空氣間隔裝藥預裂爆破對巖體損傷的試驗研究

空氣間隔裝藥預裂爆破對巖體損傷的試驗研究

在現(xiàn)代采礦過程中，采用空氣間隔爆炸技術(shù)可以有效克服持續(xù)采礦爆炸的弊端。它不僅提高了炸藥的有效利用率，而且控制了爆炸的破壞，降低了挖掘成本。將空氣間隔裝藥引入到礦山開挖的預裂爆破中,能夠形成更加理想的爆破開挖輪廓面,為礦山能夠安全、高效、經(jīng)濟地生產(chǎn)提供了新型的爆破開挖方法。將空氣間隔裝藥應用到預裂爆破中,國內(nèi)外學者都有一定的研究。Fourney、DSPreece、PalRoyP等國外學者在實驗室內(nèi)針對空氣間隔裝藥的破壞機理、空氣間隔方式等方面進行了深入地研究。在實驗室內(nèi)試驗的同時,也有專家學者將其引入到工程實踐中進行現(xiàn)場試驗。MonhantyB首次在礦山開采中引入空氣間隔裝藥的預裂爆破。隨后,Chironis和NicholasP也將空氣間隔裝藥技術(shù)運用在礦山開采的預裂爆破中。我國對空氣間隔裝藥預裂爆破技術(shù)的研究起步較晚,盧文波等在空氣間隔裝藥在輪廓爆破中的技術(shù)應用進行了研究?？苊魅仍谪Q井口的爆破開挖中對空氣間隔預裂爆破進行了應用研究。朱金福在公路邊坡開挖工程中應用了空氣間隔裝藥的預裂爆破技術(shù)。由于空氣間隔裝藥的預裂爆破技術(shù)應用越來越廣泛,其對巖體的損傷特性也得到了更加廣泛的關(guān)注與探討。結(jié)合河南省經(jīng)山寺露天鐵礦現(xiàn)場爆破試驗,通過分別對空氣間隔裝藥預裂爆破的空氣間隔段與裝藥段保留巖體的聲波速度檢測,對空氣間隔裝藥預裂爆破對巖體的開挖擾動進行定量分析,從而確定空氣間隔裝藥預裂爆破的部分損傷特性。1爆破損傷特征為了定量探討空氣間隔預裂爆破的損傷特性,此次現(xiàn)場試驗在位于河南省中部的經(jīng)山寺露天鐵礦礦山進行。鉆孔爆破炮孔布置如圖1所示,梯段高10m,孔徑140mm,炸藥采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥。試驗段炮孔有預留孔、緩沖孔及主爆孔?？諝忾g隔裝藥預裂爆破孔長約12m,炮孔傾角80°,由于不同炮孔間距對巖體損傷程度不同,為了比較不同布孔參數(shù)條件下預裂縫的成縫質(zhì)量,炮孔間距分別取12倍、15倍及18倍孔徑,距離前排緩沖孔3.0m,孔底裝藥,空氣層比例約為75%,堵塞長度1.2m。由于該礦山礦體狹小、夾層多、狀態(tài)復雜,在其賦存地質(zhì)條件并不理想的情況下,采用空氣間隔裝藥預裂爆破技術(shù),形成了較理想的開挖輪廓面,對保留巖體的損傷呈現(xiàn)以下特點。從現(xiàn)場觀察看,爆破過程中,爆炸荷載對后臺階保留巖體有較強的抬動與拉裂作用,導致爆破后保留巖體的結(jié)構(gòu)面張開發(fā)展,如圖2所示。同時,巖體爆破后,保留巖體的表層分布有不同密集程度的爆生裂隙,這些裂隙以張開拉裂為主要特征,分布沒有明顯的規(guī)律。在地質(zhì)條件較好、巖體均一性較強的區(qū)域,裂紋密度較低;在地質(zhì)條件較差的區(qū)域,裂紋密度偏大,且伴隨有巖體的破碎。其中,裝藥段的保留巖體裂隙明顯更多,且出現(xiàn)了較嚴重的粉碎區(qū),損傷破壞特征如圖3所示。以上通過對空氣間隔裝藥爆破開挖對巖體破壞的宏觀層面進行了損傷觀測分析,定性地得出了空氣間隔裝藥爆破開挖的部分損傷特性,現(xiàn)通過分別對兩部分保留巖體損傷范圍的聲波檢測試驗來進行定量分析。2聲波速度檢測和結(jié)果2.1波阻抗界面模型聲波速度檢測邊坡?lián)p傷的原理為:由超聲脈沖發(fā)射源向介質(zhì)發(fā)射高頻彈性脈沖波,并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在巖體內(nèi)傳播過程中表現(xiàn)的波動特性;當巖體內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時,缺陷面形成波阻抗界面,波到達該界面時,產(chǎn)生波的透射和反射,使接收到的透射波能量明顯降低;當巖體內(nèi)存在松散、裂隙、結(jié)構(gòu)面和孔洞等嚴重缺陷時,將產(chǎn)生波的散射和繞射;根據(jù)波的初至到達時刻、能量衰減特性、頻率變化以及波形畸變程度等特征,可獲得測區(qū)范圍內(nèi)介質(zhì)的縱波速度Vp(m/s)和密實度等參數(shù)。