劉為洲
(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽馬鞍山243000)
露天礦山穿孔爆破時(shí),炸藥能量控制及巖體性質(zhì)是影響爆破效果優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。預(yù)裂爆破技術(shù)通過減小孔徑、裝藥量,實(shí)施不耦合裝藥、徑向間隔裝藥等炸藥能量控制手段,在常規(guī)露天邊坡控制方面得到了普遍應(yīng)用[1-5],但對于含水破碎巖體難以取得很好的爆破效果,易于產(chǎn)生傘巖、根底,且半壁孔率低,預(yù)留坡面超挖欠挖嚴(yán)重等[6-8]。因此,開展含水裂隙發(fā)育圍巖預(yù)裂爆破技術(shù)研究,對于提高邊坡穩(wěn)定性、保障安全生產(chǎn)具有重要意義。
在露天邊坡預(yù)裂爆破工程領(lǐng)域,不少科技人員通過理論分析、試驗(yàn)研究等手段開展了大量研究工作[9-12]。朱志武等[13]開展了水孔預(yù)裂爆破成縫機(jī)理分析,但未推導(dǎo)出含水炮孔理論孔距的計(jì)算公式;武海軍等[14]采用混凝土模型開展了相關(guān)預(yù)裂爆破試驗(yàn),但未開展現(xiàn)場爆破試驗(yàn)?,F(xiàn)階段,現(xiàn)有成果大多局限于某一個(gè)方面進(jìn)行討論,并且在含水裂隙發(fā)育破碎巖體方面的實(shí)踐尚不充分。本研究以我國北方某露天大型鐵礦為背景,以提高含水巖層節(jié)理裂隙發(fā)育巖體的預(yù)裂爆破質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn),開展了空氣和水介質(zhì)預(yù)裂爆破孔壁壓力和孔距計(jì)算公式推演,通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn),為礦山含水破碎巖體邊坡控制提供關(guān)鍵預(yù)裂爆破參數(shù)。
某露天鐵礦是一座大型露天礦山,具有儲(chǔ)量大、埋藏淺等特點(diǎn)。由于混合巖化作用和地表的強(qiáng)風(fēng)化作用,邊坡巖體不但節(jié)理裂隙很發(fā)育,而且有多條斷層和破碎帶,屬于多裂隙軟巖和破碎型巖體,主要為混合巖和片麻巖,其抗壓強(qiáng)度分別為50~60 MPa和50~80 MPa。礦山前期進(jìn)行過預(yù)裂爆破試驗(yàn),在節(jié)理裂隙不發(fā)育區(qū)域硬巖中效果較好,但在裂隙發(fā)育區(qū)域未能取得較好的邊坡控制效果,對于含水破碎巖體的預(yù)裂爆破效果更差。
如何確定合理的預(yù)裂孔孔距、線裝藥密度、不耦合系數(shù)等參數(shù)是取得較好預(yù)裂爆破效果的關(guān)鍵[15]。同時(shí),需要綜合考慮緩沖孔孔底距、藥量、巖體力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地質(zhì)構(gòu)造等。本研究依據(jù)預(yù)裂爆破機(jī)理和炸藥爆轟理論,推演出預(yù)裂孔孔壁爆炸氣體壓力計(jì)算公式以及孔壁壓力與不耦合系數(shù)的關(guān)系,為含水破碎巖體邊坡控制提供可靠依據(jù)。
根據(jù)炸藥爆轟C-J理論[16],炸藥爆炸時(shí)爆炸氣體的初始平均壓力P0為
式中,P0為爆生氣體的初始平均壓力,MPa;ρe為炸藥密度,kg/m3;D為炸藥爆速,m/s;k為炸藥絕熱等熵指數(shù),通常取3。
對于空氣不耦合預(yù)裂爆破,當(dāng)爆生氣體膨脹瞬時(shí)壓力P小于臨界壓力PL(通常取200 MPa)時(shí),爆生氣體在孔內(nèi)膨脹時(shí)存在以下關(guān)系:
式中,V為爆生氣體膨脹的瞬時(shí)體積,m3。
當(dāng)炸藥爆炸后,爆生氣體膨脹過程中,伴隨著氣體體積和壓力的變化。假設(shè)爆生氣體膨脹至孔壁時(shí)的壓力為P1,并設(shè)當(dāng)氣體壓力為P1(膨脹至炮孔壁時(shí)的壓力)、PL(臨界壓力)、P0(初始?jí)毫Γr(shí),相對應(yīng)的氣體體積分別為V炮、VL、Ve,其中,V炮為炮孔體積,Ve為炸藥體積,則根據(jù)式(2)可得
