BHPO預(yù)裂爆破方法機(jī)理研究及工程試驗(yàn)2

BHPO預(yù)裂爆破方法機(jī)理研究及工程試驗(yàn)劉小偉1張樹偉1楊曉科2（1.河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司河北唐山063701）（2.中煤集團(tuán)西安設(shè)計(jì)工程公司陜西西安710054）摘要：本文通過對(duì)分析巖石爆破機(jī)理及工程實(shí)驗(yàn)提出大炮孔預(yù)裂導(dǎo)向（Blastholepre-splitorientation）的預(yù)裂爆破方法，以下簡稱：BHPO預(yù)裂爆破方法。該方法是集露天大孔徑深孔預(yù)裂爆破及普通預(yù)裂爆破優(yōu)點(diǎn)的新型預(yù)裂爆破模式，是目前預(yù)裂爆破技術(shù)改進(jìn)完善的可行道路。其開裂理論依據(jù)為爆破斷裂力學(xué)，通過大孔徑炮孔導(dǎo)向作用增加爆破壓應(yīng)力減少爆破拉應(yīng)力，提高爆破成縫概率。因此BHPO預(yù)裂爆破方法是建立在現(xiàn)代力學(xué)的基礎(chǔ)之上，可以更好的達(dá)到保護(hù)邊坡的目的。關(guān)鍵詞：炮孔導(dǎo)向大孔徑預(yù)裂爆破爆破斷裂力學(xué)爆破應(yīng)力TheMechanisticStudyofBlastHolePre-splitOrientationPresplittingTechniqueandEngineeringTestliuxiao-wei1Zhangshu-wei1Yangxiao-ke2(1.SijiayingironminecompanyofHebeiironandsteelgroup,TangshanHebei063000,China;2.Xi’anCompanyofdesign&Engineeringofchinacoalgroup,Xi’an,Shaanxi710054ChinaAbstract:Blastholepre-splitorientation(BHPO)isproposedbasedontheanalysisofrockblastingmechanismandpre-engineeringexperiments.anditistheaviablewaytoimproveblastingtechnologywiththenormalblastingtechnologyandThelargeapertureBlastingintheopenpit.TheBHPOblastingmethodisbasedonthemodernmechanicsandtheblastcrackfracturemechanics,throughincreasingthestressandreducingthetensilestress,toimprovetheprobabilityofthefracturesinthedemolitionwiththeguidingroleofblastholeorientation.Usingthisnewwaycanachievethepurposeofprotectionoftheslopebetter.Keywords:blastholeorientation;largeaperturePre-splittingblasting;burstfracture;blastingstress1、引言：現(xiàn)代大型露天礦礦山邊坡預(yù)裂中，由于邊坡處理量大及一次爆破量大，因而主要采取露天大孔徑預(yù)裂爆破法即采用Ф250-310牙輪鉆機(jī)穿孔進(jìn)行預(yù)裂爆破。但綜合分析大孔徑預(yù)裂爆破雖技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理，但在具體實(shí)施過程中爆破技術(shù)人員很難掌握合適的爆破參數(shù)及裝藥量，同時(shí)針對(duì)裂隙較為發(fā)育的邊坡時(shí)很難形成半壁痕特性筆者深入研究巖石爆破開裂理論，通過對(duì)《巖石爆破機(jī)理》、《爆破動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》、《爆炸力學(xué)》、《露天大孔徑預(yù)裂爆破技術(shù)》中關(guān)于巖石爆破開裂理論及爆破裂隙及裂隙力學(xué)的論述，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際提出孔徑炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破方法。炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破是基于傳統(tǒng)光面爆破及巖石定向斷裂控制爆破基礎(chǔ)上提出的新型預(yù)裂控制爆破方法。傳統(tǒng)預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥或空氣間隔裝藥，降低炸藥爆炸對(duì)炮孔壁的作用，避免在炮孔中形成壓碎區(qū)，實(shí)現(xiàn)爆破后的光面。但是這一方法不能避免的在炮孔周圍巖石中隨即形成徑向裂紋，因而在裂隙發(fā)育的巖石條件下往往很難達(dá)到光面爆破的效果。炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破充分利用炮孔的導(dǎo)向作用，在預(yù)定的預(yù)裂方向上減少巖石作用力，從而使得爆炸能量最易在設(shè)定方向上形成裂紋，從而在該方向上達(dá)到優(yōu)先起裂、擴(kuò)展、貫通，達(dá)到提高預(yù)裂爆破效果的目的。采用炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破，可以有效的減少炮孔壁周圍非孔間連線方向徑向裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)大，從而減少爆破對(duì)圍巖的穩(wěn)定性的破壞，提高半壁痕率。在裂隙發(fā)育的地質(zhì)條件下采用該技術(shù)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)裂爆破效果，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。2、炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破法簡述及機(jī)理研究2.1炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破法簡述炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破法首先是適應(yīng)大型露天礦山邊坡預(yù)裂的施工方法。該法要求使用牙輪鉆機(jī)（最好選用Ф310牙輪鉆機(jī)，及Ro=310mm）預(yù)先在預(yù)裂線上鑿穿導(dǎo)向孔，然后使用潛孔鉆機(jī)穿鑿中間預(yù)裂孔（孔徑100mm-150mm），成空后按照常規(guī)預(yù)裂孔爆破模式進(jìn)行爆破，2.2炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破法研究原理在巖石斷裂控制爆破中其實(shí)現(xiàn)定向斷裂的控制方法很多，但實(shí)質(zhì)上形成斷裂貫通的過程是一至的，這一過程由定向裂紋的起裂和定向裂紋的貫通兩個(gè)階段組成。但根據(jù)起裂和貫通的主次可分為以定向裂隙為主要突破的聚能預(yù)裂爆破1和以貫通為主要突破的大炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破即BHPO預(yù)裂爆破方法。在天然巖體中，必然存在長短不等隨機(jī)細(xì)小的裂紋，當(dāng)預(yù)裂孔及導(dǎo)向孔穿孔完畢后必然在孔壁周圍存在細(xì)小裂紋。根據(jù)斷裂力學(xué)理論及爆破自有面理論，炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破過程由三個(gè)階段組成如圖1所示：階段1，炮孔內(nèi)不耦合裝藥起爆，靜載荷達(dá)到一定強(qiáng)度后，周圍裂紋逐步起裂、擴(kuò)展；階段2，由于炮孔周圍存在大孔徑導(dǎo)向孔，起到自由面得作用，則裂紋集中向?qū)蚩讛U(kuò)展，并形成貫通裂紋；階段3，隨著裂紋與導(dǎo)向孔的貫通，大量爆炸產(chǎn)生氣體，通過裂紋貫通于預(yù)裂孔與導(dǎo)向孔間，進(jìn)一步擴(kuò)大預(yù)裂縫，同時(shí)其他非導(dǎo)向裂紋由于載荷減小和巖石塑性形變而自我閉合。炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破取得良好預(yù)裂效果的關(guān)鍵技術(shù)在于有效控制炮孔內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力值，使細(xì)小裂紋剛好能貫穿至導(dǎo)向孔，這也是預(yù)裂爆破法與傳統(tǒng)預(yù)裂爆破法的本質(zhì)區(qū)別。因此預(yù)裂孔與導(dǎo)向孔間距（細(xì)小裂紋長度）、炮孔裝藥量及巖體中隨機(jī)細(xì)小裂紋情況都直接影響到BHPO預(yù)裂爆破法的預(yù)裂效果。3、BHPO預(yù)裂爆破法主要參數(shù)的確定3．1裝藥量的確定在炮孔內(nèi)炸藥爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力P的作用下，隨機(jī)裂紋尖端應(yīng)力因子為K1=Pπaf(a/r)………………[式1]其中：P=1/8×ρo×D2[Vb/VC]-3……[式2]=1/8×ρo×D2[db/dC]-6×l…[式3]P——炮空中的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，MN.m-3/2a——炮孔中隨機(jī)裂紋長度，mr——炮孔半徑，mf(a/r)——形狀因子，由表1給出ρo——炮孔裝藥密度，kg.m-3D——炸藥爆速，m.s-1Vb——炮孔體積，m3VC——炮孔裝藥體積，m3db——炮孔直徑，mdC——炮孔裝藥直徑，ml——炮孔長度，mle——炮孔裝藥系數(shù).當(dāng)K1>KLC時(shí)裂隙開始失穩(wěn)擴(kuò)展，炮孔周圍裂隙開始起裂，由于導(dǎo)向孔的存在，使得導(dǎo)向孔方向上的KLC較小，細(xì)小裂隙帥先到達(dá)導(dǎo)向孔（導(dǎo)向預(yù)裂爆破階段1）為了能達(dá)到導(dǎo)向預(yù)裂要求，其他裂隙不能再繼續(xù)擴(kuò)展，大量爆炸氣體通過貫通裂隙，使得裂隙擴(kuò)展為裂縫，達(dá)到預(yù)裂目的。因此有炮孔內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力P與其能起裂炮孔周圍巖石裂紋最小長度的關(guān)系：P=KLC/[πaf(a/r)]………[式4]由此可以看出炮孔周圍裂隙長度越長，起裂它們所需的炮孔準(zhǔn)靜態(tài)壓力值越低。因而可認(rèn)為，在進(jìn)行炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破時(shí)，如巖石整體性較好，炮孔周圍存在的裂隙數(shù)量長度小，炮孔裝藥量可取大值，已獲得加大的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，以加大炮孔間距，減少炮孔數(shù)量；而對(duì)裂隙發(fā)育的巖體，炮孔周圍存在的裂隙數(shù)量、長度往往較大，為保證其他裂隙不擴(kuò)展，往往減少炮孔裝藥量，取較小的炮孔準(zhǔn)靜態(tài)壓力值。通過對(duì)式2、3、4得出炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破藥量計(jì)算公式le=[8KLC/ρo×π×am×f(am/r)]1/3×(db/dC)2………[式5]q=π/4×dC2×ρo×le×l…………….[式6]式中am——炮孔周圍裂隙長度的最大值，mq——炮孔裝藥量，kg表1f(a/r)隨a/r的變化值a/r0.81.01.523510∞f(a/r1.981.831.71.611.571.521.431.381.261.0313.2預(yù)裂與導(dǎo)向孔間距的確定根據(jù)炮孔導(dǎo)向預(yù)裂階段性，確定當(dāng)爆炸開始，細(xì)小裂紋形成向周圍隨機(jī)延伸，裂隙穩(wěn)定傳播時(shí)，裂隙處于穩(wěn)定傳播。形成新表面的能量由裂隙擴(kuò)展所釋放的彈性變性能所提供。因此單位面積裂隙所釋放出來的能量稱為能量釋放率G，其物理含義為裂隙擴(kuò)展單位長度所需要的力，因此又稱裂隙擴(kuò)展力G。于是G的臨界值Gc稱為裂隙擴(kuò)展阻力，當(dāng)G<Gc時(shí)巖石裂隙處于穩(wěn)定傳播階段，對(duì)于同一材料G不是常數(shù)Gc是常數(shù)，是一種材料的屬性。G而是裂隙尖端處的應(yīng)力σ和裂隙半徑а1的函數(shù)，利用裂隙表面彈性位移的關(guān)系可導(dǎo)出關(guān)系式：G=（σ2πa1）/E……………….