孔底空气间隔装药增强破碎作用研究.pdf

工程爆破 E N G I N E E R I N GB L A S T I N G 2 0 2 3年8月第2 9卷第4期h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4文章编号:1 0 0 6-7 0 5 1(2 0 2 3)0 4-0 0 4 3-0 9收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 2基金项目:国家自然科学青年基金资助项目(5 1 5 0 8 0 3 8)作者简介:钟立辉(1 9 9 6-),男,在读硕士,从事隧道与地下工程和爆破工程方面的研究。E-m a i l:1 2 8 7 3 1 9 6 5 1q q.c o m通信作者:蒋志明(1 9 6 4-),男,博士,教授级高工,从事隧道与地下工程、岩土爆破与安全技术方面的研究。E-m a i l:j z m b i t 1 2 6.c o m孔底空气间隔装药增强破碎作用研究钟立辉1,蒋志明1,于永纯2,张庆彬1,周阳威1,刘广林1(1.长沙理工大学土木工程学院,长沙4 1 0 0 0 0;2.保山金厂河矿业有限公司,云南 保山6 7 8 0 0 0)摘 要:为研究孔底空气间隔装药增强破碎作用,基于激波管原理以及应力波在不同介质的反射与透射理论,对孔底空气间隔装药结构对应5个反射与透射面上应力波的传播作用过程进行了详细分析。采用AN S Y S/L S-D YNA有限元分析软件,对连续装药结构以及不同空气层比例的孔底空气间隔装药结构进行数值模拟分析,数值模拟结果与理论分析相符。以孔底岩石能够出现明显的多个加载卸载过程以及岩体损伤范围能够覆盖整个空气间隔段作为判断依据,孔底空气间隔装药结构的最佳空气层比例为2 0%3 0%。对不同空气层比例的现场钢管模拟试验结果表明:空气层比例为2 0%3 0%的孔底空气间隔装药结构爆破效果最佳,出现明显钢管鼓包现象、爆后钢管残留率小、02 0c m深度的岩体爆破损伤最大。关键词:孔底空气间隔装药;激波管;增强破碎作用;空气层比例中图分类号:T D 2 3 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 1 0 3 1 8S t u d yo ne n h a n c e df r a g m e n t a t i o ne f f e c t so fb o t t o ma i r-d e c k e dc h a r g eZ H O N GL i-h u i1,J I A N GZ h i-m i n g1,Y UY o n g-c h u n2,Z H A N GQ i n g-b i n1,Z H O UY a n g-w e i1,L I UG u a n g-l i n1(1.C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g,C h a n g s h a4 1 0 0 0 0,C h i n a;2.B a o s h a nJ i n c h a n g h eM i n i n gC o.,L t d.,B a o s h a n6 7 8 0 0 0,Y u n n a n,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os t u d yt h ee n h a n c e df r a g m e n t a t i o ne f f e c t so ft h eb o t t o ma i r-d e c k e dc h a r g e.F i r s t l y,t h ep r o p a g a t i o np r o c e s so f s t r e s sw a v e so n t h e5r e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns u r f a c e sw e r e a n a l y z e d i nd e t a i l,b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f s h o c kt u b ea n dt h et h e o r yo fr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fs t r e s sw a v ei nd i f f e r e n tm e d i a.S e c o n d l y,t h ec o n t i n u o u sc h a r g es t r u c t u r ea n dt h eb o t t o ma i r-d e c k e dc h a r g es