由于礦山巖體聲波檢測損傷評價的相關(guān)規(guī)范在修訂中,本次現(xiàn)場試驗聲波檢測主要依據(jù)水電工程中《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5389—2007)。2.2聲波檢測孔的設(shè)置本次現(xiàn)場試驗采用岳陽奧成科技有限公司生產(chǎn)的HX-SY02A型智能型非金屬聲波儀,換能器為40kHz單孔一發(fā)雙收換能器。在測孔內(nèi)按20cm的間隔進行聲波速度檢測。爆破后,分別在爆破孔空氣間隔段與裝藥段鉆設(shè)測試孔,測孔深入到邊坡輪廓內(nèi)約9m,孔徑90mm,測孔與水平方向成10°向下傾角的傾斜,以便檢測時注水耦合。根據(jù)測試目的,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集共設(shè)置3組,每組共兩個檢測孔,上部聲波檢測孔位于炮孔的空氣間隔段,下部聲波檢測孔位于炮孔的裝藥段,每組測孔水平間距約20m。聲波測孔的布置圖如圖4~圖6所示。為確保檢測成果的可靠性,聲波檢測前,對所采用的儀器設(shè)備按規(guī)范要求進行校驗,并對聲波儀和換能器系統(tǒng)的零延時進行測定;聲波測試過程中,按照0.2m的間隔進行讀數(shù);對每一測點應測讀兩次,取其平均值為讀數(shù)值;對異常測段和測點,必須讀數(shù)三次,讀數(shù)差不宜大于3%,以最接近的兩次測值平均值作為讀數(shù)值。為減小人工判讀的誤差,分別將兩個接收探頭設(shè)置40倍與80倍增益。具體聲波檢測步驟為:按連線圖連好設(shè)備,設(shè)置聲波儀參數(shù);將換能器置于檢測孔底部,向檢測孔注水至鉆孔孔口有水流出,關(guān)小鉆孔注水閥門,保持鉆孔孔口有水流出即可;操作聲波儀進行檢測、讀數(shù)并記錄;向上移動換能器0.2m到下一檢測位置;重復上述步驟。2.3巖體聲波速度分布圖7(a)~(c)分別給出了預裂爆破試驗區(qū)對應爆破開挖炮孔空氣間隔段與裝藥段的測孔聲波速度隨深度方向的分布情況,圖中實線為實測巖體聲波速度,虛線為所實測聲波速度分布的對數(shù)趨勢圖。3爆破開挖對巖體損傷的特征分析由于此礦山礦體較狹小且夾層加多,從6個聲波檢測孔的實測聲波速度分布看,此開挖面大部分測點的聲波速度分布在3200~4300m/s之間,其中聲波速度平均值低于3500m/s有1個測孔,為測孔B1;其余鉆孔的聲波速度平均值在3500~4500m/s之間。且由各孔聲波速度隨深度變化值及對數(shù)漸近線趨勢可以看出邊坡爆破開挖對巖體損傷破壞主要集中在表面2m左右。A1測孔處巖體較完整,損傷深度不明顯。另外,從圖中可以看出,裝藥段聲波測試孔的平均聲波速度較空氣間隔段的高,通過現(xiàn)場調(diào)查與咨詢,裝藥段的巖體更加靠近礦體,可能是含有幾個品位的極貧礦。由于表層巖體受爆破損傷影響,波速整體較深層的低,取測孔孔底到距洞口2m處聲波波速平均值衰減10%的幅度范圍為損傷區(qū),從6個聲波檢測孔的實測聲波速度分布看,邊坡爆破開挖對巖體損傷破壞主要集中在表面2.1m范圍內(nèi),具體數(shù)據(jù)如表1。由于檢測孔所處的巖體物理力學性質(zhì)的差異,使得不同檢測孔處巖體的損傷擾動區(qū)域有較大差異,如炮孔間距為2.5m的預裂爆破試驗段(對應檢測孔A組所在地),其空氣間隔段沒有明顯的損傷,而在其裝藥段的損傷深度也較其他炮孔的顯著偏小?？諝忾g隔裝藥爆破開挖時,空氣層的存在導致爆炸作用過程激發(fā)產(chǎn)生二次和后續(xù)系列加載、卸荷波的作用,延長了爆炸作用時間,降低了應力波峰值壓力。從聲波速度檢測數(shù)據(jù)來看,布置在空氣間隔段A1-C1測孔處的巖體損傷深度主要分布在表層巖體0.9~1.4m范圍內(nèi),而布置在裝藥段A2-C2測孔處的巖體損傷深度主要分布在表層巖體1.2~2.1m范圍內(nèi)?？傮w上,邊坡爆破開挖對剩余巖體的損傷主要集中在巖體表面2.1m范圍內(nèi),對深層巖體幾乎沒有損傷破壞作用。通過損傷范圍對比分析可知,裝藥段損傷范圍大于空氣間隔段的損傷范圍,大約大0.4~1.2m。4空氣間隔段損傷的施工技術(shù)通過爆破開挖后的邊坡巖體聲波速度測試試驗可知,由于開挖爆破的損傷擾動,巖體表層的聲波波速平均值較深層的偏小。以巖體平均波速下降10%為界線,分別測得裝藥段與空氣間隔段對巖體都有一定程度的損傷,且裝藥段相比于空氣間隔段的損傷范圍更廣,波速降低也更明顯,