式中,γ為空氣絕熱等熵指數(shù),取1.3。
設(shè)炮孔的體積裝藥密度為qv(單位體積的裝藥量),則有下式成立:
式中,ρe為炸藥密度,kg/m3。
根據(jù)式(5)和式(3),可得
對于不耦合裝藥,考慮到孔口余高段與孔底加強(qiáng)裝藥段長度基本一致,故將裝藥長度l與炮孔長度L等量簡化,則有l(wèi)=L,設(shè)當(dāng)量不耦合系數(shù)為Kd,有下式成立:
式中,de為等效連續(xù)裝藥炸藥直徑,cm;db為預(yù)裂孔直徑,cm;Kd=dbde;ρe為炸藥密度,1 150 kg/m3。
在空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中,爆轟產(chǎn)物在炮孔內(nèi)等熵膨脹,膨脹初始?jí)毫槠骄Z壓力;同時(shí)氣體與孔壁碰撞時(shí)壓力增大,作用在孔壁上的綜合壓力PΔ為
式中,Cf為空氣沖擊波碰撞壓力增壓系數(shù),取1.2~1.3。
綜合以上分析,可以得到空氣不耦合裝藥時(shí)孔壁綜合壓力計(jì)算的簡化公式為
對于含水預(yù)裂爆破,炸藥被周圍的水包圍,可認(rèn)為炸藥和水是完全耦合接觸。為此,可以近似認(rèn)為水中的沖擊波是炸藥爆轟波中的透射波。炸藥爆轟波陣面上的壓力(Pe)與水中的壓力(Pw)的關(guān)系由阻抗失配方程[11]給出:
式中,Pe為炸藥爆轟波陣面上的壓力;Kt為壓力透射系數(shù)。兩者可進(jìn)行如下計(jì)算:
式中,D為炸藥爆速,3 500 m/s;ρw為水的密度,1 000 kg/m3;Cw為爆轟波在水中的傳播速度,1 500 m/s。
炮孔中心壓力(Pb)與絕熱壓力(P3)有關(guān),本研究忽略炮孔內(nèi)水的體積壓縮,則有:
式中,P3為絕熱壓力,存在關(guān)系式P3≈ 0.5Pe;LΔ為炸藥體積與炮孔體積比值,LΔ=1 K2d。
由此可得炮孔水中的初始?jí)毫?/p>
式中,Pw'為炮孔水中的初始?jí)毫Γ琈Pa。
隨著應(yīng)力波能量衰減,到達(dá)炮孔壁處的波陣面壓力往往低于初始?jí)毫Α9ㄒ蛟囼?yàn)研究表明:對于柱面波,其波陣面壓力隨著距離增加的衰減關(guān)系可表示為
參照J(rèn).Henrych關(guān)于可壓縮流體在直通道中波陣面壓力隨距離增加的衰減公式[17],可以得到水中波陣面壓力隨比爆心距增加的衰減公式為
當(dāng)r0=0.5db時(shí),可得水介質(zhì)不耦合裝藥爆破時(shí)炮孔壁上的初始?jí)毫?/p>
根據(jù)式(9)和(16),可以得出不同耦合系數(shù)下的預(yù)裂孔壁壓力曲線,如圖1所示。
由圖1可知:預(yù)裂孔孔壁壓力P與當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd呈負(fù)指數(shù)關(guān)系;隨著當(dāng)量不耦合系數(shù)的增加,孔壁壓力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,且當(dāng)量不耦合系數(shù)越小,孔壁壓力降低速度越大;當(dāng)量不耦合系數(shù)越大,孔壁壓力降低速度越小。在當(dāng)量不耦合系數(shù)相同時(shí),水介質(zhì)孔壁壓力皆大于空氣介質(zhì)的孔壁壓力;當(dāng)量不耦合系數(shù)為3~5時(shí),水介質(zhì)孔壁壓力約為空氣介質(zhì)時(shí)孔壁壓力的1.1倍。
合理的孔壁壓力是形成半壁孔的關(guān)鍵,不宜過大也不宜過小??妆趬毫^大,甚至大于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度時(shí),容易壓碎炮孔孔壁;反之,孔壁壓力過小,直至小于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí),則無法形成預(yù)裂縫。因此,應(yīng)根據(jù)巖體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度參數(shù),選擇合理的孔壁壓力和當(dāng)量不耦合系數(shù)。