t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n tr a t i o so fa i r-d e c kt oc h a r g el e n g t hw e r ea n a l y z e db yAN S Y S/L S-D YNA,a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s w e r ec o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s.B a s e do nt h em u l t i p l e l o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s s e so ft h er o c ki nb o t t o ma n dt h ed a m a g er a n g eo ft h er o c kc o v e r i n gt h ew h o l ea i rs p a c e r,t h eo p t i m a l p r o p o r t i o no f a i r l a y e r i s2 0%3 0%.F i n a l l y,f i e l ds i m u l a t i o nt e s t sw e r ec a r r i e do u tu s i n gs t e e lp i p e sw i t hd i f f e r e n t s p a c i n gr a t i o s.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eb l a s t i n ge f f e c t i s t h eb e s tw h e na i r-d e c kt oc h a r g e l e n g t hi s2 0%3 0%,t h es t e e l t u b eh a so b v i o u sb u l g e,t h er e s i d u a l r a t e i ss m a l l,a n dw h e nt h ed e p t ho fr o c ki s02 0c m,t h eb l a s t i n gd a m a g e i s t h e l a r g e s t.K e yw o r d s:b o t t o ma i r-d e c k e dc h a r g e;s h o c kt u b e;e n h a n c e df r a g m e n t a t i o ne f f e c t s;a i r-d e c k i n gr a t i o 空气间隔装药结构因其具有减少炸药单耗、降低大块率与爆破地震效应以及减少根底等优势,广泛应用于隧道光面爆破周边孔以及露天矿爆破等领域。根据国内外学者对于空气间隔装药E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):4 3-5 1的研究1,空气间隔装药可降低作用于炮孔壁的压力峰值,减小粉碎区的范围,从而提高炸药能量的有效利用率。此外,空气间隔的存在,冲击波在不同介质的反射将对岩石产生二次加载,增加了应力波的作用时间。其中孔底空气间隔装药结构操作便捷,具有较强的工程应用价值,对于孔底空气间隔装药结构的研究认识具有必要性。大量的现场试验也证实孔底空气间隔装药结构具有降低爆破振动、减少大块率以及根底的作用2-3。目前对于空气间隔装药的试验与数值分析研究4-5取得一定进展,但缺乏系统的理论研究指导,朱红兵等6基于激波管理论分析了空气间隔装药炮孔内4个阶段应力波的传播过程及推导出孔内压力计算公式,得到合理的空气层比例在3 0%4 2%。空气间隔装药结构内存在着多个介质界面,应力波的反射透射现象显著,而目前对孔内应力波的性质与作用过程的认识仍较为模糊,有必要从理论上对其进行分析,从而了解空气间隔装药结构的破岩原理。笔者基于激波管作用原理以及一维应力波的反射透射理论,结合AN S Y S/L S-D YNA数值模拟,对孔底空气间隔装药结构进行理论分析,探究炮孔内应力波的传播过程与作用效果。通过数值模拟与现场试验分析,得到小直径炮孔孔底空气间隔装药的合理空气层比例。1 理论基础1.1 激波管作用原理激波管的结构为一根两头填塞的管子,内含高压段与低压段气体,两端气体之间用膜片阻隔。在一定条件下膜片破裂,高压段的气体膨胀,形成向低压段超声速运动的激波,同时形成向高压段运动的稀疏波,此后激波与稀疏波将在管内进行多次反射。以膜片所在位置为原点,破膜后将产生往高压室传播的有心稀疏波,以及向低压室传播超声速U运动的正激波。对于质点的运动,低压室的质点由于正激波的压缩作用将以速度u与正激波同向运动,高压室的质点在稀疏波的膨胀作用下往低压室运动。