束狀孔球形藥包爆破技術的試驗研究

束狀孔球形藥包爆破技術的試驗研究

波束孔球形藥袋爆炸技術是北京礦業(yè)大學專注于研究地下礦的深孔爆炸技術的新技術。該技術以利文斯頓球形藥包爆破漏斗理論和數(shù)個密集平行深孔形成共同應力場的作用機理為基礎。以N個間距為3～9倍孔徑的密集平行深孔組成一束孔(直徑d)裝藥同時起爆,對周圍巖體的作用視同一個更大直徑(等效直徑D=N??√d)D=Νd)炮孔的裝藥爆破作用。它綜合利用增強裝藥中遠區(qū)爆破作用的束狀孔效應和最優(yōu)埋深條件下的球形藥包漏斗爆破,合理利用了炸藥能量的最優(yōu)條件。束狀孔球形藥包組合漏斗爆破形成了高分層落礦的新型采礦方法。工業(yè)試驗表明,由于創(chuàng)造了充分利用炸藥能量和控制爆破作用的良好條件,束狀孔爆破在保證礦巖破碎質(zhì)量和邊幫、直接頂板的完整性上取得了良好效果。研究和現(xiàn)場試驗表明,束狀孔球形藥包高分層落礦是地下礦山高效爆破技術的新突破,對采礦爆破作業(yè)發(fā)展具有極大的推動作用。本文針對束狀孔爆破形成的共同應力場的應力波分布、疊加等特征進行試驗研究。1試驗條件1.1爆破應力場分布束狀孔爆破試驗采用導爆索(黑索金)對混凝土模型進行爆破。通過對高采樣率超動態(tài)應變測試系統(tǒng)的匹配研究和改進,選用適宜于測試壓拉應力的電阻應變片為傳感器對束狀孔爆破漏斗范圍的應力—應變進行測量,從而得到爆破有效作用范圍內(nèi)的爆炸波應力場分布。1.2試驗設備及傳感器當某個爆炸過程中的力學量f(t)(如壓強)作用于試驗模型,從而使模型中的應變計發(fā)生形變,輸出一個電壓信號或電流信號。信號由超動態(tài)應變儀濾波、放大,最后由采集儀輸出。測試系統(tǒng)結構及實物連接圖分別如圖1,2所示。測試系統(tǒng)由SDY2107B型超動態(tài)應變儀和PCI-20612型采集儀兩部分組成。SDY2107B頻響為DC-1500kHz。PCI-20612為高精度12-bitA/D,16通道,每通道最高采樣率為20M;試驗過程中采用總線內(nèi)觸發(fā)。傳感器為長方體應變磚,磚體為環(huán)氧樹脂石英粉砂漿材料,它的波阻抗和變形模量,與混凝土模型的對應指標基本相同,并經(jīng)過防水絕緣處理。試驗中采用的敏感元件為阻值為120的應變片,靈敏系數(shù)為2.08%。應變磚如圖3所示。1.3爆破拋光點及其測點布置試驗模型選用混凝土澆筑,模型制作材料及配比:水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥,粗骨料為石子,最大粒徑不大于2cm,河砂的粒徑小于lmm。配合比為水泥∶石子∶河砂∶水=52∶88∶63∶21(重量比)。根據(jù)利文斯頓球形藥包爆破理論,為了模擬半無限大平面的爆破環(huán)境,試驗前期進行了同材料、同配比條件下的爆破漏斗探索試驗,由此確定了模型尺寸。8個模型為圓柱體混凝土模型,底面直徑2.6m,高1.2m。其中炮孔直徑d=2.5cm,每束孔包含5個炮孔,正五邊形排列,炮孔布置在正五邊形的5個頂點上,五邊形中心與模型中心重合。束內(nèi)孔間距(即正五邊形邊長)分別為2,3,3.2,4,5,6,7,8d。對每個束狀孔模型,設置10個測點,將應變磚埋入模型中設計的測點位置。