對于預(yù)裂爆破,應(yīng)力波的徑向衰減規(guī)律可表示為
式中:Pbe為預(yù)裂孔孔壁外某點(diǎn)的應(yīng)力,MPa;Pc為預(yù)裂孔孔壁上的應(yīng)力,MPa;Rˉ為比例系數(shù),R—=2r db;r為應(yīng)力波傳播半徑,m;m為應(yīng)力波衰減系數(shù),1.42。
若在相鄰兩個(gè)預(yù)裂孔連線上拉開預(yù)裂縫,預(yù)裂孔孔壁上在預(yù)裂面法向方向上的應(yīng)力σ須不小于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度σt,即:
故預(yù)裂孔孔距S為
為研究水介質(zhì)在預(yù)裂爆破成縫中的作用,設(shè)計(jì)了空氣介質(zhì)、水介質(zhì)的單孔和雙孔爆破試驗(yàn),主要包括PMMA試塊和藥包。PMMA在爆炸荷載下爆生裂紋的開裂擴(kuò)展特性與均質(zhì)巖石材料相似,裂紋擴(kuò)展軌跡較平直,且動(dòng)態(tài)斷裂強(qiáng)度因子與加載率存在較強(qiáng)的依賴性,可視為類巖石材料。
3.1.1 試塊模型
本研究單孔試驗(yàn)試塊尺寸(長×寬×高)為100 mm×100 mm×70 mm,中間留有鉆孔,孔徑18 mm,見圖2;雙孔試塊尺寸(長×寬×高)為120 mm×100mm×70 mm,沿長邊中線對稱布置雙孔,孔徑18 mm,孔距50 mm,見圖3。
3.1.2 藥包裝藥結(jié)構(gòu)
采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu),在內(nèi)徑φ3.0 mm的塑料管內(nèi)裝黑索金炸藥作為起爆藥包,炸藥密度為1.03 g/cm3,普通雷管起爆。裝藥結(jié)構(gòu)見圖4和圖5。在模型干孔底部采用炮泥封堵,水孔底部采用橡膠棒封堵并用膠水粘牢。模型上部采用塑料板隔離,同時(shí)兼有堵塞孔口的作用。
3.2.1 相同藥量條件下的單孔試驗(yàn)
當(dāng)單孔藥量相同時(shí),開展水介質(zhì)和空氣介質(zhì)有機(jī)玻璃試塊爆破對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1。
注:水介質(zhì)模型Ⅰ-4、Ⅰ-6,爆破后裂成4塊和2塊。
由表1可知:空氣介質(zhì)爆破的有機(jī)玻璃試件裂隙長度僅為3.5~3.6cm,水介質(zhì)有機(jī)玻璃試件卻完全裂成2~4塊,進(jìn)一步說明了水介質(zhì)爆破炸藥能量利用率明顯高于空氣介質(zhì)。
3.2.2 不同藥量條件下的單孔試驗(yàn)
本研究開展了不同藥量下水介質(zhì)和空氣介質(zhì)單孔試件爆破對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖6及圖7所示。
上述分析表明:在裝藥量不同的條件下,水介質(zhì)模型Ⅰ-7徑向裂隙的長度為2.98 cm,而空氣介質(zhì)模型Ⅰ-9徑向裂隙的長度為1.90 cm,前者的徑向裂隙長度約為后者的1.56倍。
3.2.3 雙孔試驗(yàn)
本研究開展了相同藥量下的水介質(zhì)和空氣介質(zhì)有機(jī)玻璃試件雙孔爆破試驗(yàn),比較空氣介質(zhì)爆破和水介質(zhì)試件爆破效果,對比有機(jī)玻璃試件上裂隙擴(kuò)展和試件開裂情況。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖8及圖9所示。
空氣介質(zhì)Ⅱ-2模型爆破后未在兩孔中心線方向裂開,兩孔連線方向上也未見明顯裂隙,僅在孔壁周邊形成很短的徑向裂隙。水介質(zhì)模型Ⅱ-1、Ⅱ-5爆破后在兩孔連線方向上完全裂開。Ⅱ-1和Ⅱ-5模型的藥量相同,兩孔連線方向均裂為兩半,說明重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果具有明顯的一致性。
