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岩石定向断裂控制爆破原理与参数研究

来源：哗拓教育

　　　　　　　　　　爆　破　器　材　・24・ExplosiveMaterials　　　　　　　　　　第29卷第6期

岩石定向断裂控制爆破原理与参数研究

杨永琦①　戴　俊①　单仁亮①　刘喜忠②

①中国矿业大学北京校区(北京,100083)　②鹤岗矿务局(黑龙江,154100)

[摘　要]　文章依据断裂力学理论,论述岩石定向断裂控制爆破炮孔间贯通裂纹形成的原理;分析岩石中固有裂纹大小对炮孔装药量和炮孔间距的影响;同是提出爆破参数的设计原则和方法。[关键词]　岩石爆破　定向断裂　控制爆破　爆破参数[分类号]　TD236.3

1　引言

岩石定向断裂控制爆破是在传统光面爆破的基础上发展起来的。传统光面爆破采用不偶合装药或空气柱间隔装药,降低炸药爆炸对炮孔壁的作用,避免在炮孔壁岩石中形成压碎区,实现爆后岩石的光面[1,2]。但是,这种方法不能避免在孔壁周围岩石中产生随机　　所以,当墙基厚度为1.1m时,则

′W=1.1󰃗2+0.3=0.85m孔距a=W′=0.85m

　　孔深L=0.7H=0.7×1.5=1.05cm

取L=1.1m。

单耗K=300g・m-3单孔药量q=KaW′H=300×0.85×0.85×1.5=325g

分为二层装药:q底=260g,q上=65g;孔口堵塞长度:L堵=0.55m。墙基一次爆破8～10个孔,爆破完毕由挖掘机一次性清碴。4　爆破安全和爆破效果

的径向裂纹,因而,在裂隙发育岩层条件下,往往不能获得良好的光面爆破效果。岩石定向断裂控制爆破在应用传统光面爆破装药结构的同时,进一步采取措施在炮孔连心面方向上或者降低岩石的抗破坏能力,或者增强炮孔装药爆炸作用力的方向性,从而使裂纹在该方向上优先起裂、扩展、贯通,达到提高　　采用墙体分割爆破和墙基挤压爆破,有效地控制了爆破规模,墙体一次爆破孔数在8～20个,药量不超过1kg,墙基一次爆破8～10个孔,药量在3kg左右。一次爆破范围的减少,为加强覆盖创造了条件,采用宽1m、厚0.015m的运输皮带进行3层覆盖,既防止了飞石,又减少了爆破噪声,顺利完成了爆破任务。

参考文献

1　冯叔瑜等.城市控制爆破.北京:中国铁道出版

社,1987.111～112

2　郭学彬等.基础拆除挤压控制爆破.爆破器材,

1999,28(6):11～12

DemolishingofAir-RaidShelterby

BlastingundertheSpecialEnvironment

XiaoZhengxue,GuoXuebin,LinXiuying,ZhouJiayu(SouthwestInstitufeofTechnology,Sichuan621002)

[ABSTRACT]　Becausethewallandbottomoftheair2raidshelterareofthin2walledshellstruc2tureanditsshallowboreholeandlittleplugused,Theharmfuleffectofairblastandnoise,etc.

.Here,themethodofseparateblastingformightberatherseriousintheordinaryblastingprocess

wallandextrudedblastingforbottonareintroducedandtheharmfuleffectofblastingiscarefully

.controlledtotheadjacentbuildings

[KEYWORDS]　separateblasting,extrudedblasting,blastingnoise,thin2walledshellstructure

2000年12月　　　　　　　　　岩石定向断裂控制爆破原理与参数研究　杨永琦等　　　　　　　　　・25・

光爆效果的目的[2]。

　　采用岩石定向断裂控制爆破,可以有效地减少炮孔壁周围岩石非孔间连线方向径向裂纹的起裂,从而减小爆破对围岩稳定性的破坏,有利于减小超挖,提高爆后炮孔眼痕率。在裂隙发育岩层中采用这一技术,能够实现光爆效果的明显提高,产生良好的经济效益和社会效益。

　　90年代初,我国开始研究采用岩石定向断裂控制爆破技术。王树仁[3]、杨永琦[4]、杨仁树[5]等分别利用动光弹、动云纹和动焦散方法,对岩石定向断裂控制爆破的裂纹控制、定向断裂炮孔周围岩石中的应力应变分布、以及多种定向断裂方法的优选进行了研究,有力地促进了这一技术在我国岩巷施工中的推广应用。然而,目前尚缺少从断裂力学角度对岩石定向断裂控制爆破原理和岩石中固有裂纹对爆破参数影响的深入研究成果。为此,本文就此问题进行探讨。