應變磚埋入位置如下:其中距上表面2cm的平面上布置4個測點,每個測點放一塊應變磚,測點距束狀孔中心的距離為5,10,15,20cm;在距上表面6cm的平面上布置2個測點,每個測點放一個應變磚,測點距束狀孔中心的距離為5,10cm;在距上表面11cm的平面上布置4個測點,每個測點放一個應變磚,測點距束孔中心的距離為5,10,15,20cm。測點均處在正五邊形同一條邊的垂直平分線上。澆注好的模型如圖4所示,布孔參數(shù)及測點位置見圖5,6。1.4孔口埋深為32g的炮孔,炮點封閉式自然激光束的開裝線圖8裝藥參數(shù)設計依據(jù):由前期束狀孔爆破藥量及埋深探索試驗來看,對于該強度的混凝土模型,5孔束孔在常用孔間距的條件下黑索金的最佳用量為33g,最佳埋深為11.5cm。束狀孔:從孔口到孔底的裝藥參數(shù)依次為:9cm炮泥,5cm裝藥長度(33g黑索金),106cm炮泥。每個炮孔內(nèi)附有2發(fā)瞬發(fā)非電雷管,炮孔內(nèi)雷管置于距孔底2cm處,雷管包裹在導爆索束內(nèi),聚能穴朝向孔底,正向起爆?？變?nèi)非電雷管腳線由導爆管引出,5個炮孔的10根導爆管在孔口集成一束,由2發(fā)雷管起爆?？變?nèi)10個非電雷管同時起爆。2試驗中測波形分析2.1波型特征反應的作用機理束狀孔多個炮孔的應力波作用與爆生氣體膨脹作用相互混合,對介質(zhì)的加載作用復雜。波型特征反應了束狀孔爆破的作用機理。束狀孔模型(孔間距5cm)測點與炮孔位置關系如圖7,A測點所測爆炸應力波波形如圖8所示。2.2爆炸波場特征結果爆炸波形由爆炸應力波上升區(qū)、峰值壓力區(qū)及衰減震蕩區(qū)構成,如圖8所示。對于圖7所示的包含5孔的束狀孔,同段雷管起爆的各炮孔爆破應力波某一時刻對共同作用區(qū)內(nèi)混凝土中某一點的加載作用包含以下三種情形:(1)各孔同時對該點混凝土加載。(2)相鄰炮孔不同時加載,在共同作用區(qū)內(nèi)的該點存在應力波的疊加。(3)相鄰炮孔不同時加載,在共同作用區(qū)內(nèi)的該點不存在應力波的疊加。對于情形(1),假設5孔同時起爆,由于各孔到測點距離的不同,因此各爆炸波到A點的時間也不同,先后順序為:炮孔1和2,炮孔3和4,炮孔5。但在實際應用中,5個炮孔同段雷管同時起爆,各炮孔對巖體同時加載的可能性也是很小的,因為:(1)本次爆炸波測試數(shù)據(jù)精確度為微秒級,在現(xiàn)有的起爆技術條件下,即使使用高精度瞬發(fā)毫秒延期雷管,其發(fā)火延時誤差亦較大(±30μs),因此,理論上炮孔1,2所產(chǎn)生爆炸波同時到達測點,但實際上可能性很小;對于炮孔3,4同理。(2)傳感器至爆源的實際距離與設定距離有一定誤差。因此,后兩種情形發(fā)生的可能性最大。如圖8所示,在5炮孔爆炸應力波的加載作用下,混凝土介質(zhì)受到強沖擊加載作用,這種作用表現(xiàn)在:15.5～17.6μs(ac段)為壓應力波上升區(qū),在17μs(b點)和17.6μs(c點)分別到達壓應力波峰值22.4MPa和23.8MPa,兩波峰部分疊加;17.6～19.6μs(cd段)為壓應力波下降區(qū)。19.6～38.4μs(de段)為衰減震蕩區(qū),有時還伴隨著其它炮孔的爆炸波作用,混凝土所受的壓應力作用顯著變小,最后趨于零點。由于束狀孔包含炮孔數(shù)較多,多個炮孔的應力波作用及爆生氣體膨脹作用相互摻雜混合,對介質(zhì)的加載作用復雜,但仍滿足爆炸作用規(guī)律。所測波形與經(jīng)典爆炸波形的共性表現(xiàn)在:具有應力波上升區(qū)、下降區(qū)及衰減震蕩區(qū)等爆炸作用區(qū)間,在