(1)單孔和雙孔爆破試驗(yàn)表明,在相同裝藥量條件下,水介質(zhì)比空氣介質(zhì)具有更強(qiáng)的傳遞爆炸壓力的能力,水介質(zhì)炸藥能量利用率更高,水介質(zhì)爆破對試塊的破壞程度明顯大于空氣介質(zhì)。
(2)水介質(zhì)爆破作用在孔壁上的壓力相對均勻。因此,在相同巖性及節(jié)理裂隙發(fā)育情況下開展預(yù)裂爆破時(shí),若要取得同等爆破效果,水孔的線裝藥密度應(yīng)小于干孔的線裝藥密度,并適當(dāng)減小孔距。
4.1.1 試驗(yàn)區(qū)域巖石力學(xué)性質(zhì)
試驗(yàn)區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值見表4。本研究試驗(yàn)采用乳化炸藥,爆速為3 500 m/s,密度為1.15 g/cm3。
4.1.2 預(yù)裂孔孔徑及傾角
試驗(yàn)采用潛孔鉆機(jī)穿孔,預(yù)裂孔孔徑115 mm,傾角65°。
4.1.3 預(yù)裂爆破試驗(yàn)孔超深
孔深l與臺(tái)階高度的幾何關(guān)系可表示為
式中,H為臺(tái)階高度,12 m;α為鉆孔傾角,65°;h為超深,取1 m。經(jīng)計(jì)算,l=14.2 m。
主爆區(qū)采用孔徑為250 mm的垂直孔,孔深為13.5~14 m,其中超深為1.5~2 m。緩沖孔、輔助緩沖孔均為垂直孔,孔徑250mm。預(yù)裂孔、緩沖孔和輔助緩沖孔布置見圖10。
輔助緩沖孔孔深5~6 m,孔距4~5 m,裝藥量70 kg;與預(yù)裂孔之間的孔底距為1.0~2.0 m,節(jié)理裂隙發(fā)育及軟巖時(shí)取大值,硬巖,則取小值。緩沖孔采用分段裝藥,單孔炸藥量為正??椎?0%;與預(yù)裂孔之間的孔底距為1.5~2.5 m。
4.1.4 當(dāng)量不耦合系數(shù)
為保證預(yù)裂爆破孔壁不出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象,預(yù)裂孔孔壁壓力應(yīng)小于巖石的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,同時(shí)孔壁周邊的壓力還應(yīng)大于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度,預(yù)裂孔炮孔周圍才能形成一定數(shù)量的微小裂紋,預(yù)裂孔連線方向才能形成預(yù)裂縫。預(yù)裂爆破當(dāng)量不耦合系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為[18]
式中,σ壓為巖石的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,MPa。
計(jì)算得出:片麻巖的當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd為4.5,混合巖的當(dāng)量不耦合系數(shù)Kd為4.2。
4.1.5 預(yù)裂孔孔距
考慮到巖石試樣與巖體強(qiáng)度參數(shù)的差異性,且試驗(yàn)區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體強(qiáng)度參數(shù)取值受節(jié)理裂隙影響較大,故綜合考慮采用抗拉動(dòng)載系數(shù)1.8計(jì)算巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度,根據(jù)式(19)、式(20)計(jì)算可得理論上的預(yù)裂炮孔間距S,結(jié)果見表5。