其中Uu,u的大小取决于膜片两端压力的大小7。采用孔底空气间隔装药时,装药段炸药爆轰后可视作激波管的高压段,空气段则视作其低压段。激波管与空气间隔装药如图1所示。图1 激波管与空气间隔F i g.1 I n t e r v a l b e t w e e ns h o c kt u b ea n da i r由于正激波对气体的压缩作用使得气体温度升高,而稀疏波对气体的膨胀作用使气体温度降低。因此在流动的气体中存在温度间断面,这个间断面也就是由原先处于膜片两端相接触的质点组成的(称之为接触面)。温度间断的存在造成了声速间断,因此在激波与接触面之间以及接触面与稀疏波之间流 动的马赫数 不同(即 波阻 抗 不同)。激波管中波的传播过程如图2所示。图2 激波管中应力波的传播F i g.2 P r o p a g a t i o no f s t r e s sw a v e i ns h o c kt u b e1.2 一维应力波反射与透射当应力波从一种介质传入另一种介质,由于两介质的波阻抗不同将产生波的反射与透射现象。反射的应力波反向传播与入射应力波叠加,透射的应力波继续以入射应力波同向传播。如图3所示,应力波从波阻抗为1c1的介质1传入波阻抗为2c2的介质2将产生反射与透射,其反射波44工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4的性质由两介质的波阻抗所决定。根据波阵面上的动量守恒、波的叠加原理以及界面上两质点速度、应力相等的条件,可得到如下方程8:图3 应力波在2介质界面的反射与透射F i g.3 R e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no f s t r e s sw a v e sa t t h e i n t e r f a c eo f 2m e d i aR=F IUR=-F UI(1)T=T IUT=(1C12C2)T UI (2)式中:I、R、T与UI、UR、UT分别为入射波、反射波以及透射波在界面处的应力(内力)与质点的速度。F与T为反射系数与透射系数,其表达式为F=2C2-1C12C2+1C1T=22C22C2+1C1T=F+1(3)物质所受应力情况与应力波的波型相关。分析可得,透射波的应力与入射波的应力总是同号,波型也相同。反射波的应力方向与波型取决于F的正负,而F的正负取决于两介质的波阻抗的大小。应力波从低阻抗向高阻抗传播,F0,反射波的类型与入射波相同,压缩波反射仍为压缩波,形成应力加载。从高阻抗向低阻抗传播,F0的情况下,透射应力波加强。2 孔底空气间隔装药结构中应力波的传播过程分析孔底空气间隔装药结构与激波管的构造类似,空气间隔装药高压段的形成为爆炸所产生的爆轰波与高压爆生气体,当爆轰波传至炸药与空气段界面时,此时相当于激波管的破膜阶段。根据激波管理论与一维冲击波反射与透射理论,对孔底空气间隔装药结构应力波的作用过程进行分析。设定空气、爆轰产物、填塞以及岩石的波阻抗分别为1c1、2c2、3c3、4c4,其波阻抗大小关系为1c12c23c34c4。假定孔底岩石界面以及孔口空气界面不移动,分析孔底空气间隔装药炮孔内应力波的反射与透射过程。在实际爆破过程中,通常药柱爆轰波阵面为球面形,对炮孔壁的冲击为斜冲击。由于爆轰波的入射波头与岩壁的夹角不大,可近似爆轰波对岩石壁的冲击为正冲击,按正入射求解波的反射与透射9。通过波阻抗的关系可以定性的分析炸药起爆后波的反射与透射以及叠加过程。炸药在孔口起爆后,爆轰波将分别向空气间隔段与填塞段传播,由于起爆雷管具有一定长度且存在不稳定爆轰距离,选取距离炸药与填塞界面小段距离作为起点进行分析,所得孔底空气间隔装药应力波在(x,t)平面上的传播过程如图4所示。炮孔内主要受3个应力波引起的反射与透射作用,下面分别对此进行分析:1)向空气间隔段传播的爆轰波。炸药起爆后,爆轰波向空气段传播,生成大量爆生气体,炮孔内压力升高,形成激波管的高压区。爆轰波到达空气界面处时,由于装药段爆轰产物的波阻抗大于空气的波阻抗,故-1F0,透射系数T1。向右的爆轰波反射后产生向左的有心稀疏波以及透射向右减弱冲击波,质点运动方向向右,爆生产物内的压力迅速减小,空气段压力升高。之后,透射的冲击波继续在空气间隔段向右传播,达到岩石界面处,因1c14c4,故0F1,形成反射加载。冲击波向右反射后为减弱的冲击波,而向左透射加强的冲击波作用于孔底岩石。经由岩石界面反射的冲击波向左传至接触面又将发生波的反射与透射。同理,1c12c2时反射的压缩波传至岩石界面将继续上述过程的反射与透射,对孔底岩石形成多次加载,且加载强度逐次减弱。