不同结构切缝药包爆炸效应试验研究*

杨仁树曹文俊，2高祥涛

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山区，102471）

不同结构切缝药包爆炸效应试验研究*

杨仁树1曹文俊1，2高祥涛1

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山区，102471）

矿山掘进中，合理的切缝药包结构参数对定向断裂爆破技术有非常重要的作用。介绍了开展铅柱中切缝药包爆破试验，运用正交设计法对切缝管材质、壁厚、切缝宽度、切缝长度以及切缝药包在炮孔中的不耦合系数进行优化，确定切缝管工业化生产合理的结构参数，并通过殉爆测试验证了切缝方向的定向效果。现场试验表明，切缝药包定向断裂效果显著，巷道周边爆破的半眼痕率都在90%以上，大幅度减少超挖现象，提高了掘进速度。

定向爆破 切缝药包 药包结构 不耦合系数 爆炸效应

目前，我国岩巷掘进施工中钻爆法仍然是主要的施工方法。岩巷周边广泛采用光面爆破技术，但由于光面爆破机理和光面爆破参数尚不能有效地指导实践，加之光爆材料、光爆技术等因素的限制，至今仍普遍存在超挖、欠挖，围岩松动破坏严重的现象，特别在软岩掘进中尤为突出。

早在20世纪70年代就提出使用轴向切缝的管状药包在岩体中形成定向裂缝的方法。杨永琦等认为，不耦合系数k的合理取值范围为1.33＜k＜1.7，当不耦合值一定时应变峰值随比例距离增加而衰减。张志呈等分析了圆形炮孔爆破的成缝机理，得出在耦合装药条件下，爆生气体使裂纹增长2～6倍可达到炮孔半径的10～20倍。李彦涛认为，在切缝处会产生强应力集中，应力强度因子最大，在相同条件下切缝药包爆破可增大炮孔间距和提高孔痕率。张奇等研究得出在外壳厚度等条件一定的情况下，当外壳外径为32 mm，切缝宽4 mm时爆破效果最佳。王树仁等指出，影响裂纹定向扩展的主要参数是切缝宽度和外壳厚度，得出了切缝宽度对裂缝长度和宽度的影响规律。戴俊、高全臣、付永春等也对切缝宽度和切缝外壳厚度做了大量的研究工作。

切缝药包定向断裂爆破效果显著，合理的切缝药包结构参数起了非常重要的作用，目前可以查阅到很多切缝管结构参数的研究文献，但是不够系统。本文运用正交设计法对切缝管结构参数进行优化，开展切缝药包铅柱中爆破试验，根据试验结果的极差分析影响切缝药包爆破的主要因素，找出切缝管工业化生产合理的结构参数。

1　切缝药包结构参数正交试验

正交试验设计法是统计数学的重要分支，充分利用标准化的正交表来安排试验方案，并对试验结果进行分析，最终达到减少试验次数，缩短试验周期、迅速找到优化方案的一种科学计算方法。切缝药包影响因子从两个方面考虑，一是切缝药包本身的结构，包括切缝管材质、壁厚、切缝宽度以及切缝长度；二是切缝药包在炮孔中的不耦合系数。具体切缝药包影响因子及水平见表1。

表1　切缝药包影响因子及水平

表1列有5因素4水平，选择L16（45）正交表。切缝宽度选用2 mm、3 mm、4 mm和5 mm；壁厚选用1 mm、2 mm、2.5 mm和3 mm；切缝长度选用200 mm、180 mm、150 mm和100 mm；材质选用PP材料、铁管、PVC材料、纸质4种材质；不耦合系数选用1、1.5、1.75、2。具体切缝药包正交表如表2所示。