2　岩石定向断裂控制爆破原理　　岩石爆破中,实现定向断裂控制爆破的方法有多种[2]。实质上,它们实现岩石定向断裂,在光爆炮孔间形成贯通裂纹的过程是相同的。这一过程由定向裂纹的形成和定向裂纹扩展贯通两阶段组成。

但是,不同岩石定向断裂控制爆破方法形成定向裂纹的手段却不相同,倍受人们关注的三种方法是:机械方法形成定向裂纹;炸药爆炸聚能流破坏炮孔壁岩石,形成定向裂纹和炸药爆炸对炮孔壁岩石局部加压,使岩石产生塑性滑移,形成定向裂纹。如图1所示。

岩石是天然的工程地质体,除大的断层、层理等明显弱面外,其内部还含有长短不等,随机分布的细小裂纹。当爆破炮孔钻进完成后,孔壁岩石中必存在这种细小裂纹。根据断

[6～8]

裂力学理论,如果炮孔内载荷达到一定强度,这些细小裂纹将起裂、扩展。引起裂纹起裂、扩展的炮孔内载荷值与这些裂纹的长度有关,裂纹的长度越大,使其起裂、扩展所需炮孔内载荷值越小。因此,实现光面爆破中岩石定向断裂的基本要求是形成的定向裂纹必须达到一定的长度,必须明显大于岩石中固有的细小裂纹长度,应达到岩石中随机细小裂纹长度的10～20倍。目前,各种方法形成的定向裂纹长度,大都在1.0cm～1.5cm之间,能够很好满足岩石光爆定向断裂的要求。

在定向裂纹形成后,它的长度明显大于炮孔壁周围岩石中固有的随机细小裂纹长度。因此,通过控制炮孔装药量和调整炮孔内的装药结构,使炮孔内维持一定的准静态压力值,能够使定向裂纹稳定扩展,不致出现裂纹分叉,同时也不引起炮孔壁周围岩石中的固有细小裂纹起裂扩展,从而实现仅在光爆炮孔间连线方向上产生贯通裂纹,最有效地保护围岩,减少爆后超欠挖,实现爆后良好的光面效果。

图1　岩石定向断裂控制爆破中定向裂纹的形成

(a)机械方法形成定向裂纹;(b)爆炸聚能流形成定向裂纹;(c)局部受压形成定向裂纹

　　　　　　　　　　爆　破　器　材　・26・ExplosiveMaterials　　　　　　　　　　第29卷第6期

　　岩石定向断裂控制爆破获得良好光爆效果的技术关键,是产生一定长度的定向裂纹和有效控制炮孔内合理的准静态压力值。定向裂纹的形成与利用,是岩石定向断裂控制爆破应用于裂隙发育岩层能够获得较好光爆效果的保证,也是岩石定向断裂控制爆破与传统光面爆破的根本区别所在。岩石定向断裂控制爆破炮孔间贯通裂纹形成的机理不同于传统的光面爆破,其爆破参数与岩石中的随机细小裂纹长度密切相关。

3　岩石固有裂纹对爆破参数的影响3.1　炮孔装药量

图2所示为具有一组定向裂纹和一组岩石中固有随机裂纹的炮孔,忽略裂纹组之间的相互影响,在孔内炸药爆炸准静态压力P的作用下,随机裂纹尖端的应力强度因子为[6]

KI=P　　Θ—炮孔装药密度,kg・m-3;0—

　　D——炸药的爆速,m・s-1;

　　Vb——炮孔体积,m3,Vb=Πdbl󰃗4;　　　l——炮孔长度;　　db——炮孔直径;

　　Vc——炮孔装药体积,m3,Vc=Πdclle;　　dc——装药直径,m;　　le——炮孔装药系数。

这里计算P的式(2)与文献[1]、[2]有所不同,笔者认为这里的计算式更具有合理性。如果

(3)KI>KIC式中　KIC——岩石的断裂韧度,MN・

-3󰃗2

。m

则炮孔周围岩石中的定向裂纹和随机裂纹都起裂扩展,但岩石定向断裂控制爆破要求,仅让定向裂纹扩展,而随机裂纹不能起裂。利用式(1)～(3),有炮孔内准静态压力与其能起裂炮孔周围岩石裂纹最小长度的关系:

Πaf(a󰃗r)(1)

其中12P=Θ0D812=Θ0D

VbVc

-6db3

(2)le

式中　KI——I型裂纹尖端的应力强度因

-3

(4)

