巖石性質(zhì)對于爆破參數(shù)的影響

杜 瑞，吳德義

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

本項(xiàng)目以淮北礦區(qū)為例,來進(jìn)行研究。根據(jù)相關(guān)煤炭報(bào)告，我國煤炭的儲存位居前列，而煤炭的使用量也是逐年增長。其中，火力發(fā)電，煉鋼等重大工業(yè)項(xiàng)目對煤炭的需求量巨大[1]。但隨著時(shí)間推進(jìn)，我國的煤炭開采成本越來越高，也成為了制約我國工業(yè)發(fā)展的一個重要因素。現(xiàn)如今，在中國東部的淺層地區(qū)的煤炭面臨枯竭，而在一千多米以下的煤層仍然存在大量煤礦[2]。所以，深部掘進(jìn)開采技術(shù)成為了煤炭發(fā)展的重中之重。而在深部巖巷掘進(jìn)中，爆破效果與技術(shù)直接影響到了煤炭開采。本項(xiàng)目以淮北礦區(qū)為實(shí)例進(jìn)行分析，測量輔助眼與周邊眼的爆破參數(shù)對于爆破效果的影響[3]。從而在以后的煤炭開采中實(shí)現(xiàn)更好的爆破效果，提高煤炭開采效率，減低煤炭成本，提高工程的效益。

1 爆破參數(shù)的確定

在煤炭掘進(jìn)中,需要進(jìn)行爆破。而爆破效果的好壞取決于所選擇的爆破參數(shù)。而在本次實(shí)驗(yàn)中,所需要計(jì)算的爆破參數(shù)有炮眼排距、炮眼眼口間距、炮眼堵塞長度、炮眼直徑、單孔裝藥量等。

2 爆破參數(shù)的計(jì)算

2.1 輔助眼爆破參數(shù)的計(jì)算

輔助眼起爆有兩個自由表面。最明顯的影響是開孔爆轟后形成的自由面與炮孔方向平行[4]。因?yàn)樽杂擅娴淖饔?單位體積下巖石消耗的相關(guān)的藥量會減少，且其中的每個孔洞內(nèi)放置的藥的質(zhì)量會增加，這就導(dǎo)致了炮眼之間的距離會相隔較遠(yuǎn)。因?yàn)樽杂擅娴淖饔?輔助眼炮眼深度比掏槽眼略淺,約為掏槽眼深度0.85倍-0.90倍,炮眼與掏槽眼的炮眼的直徑大小是相同的，此外根據(jù)巖石類型和性質(zhì)的不同，炸藥與掏槽眼所用的炸藥的類型也相同。

(1)炮眼之間的排距

目前的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)布眼方式為小排距寬孔距時(shí)，在這種狀態(tài)下所產(chǎn)生的爆炸力的能量將被充分發(fā)揮于巖石中，且作用力均勻，其中關(guān)于炮眼的密集系數(shù)m:

(1)

式中：a表示炮眼之間的距離,m;b表示炮眼之間的排距,m。

當(dāng)炮眼的密集系數(shù)達(dá)到m=1.0-2.0時(shí),效果是最好的，目前的實(shí)際工程中，通常設(shè)定m=1.0-1.2。

(2)發(fā)生堵塞的炮眼的長度

根據(jù)文獻(xiàn)[5],分析不同普氏系數(shù)f巖石下，其炮泥堵塞的長度,結(jié)合實(shí)際的工程作業(yè),輔助眼的炮泥長度L2≈b,當(dāng)巖石的普氏系數(shù)f≤4時(shí),其堵塞的長度需要滿足L2≥1.0 m的條件。

(3)單孔內(nèi)裝藥的質(zhì)量

單孔內(nèi)裝藥的量可以通過下面的公式計(jì)算得出：

(2)

也可按公式(3)計(jì)算:

Q=abLq輔

(3)

式中：q輔為輔助眼單位體積消耗炸藥的質(zhì)量,kg/m3。

在自由面的存在情況下q輔=q標(biāo)。由于巖石的性質(zhì)的不同，其進(jìn)行爆破時(shí)，單位體積下需要的藥量也不同，輔助眼破單位體積下消耗藥的質(zhì)量與巖石的普氏系數(shù)間的關(guān)系如表1所示。

通過對炮眼的直徑db、炮眼的深度Ls以及不同巖石下輔助眼單位體積下所消耗藥的質(zhì)量q輔,根據(jù)a=(1.0-1.2),L2=b，依據(jù)式(2)和式(3)把輔助眼之間的距離a、排距b以及炮泥堵塞的長度L2、單個孔洞的裝藥量Q進(jìn)行確定。輔助眼的炮孔之間的距離與巖石的普氏系數(shù)間的關(guān)系如表2所示。

表1 輔助眼破單位體積下消耗藥的質(zhì)量與巖石的普氏系數(shù)間的關(guān)系

表2 輔助眼的炮孔之間的距離與巖石的普氏系數(shù)間的關(guān)系

2.2 周邊眼爆破參數(shù)計(jì)算

井巷掘進(jìn)爆破工程中,周邊眼炮眼深度取與輔助眼相同值,起爆后要達(dá)到光面爆破效果,在進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)必須充分考慮到相關(guān)的系數(shù)以及單孔裝藥量,從而確保在爆炸發(fā)生時(shí),其作用力能夠均勻,且炮眼壁不會產(chǎn)生被壓碎的現(xiàn)象[6]；合理確定炮眼間距使炮眼連線方向由于拉應(yīng)力而斷裂;合理確定光爆層厚度及炮眼密集系數(shù)使周邊眼沿炮孔連線方向斷裂的同時(shí),光爆層得到有效破碎。