54第4期钟立辉,等:孔底空气间隔装药增强破碎作用研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):4 3-5 1图4 孔底空气间隔装药应力波传播过程F i g.4 S t r e s sw a v ep r o p a g a t i o np r o c e s so f a i rs p a c i n gc h a r g ea t t h eb o t t o mo fh o l e2)向填塞段传播的爆轰波。爆轰波传至填塞界面处,2c23c3,反射系数0F1,透射系数T0,形成反射加载,反射减弱的冲击波,透射加强的冲击波。反射冲击波向右传播与从空气界面反射的有心稀疏波相遇之后传播至接触面,与前文所述一致,冲击波经过接触面以及岩石界面将发生多次反射透射现象,孔底岩石再次经历多次加载作用。而向填塞传播的透射冲击波使得填塞物质将向左运动直至冲出孔口,此冲击波传至孔口空气界面处,反射减弱的稀疏波,透射减弱的压缩波传出孔口。反射的稀疏波又在填塞界面再次反射为减弱的压缩波以及透射为减弱的稀疏波,此后反射的压缩波继在孔口空气界面与填塞界面经历多次反射透射,直至填塞完全冲出孔口。此过程产生多个向接触面传播的压缩波,以及向孔口空气透射多个稀疏波,填塞物质受到压缩波与稀疏波的交替作用。3)经空气间隔界面反射产生的有心稀疏波。因质点的运动速度明显小于应力波的速度,且由于受到炮孔深度、填塞长度以及炸药性能参数等的影响,稀疏波到达孔口的时间与填塞全部冲出孔口的时间各有不同。在填塞物全部冲出的情况下,稀疏波向左传播并直接传入孔口空气界面。而对于填塞未完全冲出的情况,有心稀疏波将先在填塞界面产生反射透射,图4给出了此情况应力波的传播过程。综上所述,孔底空气间隔装药结构爆破过程主要由2个移动的介质界面以及3个主要应力波及其在5个介质界面上形成的反射与透射应力波的传播过程。其中,传至孔底空气间隔段的应力波将在该段2个物质界面上发生连续的反射与透射,孔底岩体受到多次加载与卸载过程,而卸压过程可引起孔底周围岩体产生较大的拉应力和剪切应变,这有助于在爆轰产物准静压作用前形成初始裂缝网络1 0,对孔底岩体形成增强破碎的效果。3 数值模拟分析3.1 材料选取与模型建立采用AN S Y S/L S-D YNA有限元分析软件,对不同空气层比例的孔底空气间隔装药结构数值模拟分析。建立单孔模型,炮孔直径为4 0mm,深度为1m,其中填塞段长度4 0c m。岩体上部建立厚度为1 0c m的空气层,设置无反射边界条件模拟无限域空气,为了简化计算建立1/4模型,岩石边界设置无反射边界条件模拟无限域岩石,模型尺寸如图5所示。图5 孔底间隔装药单孔模型F i g.5 S i n g l eh o l em o d e l o fb o t t o ma i r-d e c k e dc h a r g e对于孔底空气间隔装药结构,其中含有多种物质相互作用,适合采用流固耦合分析,可有效地避免负体积的产生,文中采用C ON S T R A I N E D_L AG R ANG E_I N_S O L I D关键字定义流固耦合。单元类型选取s o l i d 1 6 4,炮泥、炸药、空气采用共节点网格划分且采用A L E算法,岩石采用L a g r a n g e64工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4算法。填塞材料选择MAT_S O I L_AN D_F OAM,炸药使 用2#岩 石 乳 化 炸 药,正 向 起 爆。选 用MAT_H I GH_E X P L O S I V E_B UR N材料模拟乳化炸药,其参数以及J WL状态方程参数如表1所示4。表1 乳化炸药及状态方程参数T a b l e1 P a r a m e t e r so f e m u l s i o ne x p l o s i v ea n ds t a t ee q u a t i o n/(gc m-3)爆速D/(ms-1)PC J/G P aA/P aB/G P aR1R2E0/G P a1.2 432 6 27.42.1 4 40.1 8 24.20.90.1 54.1 9 2 空气材料选取空材料MAT-NU L L,其状态方程为E O S_L I N E A R_K I N EM I A L,空气采用标准密度=1.2 9k g/m3。岩 石 材 料 选 取MAT_J OHN S ON_HO LMQU I S T_C ON C R E T E,简 称J HC材料。该材料适用于岩石以及混凝土高压力、大应变、大应变率下的数值模拟,能够考虑到岩石材料的应变率以及损伤破坏。岩石材料参数如表21 1所示。表2 J H C材料参数T a b l e2 M a t e r i a lp a r a m e t e r so f J HCRO/(gc m-3)G/G P aABCNF C2.5 8 66.5 20.7 9 01.6 0 00.0 0 70.6 1 00.0 0 04 8TE P S0E Fm i nS Fm a xP CU CP L0.0 0 00 410.0 1 07.0 0 00.0 0 01 60.0 0 10.0 0 8U LD1D2K1K2K30.10.0 4 01.0 0 00.8 5 0-1.7 1 02.0 7 9 国内外对于最佳空气层比例的确定尚未达成一致,总体认为空气层比例在1 0%5 0%之间最佳1。