()Πafa󰃗r

由式(4)知,如果使炮孔内的准静态压力P能

KIC　　　　　　P　　　a　　　rf(a󰃗r)2

　子,MN󰃖m-3󰃗;

——炮孔中的准静态压力,MPa;——炮孔周围随机裂纹长度,m;——炮孔半径,m;

——形状因子,由表1给出;

起裂的最小裂纹长度大于炮孔壁周围岩石中的最大随机裂纹长度,便能实现对岩石断裂方向的有效控制,达到提高光爆效果的目的。

　　目前,由于不同研究者取得的岩石断裂韧度存在较大的差值,可应用性较差;而岩石的抗拉强度较易查得,且不同来源的数值相差不大。因此,本文根据长江水电科学院的试验研究,进行量纲换算后,得到断裂韧度与单轴抗压强度之间的式(5)所示关系,依此可确定岩石的断裂韧度。

1.15

(5)KIC=0.141Rt

式中　Rt——岩石的单轴抗压强度,MPa;

由于式(4)中f(a󰃗r)的解析式未知,不易看出P随a变化的情况。为此,这里对常见的岩石,大理岩、石灰岩、砂岩和页岩,根据文

1.01.38

1.51.26

2.01.20

3.01.13

5.01.06

10.01.03

图2　带有裂纹装药炮孔示意图

表1　f(a󰃗r)随a󰃗r的变化值

a󰃗rf(a󰃗r)

0.11.98

0.21.83

0.31.70

0.41.61

0.51.57

0.60.52

0.81.43∞1.0

2000年12月　　　　　　　　　岩石定向断裂控制爆破原理与参数研究　杨永琦等　　　　　　　　　・27・

献[7]选取它们的单轴抗压强度Rt分别为:13.5MPa,15.0MPa,10.0MPa和6.0

(5)得到不同岩石中炮孔准MPa,利用式(4)、

静态压力随炮孔壁起裂裂纹最小长度变化而变化的关系,图3所示。由此看出:炮孔壁周围的裂纹越长,起裂它们所需的炮孔准静态压力值越低。

围的随机裂纹起裂、扩展。3.2　炮孔间距

当定向裂纹起裂扩展后,一方面,由于裂纹长度的增长,裂纹尖端的应力强度因子增大;另一方面,随着定向裂纹的扩展,由于炮泥向外运动,炮孔向外膨胀,新增裂纹体积等,炸药爆炸产物绝热膨胀,炮孔内准静态压力下降,裂纹尖端的应力强度因子降低。当这两种因素综合作用后的裂纹尖端应力强度因子不能满足式(3)时,裂纹止裂。由此可以确定岩石定向断裂控制爆破的炮孔间距。

定向裂纹扩展过程中,裂纹尖端的应力强度因子可以表示为[8]

KI=2Pr1-5ra

2-(Πa)

(8)

令KI=KIC,经推导,有图3　炮孔准静压力与孔壁起裂裂纹长度的关系-大理石;󰃛石灰岩;▲砂岩;●页岩Aa2-

(a2-2

r)=0(9)

其中

Π∗IC(10)

2Pr

式(9)是关于a的5󰃗2次方程,数值求解式(9)、(10),可得a值。进一步,即得

(11)S=2a

式中　S——炮孔间距,m。

由式(8)得知,裂纹尖端的应力强度因子KI与炮孔中的初始准静态压力P呈正比。因此,对同种岩石在裂隙发育或破碎条件下实施岩石定向断裂爆破,因P取较小值,因而炮孔间距S也取较小值;而在完整性较好的岩石条件下,因P取较大值,因而炮孔间距S取较大值。

岩石定向断裂控制爆破,首先形成定向裂纹,而后利用定向裂纹长度明显大于岩石中固有随机细小裂纹长度的特点,根据岩石性质控制炮孔内适当的准静态压力值,使定向裂纹稳定扩展,而岩石中的随机细小裂纹不起裂,达到既有效保护围岩,又最大限度减少炮孔数量,进而获得良好的爆后光面效果和爆破经济效率。4　结束语

　　(1)岩石定向断裂控制爆破的优点是:

　　因而认为,在实施岩石定向断裂控制爆破时,对岩石完整性好,炮孔壁周围岩石中存在的裂纹数量、长度小,炮孔装药量可取较大值(相对裂隙发育岩石),以获得炮孔内较大的准静态压力值,以利于增大炮孔间距,减少炮孔数量;而对裂隙发育或破碎岩石,炮孔壁周围岩石中存在的裂纹数量、长度往往较大,为保证仅在定向断裂方向产生裂纹,减少爆破对围岩的损伤,必须减小炮孔装药量,达到较低的炮孔准静态压力值。