(1)裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔內(nèi)的炸藥發(fā)生爆炸以后,當(dāng)其產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過逐漸消減成為壓應(yīng)力波時(shí),該波將會在巖石上形成徑向上的壓應(yīng)力以及切向方向上的拉應(yīng)力。需要注意的是巖石的抗拉的能力較低,因此在徑向上很容易因?yàn)槔ψ饔枚a(chǎn)生裂痕。其中巖石所受到的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的大小可以表示為:

(4)

式中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；r為距離藥包中心的距離，m；P為炮孔壁上的沖擊應(yīng)力，MPa。

σQ=m5σr

(5)

σQ為切向應(yīng)力，MPa；m5=σQ/σr，其中

(6)

進(jìn)行裝藥處理時(shí)，炮眼壁所產(chǎn)生的沖擊壓力為:

(7)

式中：dc為藥卷直徑，m；db為炮眼直徑，m；m6為表示在出現(xiàn)轟爆時(shí)，其產(chǎn)物在產(chǎn)生撞擊時(shí)對受力物體的壓力增大的系數(shù)。

當(dāng)巖石沒有出現(xiàn)破碎的情況時(shí)，表明其抗壓強(qiáng)度比此時(shí)所受到的沖擊力要小，可表示為：

σr≤m7[σ壓]

(8)

式中:m7為巖石動態(tài)抗壓強(qiáng)度增加系數(shù)，m7=4.0-5.0；[σ壓]為表示靜態(tài)狀態(tài)下巖石的抗壓強(qiáng)度，MPa。

在實(shí)際的工程作業(yè)中，一般情況下我們把n軸的取值控制在3.0-4.0,n徑的取值則在1.2-1.5之間。硬巖應(yīng)取較小值。

(2)單孔裝藥量

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)以及系數(shù)的大小，可推算出單孔裝藥量的值是：

(9)

工程中一般按下式計(jì)算單孔裝藥量：

Q=q線L

(10)

式中：q線為炮孔裝藥量與長度的比值，150 kg/m-250 kg/m。

(3)炮眼間距

周邊孔間距的計(jì)算方法有很多種，但大多是基于爆炸應(yīng)力波理論和爆轟氣體的綜合作用。其中巖石的能夠承受的拉力較小，壓力較大，因此由于爆孔線在其切線方向處有產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此巖石上容易出現(xiàn)裂紋。

巖石在力σQ下使得其出現(xiàn)裂紋的條件是:

σQ≥St

(11)

式中：σQ為切向方向上的拉應(yīng)力，MPa。

巖石動抗拉的強(qiáng)度用字母St來表示，MPa。

提出的公式(4)和公式(5)所展現(xiàn)的內(nèi)容，可以通過計(jì)算得出單孔裂隙半徑大小可表示為：

(12)

式中：rk來表示為單孔裂隙半徑，m。

當(dāng)多個空洞之間發(fā)生相互作用時(shí)，其出現(xiàn)的裂隙的半徑應(yīng)該隨著應(yīng)力的集中而出現(xiàn)的更大，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，之所以周邊眼出現(xiàn)了相鄰炮孔貫穿的現(xiàn)象，是因?yàn)楸ê蟮谋鷼怏w進(jìn)入了裂縫中，使裂縫延伸后貫通[7-8]。但為了確保裂縫之間貫通，要求應(yīng)力波作用使裂縫貫通基礎(chǔ)上，爆生氣體使裂隙寬度進(jìn)一步加大。為此，必須滿足：

Padb=(a-2rk)St

(13)

(14)

(15)

在實(shí)際工程作業(yè)中，一般情況下，周邊的眼炮之間的距離設(shè)置在300 m-500 m之間，根據(jù)巖石性質(zhì)的不同，a的大小也會有所不同，當(dāng)巖石為硬巖時(shí)，a取最大值，如果是軟巖則取值情況完全相反。關(guān)于a的取值大小，周邊眼炮之間距離與巖性普氏系數(shù)的關(guān)系如表3所示。

表3 周邊眼炮之間距離與巖石巖性普氏系數(shù)的關(guān)系

(4)光爆層厚度

光面爆破的效果會受光面爆破層得厚度影響。超過一定厚度的光面爆破層會導(dǎo)致巖石無法被破碎，不能向下切割。相反,如果平滑層的厚度過小,并因?yàn)閲鷰r裂縫反射波的作用 ,將影響圍巖的穩(wěn)定性,甚至導(dǎo)致圍巖下降,超挖和不均勻壁隧道光面爆破層的合理厚度可以根據(jù)電裝藥決定[9-11]。

周邊眼裝藥量可按下式計(jì)算：

(16)

式中：q標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破單位體積耗藥量，kg/m3；w周用來表示光爆層的厚度，m；a表示眼炮之間雙眼之間的距離，m；n為爆破作用指數(shù)，對于周邊眼光面爆破，采用弱拋擲，取n=0.75。

工程中一般根據(jù)炮眼間距和炮眼密集系數(shù)：

(17)

式中：m為炮眼密集系數(shù)，可取m=0.7-0.9。

依據(jù)以上分析可以估算炮眼間距a、光爆層厚度w周及單孔裝藥量Q。

3 結(jié) 語

(1)周邊眼的炮眼間距在不同的巖性普氏系數(shù)的增長量大致相同，較為平緩。

(2)輔助眼單位體積消耗炸藥的藥量隨著巖石普氏系數(shù)的增加而增長，在f=2-10時(shí)增長緩慢，而在f=10-12時(shí)增長較大。

(3)在爆破時(shí)，關(guān)于相關(guān)參數(shù)的選擇，其中最主要的影響因素就是巖石的性質(zhì)，當(dāng)在實(shí)際的工程作業(yè)中對周邊眼以及輔助眼的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定時(shí)，需要對巖石的普氏系數(shù)先進(jìn)行研究。