[式7]式中σ——應(yīng)力E——彈性模量a1——裂隙半徑筆者認(rèn)為最長徑向裂隙長度為預(yù)裂孔至導(dǎo)向孔間距。通過文獻(xiàn)[4]對(duì)預(yù)裂炮孔直徑、炮孔靜壓力及裂隙長度的論述確定出三者關(guān)系曲線如圖：根據(jù)曲線設(shè)定你選定試驗(yàn)孔間距L為1.5m。4、工程試驗(yàn)根據(jù)理論對(duì)研山鐵礦北部裂隙發(fā)育邊界使用BHPO預(yù)裂爆破法進(jìn)行預(yù)裂爆破，其中進(jìn)行爆破試驗(yàn)四次，具體情況如下：4.1設(shè)計(jì)方案：導(dǎo)向孔、預(yù)裂孔部分：沿+30水平境界線布孔，導(dǎo)向孔孔徑310mm；間距3m；超深2m;預(yù)裂孔孔徑115mm，位于導(dǎo)向孔中部，略靠近境界內(nèi)側(cè)偏移150mm,超深0-0.5m；采用連續(xù)帶狀不耦合裝藥結(jié)構(gòu)；不耦合系數(shù)k=3.1使用2#巖石粉狀乳化油炸藥；藥卷規(guī)格Ф32mm×200mm、150g/卷、ρ=1.2-1.3g/cm3線狀藥密度ρx=0.55kg/m3底部1m內(nèi)增加炸藥量QZ=0.3kg預(yù)裂孔同時(shí)起爆，起爆時(shí)間超前緩沖孔100-200ms緩沖孔部分：緩沖孔采用Ф310牙輪鉆機(jī)穿鑿，孔間距ah=6m，與預(yù)裂孔排間距=3-3.5m,與正?？着砰g距=5-5.5m；超深;Lcs=0.5-1m;填塞長度lts=5m;采用中部間隔分段裝藥結(jié)構(gòu)（耦合）；下部藥高3-3.5m，中部間隔2-3m，上部藥高2-2.5m；下部藥柱使用高能乳化炸藥，上部藥柱使用多孔粒狀銨油炸藥；起爆時(shí)間在正?？滓院?，微差時(shí)間同正?？?；4.2爆破效果：（1）第一個(gè)爆區(qū)預(yù)裂孔15個(gè)，巖石完整性一般，平均半壁痕率約40%，最長半壁痕長約5m，預(yù)裂孔處巖石較碎裂（裝藥較多），連續(xù)性較差；預(yù)裂緩沖間存在1m左右的小根底。（2）第二、第三、第四個(gè)爆區(qū)預(yù)裂孔70個(gè)，適當(dāng)減少預(yù)裂藥量，加大緩沖孔藥量，平均半壁痕率60%，最長半壁痕約7m，連續(xù)性較好；小根底消失；這四個(gè)爆區(qū)總體試驗(yàn)成功。5、結(jié)束語炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破的優(yōu)點(diǎn)是：用于裂隙發(fā)育的巖石中，能夠有效的保護(hù)圍巖，減少超挖，提高孔痕率；炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破的技術(shù)要點(diǎn)是：通過大孔徑炮孔的導(dǎo)向作用，引導(dǎo)裂隙形成于導(dǎo)向方向上，并通過導(dǎo)向裂隙的擴(kuò)展，抑制其他裂紋的擴(kuò)展，使之在巖體塑性作用下裂隙閉合，從而實(shí)現(xiàn)炮孔間光滑的壁面。在裂隙發(fā)育的巖體進(jìn)行炮孔導(dǎo)向預(yù)裂爆破施工，炮孔裝藥量及兩孔間距應(yīng)取小值從而保護(hù)圍巖，避免其他裂隙擴(kuò)展；而在整體性較好的巖體中兩值可取大值，以減少炮孔數(shù)量，提高炮孔利用率。參考文獻(xiàn)：楊永琦.礦山爆破技術(shù)與安全.北京：煤炭工業(yè)出版社.1991.231-308王廷武.劉清泉.楊永琦等.地下與地面工程控制爆破.北京煤炭工業(yè)出版社.1990.144-235王樹仁.魏有志.巖石爆破中斷裂控制的研究.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1985.14（3）：113-120鈕強(qiáng).巖石爆破機(jī)理.東北工學(xué)院出版社.1990（1）高爾新.爆炸動(dòng)力學(xué).中國礦業(yè)大學(xué)出版社.1995（2）田云生.田會(huì)禮.楊永琦定向斷裂控制爆破理論分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].煤炭工程.2005，[30]-51作者簡介：*劉小偉(1980年-)，男，河北唐山人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工