束狀孔球形藥包爆破技術(shù)的試驗(yàn)研究

束狀孔球形藥包爆破技術(shù)的試驗(yàn)研究

波束孔球形藥袋爆炸技術(shù)是北京礦業(yè)大學(xué)專注于研究地下礦的深孔爆炸技術(shù)的新技術(shù)。該技術(shù)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(yīng)力場的作用機(jī)理為基礎(chǔ)。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(qiáng)裝藥中遠(yuǎn)區(qū)爆破作用的束狀孔效應(yīng)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(yàn)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(yàn)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(shù)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(yīng)力場的應(yīng)力波分布、疊加等特征進(jìn)行試驗(yàn)研究。1試驗(yàn)條件1.1爆破應(yīng)力場分布束狀孔爆破試驗(yàn)采用導(dǎo)爆索(黑索金)對混凝土模型進(jìn)行爆破。通過對高采樣率超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)的匹配研究和改進(jìn),選用適宜于測試壓拉應(yīng)力的電阻應(yīng)變片為傳感器對束狀孔爆破漏斗范圍的應(yīng)力—應(yīng)變進(jìn)行測量,從而得到爆破有效作用范圍內(nèi)的爆炸波應(yīng)力場分布。1.2試驗(yàn)設(shè)備及傳感器當(dāng)某個爆炸過程中的力學(xué)量f(t)(如壓強(qiáng))作用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ?從而使模型中的應(yīng)變計(jì)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(yīng)變儀濾波、放大,最后由采集儀輸出。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)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(yīng)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(yàn)過程中采用總線內(nèi)觸發(fā)。傳感器為長方體應(yīng)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(yīng)指標(biāo)基本相同,并經(jīng)過防水絕緣處理。試驗(yàn)中采用的敏感元件為阻值為120的應(yīng)變片,靈敏系數(shù)為2.08%。應(yīng)變磚如圖3所示。1.3爆破拋光點(diǎn)及其測點(diǎn)布置試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x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(yàn)前期進(jìn)行了同材料、同配比條件下的爆破漏斗探索試驗(yàn),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(diǎn)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(shè)置10個測點(diǎn),將應(yīng)變磚埋入模型中設(shè)計(jì)的測點(diǎn)位置。應(yīng)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(diǎn),每個測點(diǎn)放一塊應(yīng)變磚,測點(diǎn)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(diǎn),每個測點(diǎn)放一個應(yīng)變磚,測點(diǎn)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(diǎn),每個測點(diǎn)放一個應(yīng)變磚,測點(diǎn)距束孔中心的距離為5,10,15,20cm。測點(diǎn)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(diǎn)位置見圖5,6。1.4孔口埋深為32g的炮孔,炮點(diǎn)封閉式自然激光束的開裝線圖8裝藥參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù):由前期束狀孔爆破藥量及埋深探索試驗(yàn)來看,對于該強(qiáng)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(dǎo)爆索束內(nèi),聚能穴朝向孔底,正向起爆。孔內(nèi)非電雷管腳線由導(dǎo)爆管引出,5個炮孔的10根導(dǎo)爆管在孔口集成一束,由2發(fā)雷管起爆。孔內(nèi)10個非電雷管同時起爆。2試驗(yàn)中測波形分析2.1波型特征反應(yīng)的作用機(jī)理束狀孔多個炮孔的應(yīng)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(fù)雜。波型特征反應(yīng)了束狀孔爆破的作用機(jī)理。束狀孔模型(孔間距5cm)測點(diǎn)與炮孔位置關(guān)系如圖7,A測點(diǎn)所測爆炸應(yīng)力波波形如圖8所示。2.2爆炸波場特征結(jié)果爆炸波形由爆炸應(yīng)力波上升區(qū)、峰值壓力區(qū)及衰減震蕩區(qū)構(gòu)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(yīng)力波某一時刻對共同作用區(qū)內(nèi)混凝土中某一點(diǎn)的加載作用包含以下三種情形:(1)各孔同時對該點(diǎn)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(diǎn)存在應(yīng)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(diǎn)不存在應(yīng)力波的疊加。對于情形(1),假設(shè)5孔同時起爆,由于各孔到測點(diǎn)距離的不同,因此各爆炸波到A點(diǎn)的時間也不同,先后順序?yàn)?炮孔1和2,炮孔3和4,炮孔5。但在實(shí)際應(yīng)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?yàn)?(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(shù)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(dá)測點(diǎn),但實(shí)際上可能性很小;對于炮孔3,4同理。(2)傳感器至爆源的實(shí)際距離與設(shè)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(yīng)力波的加載作用下,混凝土介質(zhì)受到強(qiáng)沖擊加載作用,這種作用表現(xiàn)在:15.5～17.6μs(ac段)為壓應(yīng)力波上升區(qū),在17μs(b點(diǎn))和17.6μs(c點(diǎn))分別到達(dá)壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力作用顯著變小,最后趨于零點(diǎn)。由于束狀孔包含炮孔數(shù)較多,多個炮孔的應(yīng)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(fù)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(yīng)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