参考前人所述最佳空气层比例的范围,结合本次模型,建立空气层比例分别为1 0%、2 0%、3 0%、4 0%、5 0%的孔底空气间隔装药结构以及连续装药结构模型,基于激波管与应力波的反射透射理论探究其爆破作用原理以及较优的空气层比例。3.2 数值模拟结果分析3.2.1 孔底应力波的作用过程分析以孔底空气层比例为4 0%的模拟结果为例,分析空气间隔段应力波的作用过程。分别选取靠近空气间隔界面的A点、间隔中心的B点、靠近孔底的C点以及孔底中心D点作为关键单元,输出4个点炮孔轴向的应力历时曲线如图6所示。由图可知,4个关键点经历多个加载与卸载过程,下面对应力波的作用过程进行分析。图6 间隔段4个关键点压力F i g.6 P r e s s u r eo f 4k e yp o i n t s i nt h e i n t e r v a l炸药起爆后,向孔底方向传播的爆轰波在空气间隔界面透射产生的冲击波在1 1 4?s的时候到达A点,A点受冲击波的作用压力迅速增加,在1 2 0?s达到第一个峰值为9 4MP a,经短时间压力下降后,在1 3 2?s出现第2个峰值 为1 0 2MP a,压力增加不大,分析认为是冲击波斜入射至炮孔壁所反射的压缩波作用而致。随后,传至填塞界面的爆轰波反射后形成的冲击波在1 5 6?s作用于A74第4期钟立辉,等:孔底空气间隔装药增强破碎作用研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):4 3-5 1点,压力从4 8.5MP a增加至9 0.6MP a,压力增加效果明显。这2个冲击波的作用同样可以在B点与C点观测到,且B点的峰值压力出现时间稍早于C点,符合冲击波的传播过程。在1 6 8?s冲击波开始作用于孔底单元D点,D点压力迅速增加,在1 8 0?s达到第一个峰值压力为3 1 1 MP a,这个压力高出A点所受压力的3倍,且由于填塞反射的冲击波的叠加作用,在1 7 4?s时压力上升速度加快。为了应证以上论述,根据距离时间计算堵头反射的冲击波的速度约为1 2.2k m/s,符合冲击波的速度量级。到达第1个峰值压力之后,经短时间压力下降,D点所受压力迅速增大,在1 9 8?s时达到压力最大值3 6 8MP a,此时压力的增加是由于冲击波在孔底反射形成的压缩波的作用,反射的压缩波使得孔底压力短时间内再次升高。之后,随着时间的推移,D点经历多次加载,这与 前 文 基 于 激 波 管 原 理 所 作 分 析一致。由于多个压缩波及其在孔底岩石界面与接触面多次反射的压缩波的作用,孔底岩石所受最大压力是间隔段空气所受压力的3倍以上,且压力作用时间得到明显延长,孔底岩石经历多次加载与卸载过程。相较于单一的加载过程,多次加载后岩石的泊松比持续增加,弹性模量先增加后缓慢减小,岩石强度比单轴压缩强度小1 2,这也是孔底空气间隔装药结构具有良好的孔底增强破岩效果的原因之一。3.2.2 较优空气层比例的确定为了清晰地对比分析各空气层比例的孔底空气装药结构的压力曲线,绘制连续装药结构以及空气层比例分别为1 0%、2 0%、3 0%、4 0%、5 0%的孔底空气间隔装药结构在孔底同一位置特征点的压力如图7所示。图7 不同空气层比例孔底特征点压力F i g.7 P r e s s u r eo fh o l eb o t t o mc h a r a c t e r i s t i cp o i n t sw i t hd i f f e r e n ta i r l a y e r l e n g t h s分析曲线可知:(1)对于连续装药结构以及空气层比例为1 0%的孔底空气间隔装药结构,第一峰值压力较高,但作用时间较短,爆破能量过多消耗于岩石的粉碎,过小的空气层比例的孔底空气间隔装药结构主要受到爆轰波及其在空气界面透射的冲击波直接作用,接触面向孔底移动的时间过短,反射应力波的作用不明显。(2)对于空气层比例分别为2 0%、3 0%、4 0%、5 0%的孔底空气间隔装药结构压力峰值较低,应力波作用时间是连续装药结构的数倍,而降低压力峰值以及增加作用时间有利于降低岩石的过度粉碎,提高爆破能量的有效利用,降低爆破振动。此外,它们均出现3个以上峰值压力,加载与卸载作用较明显。因此,为了降低压力峰值、延长应力波作用时间、孔底产生明显反射应力波加载作用,空气层比例范围应控制在2 0%5 0%。根据损伤情况看(见图8),连续装药结构的爆破岩石完全破坏的区域(D=1)最大,岩石过度粉碎,应力波作用时间短,不利于爆破能量的有效利用。而对于孔底空气间隔装药结构,受到压缩波以及反射压缩波的作用,各空气层比例装药结构在孔底优先形成损伤区,损伤区由孔底岩体向四周扩散,应力波作用时间较长。