現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)巖性為片麻巖和混合巖,其中片麻巖整體性較差,節(jié)理裂隙發(fā)育,而且存在較大的裂隙與弱面,巖層富水性較強(qiáng),孔內(nèi)水深達(dá)到10m,局部甚至為滿孔水。礦山前期開展過該區(qū)域的預(yù)裂爆破試驗(yàn),但因參數(shù)不合理,未能形成較好的預(yù)裂面。本研究在節(jié)理裂隙區(qū)共進(jìn)行了10次現(xiàn)場試驗(yàn),其中干孔和水孔預(yù)裂爆破試驗(yàn)各5次。同一次試驗(yàn)中,劃分為不同預(yù)裂孔孔距區(qū)域,進(jìn)行對比試驗(yàn)。根據(jù)公式計(jì)算出不同巖性和介質(zhì)下的理論孔距,而后通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整確定合理的參數(shù)??紤]到礦山巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,應(yīng)適當(dāng)降低預(yù)裂孔孔距,試驗(yàn)中孔距分別為1.0,1.1,1.2,1.3 m。
試驗(yàn)中輔助緩沖孔、緩沖孔裝藥量及孔底距等取值均相同。普通試驗(yàn)采用直徑32 mm、長0.2 m的乳化炸藥藥卷,單支質(zhì)量為0.2 kg;軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場預(yù)裂爆破試驗(yàn)參數(shù)取值見表6,現(xiàn)場爆破效果見圖11和圖12。
試驗(yàn)結(jié)果表明:在空氣介質(zhì)混合巖區(qū)域,合理預(yù)裂孔孔距為1.2~1.3 m,線裝藥密度為0.9~1.1 kg/m,爆破半壁孔率達(dá)70%以上;而在水介質(zhì)混合巖區(qū)域,合理預(yù)裂孔孔距為1.2~1.3 m,線裝藥密度為0.9~1.0 kg/m,半壁孔率達(dá)到80%。在空氣介質(zhì)片麻巖裂隙發(fā)育區(qū),合理預(yù)裂爆孔距為1.2~1.3 m,線裝藥密度為1.0 kg/m,半壁孔率達(dá)65%以上;而在水介質(zhì)片麻巖區(qū),合理預(yù)裂孔距為1.0~1.2 m,線裝藥密度為0.9 kg/m,半壁孔率達(dá)到80%。當(dāng)兩種巖性的預(yù)裂孔孔距大于1.3 m時(shí),干孔和水孔預(yù)裂爆破皆易產(chǎn)生傘巖、根底,半壁孔率較低,爆破效果差。由于水孔內(nèi)節(jié)理裂隙更發(fā)育,其巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相應(yīng)較低,應(yīng)增大不耦合系數(shù),減小預(yù)裂孔孔壁壓力。研究表明,在取得相同預(yù)裂爆破效果的情況下,水孔預(yù)裂爆破孔距比干孔預(yù)裂孔距減小約10%,線裝藥密度相應(yīng)減少10%~15%。
(1)針對露天礦山含水圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育地段預(yù)裂爆破效果差、半壁孔率低及坡面不平整等難題,推導(dǎo)了空氣介質(zhì)和水介質(zhì)不耦合裝藥下孔壁壓力的簡化計(jì)算公式,并計(jì)算得出了孔壁壓力與當(dāng)量不耦合系數(shù)之間的關(guān)系曲線,得到了空氣介質(zhì)和水介質(zhì)預(yù)裂爆破孔距的理論計(jì)算公式。
(2)在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)預(yù)裂爆破理論分析的基礎(chǔ)上,開展了兩種介質(zhì)的有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,水介質(zhì)爆破的炸藥能量利用率更高,比空氣介質(zhì)有更強(qiáng)的傳遞爆炸壓力的能力,且對試塊的破壞程度明顯大于空氣介質(zhì)。
(3)通過現(xiàn)場預(yù)裂爆破對比試驗(yàn),得出兩種巖性分別在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)下的合理預(yù)裂爆破參數(shù)。在取得相同爆破效果的前提下,水孔預(yù)裂爆破孔距比干孔預(yù)裂孔距減小約10%,線裝藥密度相應(yīng)減少10%~15%,對于類似礦山邊坡穩(wěn)定性控制具有一定的借鑒意義。