不同岩石中,炮孔壁周围存在的随机裂纹长度不等。利用式(4)和式(2)得到岩石定向断裂控制爆破的炮孔装药量计算式(6)

2ΘΠamf(am󰃗r)0DΠ2

(7)q=dcΘ0lel

(7)中　am——炮孔壁周围岩石中存式(6)、

　　　　　　　　在的随机裂纹长度的

　　最大值,m;

　　　　　　　q——炮孔装药量,kg。

由此确定的装药量能保证定向裂纹稳定扩展到较大长度,同时又不会使裂炮孔壁周

le=

8KIC13

dbdc

　　　　　　　　　　爆　破　器　材　・28・ExplosiveMaterials　　　　　　　　　　第29卷第6期

邻近新浇混凝土部位的岩石开挖爆破震动控制

卢文波①　张建敏②　朱传云①　舒大强①

①武汉水利电力大学(武汉,430072)　②中国水利水电第十一工程局(河南,472000)

[摘　要]　文章主要介绍三峡工程永久船闸中六输水洞的开挖爆破对邻近的南六、北六闸首新浇混凝土影响的震动控制情况,并对爆破震动监测、成果分析及信息反馈等问题作了讨论。[关键词]　三峡工程　新浇混凝土　爆破震动　控制[分类号]　TV542,O384

1　概述

为了加快施工进度,三峡工程永久船闸

中六输水洞的爆破开挖与邻近的南五、北五闸室及南六、北六闸首的混凝土浇筑间有一1　杨永琦.矿山爆破技术与安全.北京:煤炭工业用于裂隙发育岩石中,能够有效地保护围岩,

出版社,1991.231～308减少超挖,提高炮孔眼痕率;用于完整性较好

2　王廷武.刘清泉.杨永琦等.地下与地面工程控的岩石中,能够增大炮孔间距,减少炮孔数制爆破.北京:煤炭工业出版社,1990.144～235

量,提高爆破效率。

3　王树仁.魏有志.岩石爆破中断裂控制的研究.

　　(2)岩石定向断裂控制爆破的技术要点中国矿业大学学报,1985,14(3):113～120

是:首先形成一定长度的定向裂纹,而后利用4　YangYongqi,GaoQuanchen,YuMusonget定向裂纹长度明显大于岩石中的固有随机细.ExperialmentalStudyofMechanismand小裂纹长度的特点,确定合理的装药量和炮TechnologyofDirectedCrackBlasting.Joumal孔间距,使炮孔周边裂纹仅在定向方向稳定ofChinaUniversityofMining&Technology,

1995,5(2):69～77扩展,并有效抑制其它方向裂纹的起裂,从而

5　杨仁树,宋俊生,杨永琦.切槽爆破机理模型试验实现爆后炮孔间光滑的壁面。

研究.煤炭学报,1995,20(2):197～199(3)在裂隙发育岩石中实施岩石定向断

6　刘再华,解德,王元汉.工程断裂动力学.武汉:

裂控制爆破,炮孔装药量和炮孔间距应取较

华中理工大学出版社,1996.64～66

小值,阻止岩石中随机细小裂纹起裂,这有利

7　王文龙.钻眼爆破.北京:煤炭工业出版社,

于保护围岩;而在完整性较好的岩石中,炮孔

1984.318

装药量和炮孔间距则应取较大值,以减少炮8　朱瑞赓,李新,陆文兴.控制爆破的断裂控制与孔数量,提高爆破效率。参数设计.爆炸与冲击,1994,14(4):314～317

参考文献

AStudyontheMechanismofDirectional

SplitofRockbyControlledBlastingandItsParameters

YangYongqi,DaiJun,ShanRenliang

BeijingCampusofChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing,100083)

LiuXizhong

HegangBureauofMiningAdministration(HeiLongjiang,154100)

[ABSTRACT]　Basedonthetheoryoffracturemechanics,themechanismofcrack2forminga2mongshotholesinthedirectionalsplitofrockbycontrolledblastingisexpunded.Theeffectofthelengthofexistedcrackinrockontheexplosivechargeandholespacingisanalyzedandthedesignprincipleandmethodforblastingparametersarealsosuggested.

[KEYWORDS]　rockblasting,directionsplitting,controlledblasting,blastingparaΞ国家电力公司学科建设资助项目(合同号:SPKJ016202)。

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