而由于应力波在岩体内传播过程的衰减,孔底反射应力波的作用范围有限,过大的空气间隔层长度不利于空气间隔段岩体的破坏,因此空气层比例存在一个较优84工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4的区间。图8 不同空气层比例的孔底空气间隔装药岩体爆后损伤F i g.8 D a m a g eo f r o c km a s sa f t e rb l a s t i n gw i t hb o t t o ma i r-d e c k e dc h a r g ea td i f f e r e n t s p a c i n gr a t i o s相较于连续装药结构,空气间隔装药结构的爆破效果应达到减小用药量的情况下提高炮孔的利用率,基于此,孔底空气间隔装药结构炮孔壁爆破损伤范围应覆盖空气间隔段。从图8可以看出,空气层比例分别为1 0%、2 0%、3 0%的孔底空气间隔装药结构空气间隔段全范围受到损伤破坏,而4 0%以及5 0%的空气层比例的孔底空气间隔装药结构空气间隔段留有一段未被损伤破坏。因此,为了使得岩体损伤贯通整个炮孔,提高炮孔的利用率,空气层比例应控制在1 0%3 0%之间。综上所述,以能够形成多次反射应力波的加载卸载过程以及损伤能够覆盖空气间隔段综合考虑。孔底空气间隔装药结构空气层比例应控制在2 0%3 0%最佳。4 现场模拟孔底岩心破坏试验4.1 试验场地概况与设计试验场地位于保山金厂河矿1 7#采场拉底巷道帮壁,选取矽卡岩矿体区段进行试验。该区段矽卡岩型矿石统计R Q D值为7 8.4%,平均单轴饱和抗压强度1 1 2.22 0 0.5MP a,软化系数0.8 20.9 0,饱和轴向内聚力2 4.53 7.8MP a,内摩擦角3 0 1 5 3 9 5 8,饱和轴向抗拉强度8.01 3.5MP a,弹性模量7 2.79 2.2G P a,泊松比0.1 40.3 7。矿石致密坚硬、块状构造,矿岩体较完整,试验装置设计与实物如图9所示,岩心与声测孔布置如图1 0所示。图9 试验装置设计与实物F i g.9 D e s i g na n da c t u a l p i c t u r eo f t h e t e s td e v i c e图1 0 岩孔与声测孔布置F i g.1 0 C o r ea n da c o u s t i ch o l e l a y o u t94第4期钟立辉,等:孔底空气间隔装药增强破碎作用研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):4 3-5 1对空气层比例分别为2 0%、3 0%、4 0%、5 0%的孔底空气间隔装药进行现场爆破试验研究。试验装置上钢管根据所设空气层比例进行装药,下钢管套入岩心孔间隙并使用足量的云石胶密封固定。采用R S-S T 0 6 D(T)跨孔声波仪并按2 5mm的测试步距设置测量岩心爆前与爆后声速(见图1 1)以评价爆破对岩心的损伤情况,并观测爆后试验装置的破坏现象(见图1 2)。图1 1 跨孔声测F i g.1 1 C r o s s-h o l ea c o u s t i cm e a s u r e m e n t图1 2 不同空气层比例下钢管爆后破坏F i g.1 2 P o s t-e x p l o s i o nr e n d e r i n ga td i f f e r e n t s p a l i n gr a t i oo f a i r-d e c ka n dc h a r g e l e n g t h4.2 试验结果分析各空气层比例的孔底空气间隔装药结构试验装置爆后均存在从岩心孔中冲出的现象,较好地印证了前文所述孔底反射应力波的增强破碎作用,且对于反射应力波较强的装药结构(空气层比例分别为2 0%、3 0%、4 0%),装置的连接钢板伴有“鼓包”现象,如图1 2所示。此外,空气层比例为2 0%、3 0%的钢管残留率(爆后钢管的长度与间隔长度之比)最小,反映其炮孔利用率较高。此外,从爆破前后声波测量数据(见图1 3)分析,深度较浅的位置爆破损伤相对较大,以0至2 0c m深度范围的岩体 爆破损伤分 析,空气层比 例为2 0%与3 0%的爆破损伤最大。综上,孔底空气间隔装药结构对孔底具有增强破碎的作用,较优的空气层比例为2 0%3 0%。图1 3 不同空气层比例的孔底空气间隔装药爆破前后声速F i g.1 3 S o u n dv e l o c i t yo fb o t t o ma i r-d e c kc h a r g es t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n t s p a c i n gr a t i o sb e f o r ea n da f t e rb l a s t i n g5 结论1)孔底空气间隔装药结构爆破过程中,孔内应力波主要是由3个应力波及其在5个介质界面形成的反射透射应力波组成,数值模拟对此进行了验证。