫（1962-），男，教授，從事爆破技術(shù)理論、應(yīng)用教學與研究工作。

國家自然科學基金青年科學基金（51604009）。