2)孔底空气间隔装药结构由于在接触面与岩石界面的多次反射加载与卸载作用,具有增强孔底岩体破碎的作用。3)以孔底岩石能够出现明显的多个加载卸载过程以及岩体损伤范围能够覆盖整个空气间隔段作为判断依据,通过现场试验及岩体爆破损伤综合分析,孔底空气间隔装药结构的最佳空气层比例为2 0%3 0%。05工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4参考文献(R e f e r e n c e s):1吴亮,朱红兵,卢文波.空气间隔装药爆破研究现状与探讨J.工程爆破,2 0 0 9,1 5(1):1 6-1 9.WUL,Z HU H B,L U W B.A no v e r v i e wa n dd i s-c u s s i o no f t h e s t u d yo na i r-d e c k i n gb l a s t i n gJ.E n g i-n e e r i n gB l a s t i n g,2 0 0 9,1 5(1):1 6-1 9.2辜大志,谢圣权,陈寿如.孔底空气间隔装药改善爆破震动和效果的研究J.采矿技术,2 0 0 4,4(4):6 4-6 6.GUDZ,X I ESQ,CHE NSR.S t u d yo n i m p r o v i n gb l a s t i n g v i b r a t i o n a n d e f f e c t b y a i r a i r-d e c k i n gc h a r g i n ga th o l e-b o t t o mJ.M i n i n g T e c h n o l o g y,2 0 0 4,4(4):6 4-6 6.3池恩安,梁开水,赵明生.孔底空气间隔装药降振试验研究J.煤炭学报,2 0 1 2,3 7(6):9 4 4-9 5 0.CH IE A,L I ANG K S,Z HAO M S.E x p e r i m e n t a ls t u d yo nv i b r a t i o nr e d u c t i o no ft h eh o l e-b o t t o m a i rs p a c ec h a r g i n gJ.J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y,2 0 2 1,3 7(6):9 4 4-9 5 0.4孙丽.空气间隔轴向不耦合装药预裂爆破数值模拟研究D.长沙:中南大学,2 0 1 2.S UN L.N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h o fp r e s p l i tb l a s t i n go f a x i a l d e c o u p l i n gw i t ha i r-d e c kc h a r g eD.C h a n g s h a:C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y,2 0 1 2.5康强.裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试验研究D.武汉:武汉理工大学,2 0 1 2.KANG Q.N u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo fa i r-d e c kc h a r g eb l a s t i n gi nf r a c t u r e dr o c km a s s e sD.Wu h a n:W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,2 0 1 2.6朱红兵,卢文波,吴亮.空气间隔装药爆破机理研究J.岩土力学,2 0 0 7,2 8(5):9 8 6-9 9 0.Z HU HB,L U W B,WUL.R e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fa i r-d e c k i n gt e c h n i q u ei nb e n c hb l a s t i n gJ.R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s,2 0 0 7,2 8(5):9 8 6-9 9 0.7X.A拉赫马社林,C.C谢苗诺夫.激波管(上册)一般理论与实验技术M.北京:国防工业出版社,1 9 6 5:4 6-5 1.R A CHMAS HE R I NXA,S EMONOVCC.G e n e r a lt h e o r ya n de x p e r