表2　不同结构切缝药包试验设置

表2每一个横行代表一个试验方案，共16组试验。共定制32个铅柱，选择铅柱的原因是铅材质各向均一，爆炸波在铅柱中传播规律性强，能够如实反映不同结构切缝药包的爆炸效果。不同材质、切缝宽度、壁厚、切缝长度的切缝管和铅柱如图1所示。铅柱尺寸为ø250 mm×320 mm。每个试验所用药包遵从正交表尺寸要求制作。将切缝药包放置于铅柱炮孔中，为确保轴向不耦合，在药包径向套一个环形硬纸壳以固定切缝药包在炮孔中的位置。每个药包用一发8号雷管起爆，每个炮孔用细砂加502胶水进行堵塞密实。为防止堵塞的细砂填充炮孔壁的不耦合空间，在药包顶端加一个中间开有6 mm圆孔的圆形纸板。

图1　正交试验设计用切缝药包与铅柱

2　正交试验结果与分析

铅柱中切缝药包爆破试验后结果见图2。

图2　铅柱爆后剖面图

检验炸药作功能力的一个标准方法就是铅柱扩孔法，炸药置铅柱炮孔内，爆后用水填充其膨胀体积，用此参数来衡量炸药作功能力。由于方案中随不耦合系数变化，各铅柱炮孔直径预制的大小不同，用填充水含量来衡量切缝处的做功能力不具有可比性。因此需定义一个比例因子衡量切缝药包做功能力，比例因子的计算如下:

式中:δ——比例因子；

a——爆后切缝方向铅柱外径，mm；

b——爆后垂直切缝方向铅柱外径，mm。

铅柱爆破试验结果以衡量切缝药包切缝方向做功能力的比例因子为考察指标。切缝药包爆破后，用游标卡尺量取a和b的值，由式（1）得到δ填入正交表中。

切缝宽度、壁厚、切缝长度、切缝管材质和不耦合系数各因数对爆破效果的影响试验结果，如图3所示。

图3（a）显示切缝宽度并不是越大越好，存在一个极限值，当超过此极限值，爆破效果反而下降。

图3（b）显示切缝管壁厚对爆破效果呈递增趋势，壁厚越大，爆破效果越好，壁厚从1 mm向2.5 mm变化过程中，爆破效果变化明显，当壁厚继续增大时，δ值增幅趋缓。

图3（c）为切缝长度对爆破效果的影响，在所研究的各因素中，为影响因素最小的。这有可能是由于切缝药包在爆炸的瞬间，高爆轰压力在切缝处产生的高应力集中对轴向切缝快速扩展。可能与炸药爆速有密切关系，爆速越高，切缝长度影响越小，因为爆速决定了炸药的猛度，高爆速对切缝管切缝处的局部破坏能力强，切缝长度的影响就小。

图3（d）为切缝管材质对爆破效果的影响，这是影响切缝药包爆破效果最主要的影响因素，图中显示，铁管爆破效果最好，纸管爆破效果最差，PP和PVC材质对爆破效果影响大抵相当。铁管约束能力强，铁管的特征阻抗大于炸药的特征阻抗，在切缝处产生的应力集中程度强，同时铁管能够稳定爆轰波的传播，阻碍侧向稀疏波对轴向爆轰波传爆的削弱，提高了切缝药包的爆轰速度，从而增大了切缝处的爆轰压力。铁管还能够对爆生气体的径向膨胀起到一定的限制作用，使得爆生气体在装药空间内保留的时间相对延长，从而延长了爆生气体对孔壁的作用时间。

图3（e）为不耦合系数对爆破效果的影响，完全耦合装药条件下，无论切缝管结构如何变化，由于爆生气体在切缝处没有足够的空间和时间对炮孔壁优先作用，定向爆破效果不甚明显，随着不耦合系数的增大，定向爆破效果显著。

图3　切缝药包各参数效应曲线图

由图3可以看出，各影响因素中使得比例因子值最大的为最优，因此最佳方案应为A3B4C1D2E4，也就是切缝宽度为4 mm，壁厚为3 mm，材质为铁管，切缝长度为200 mm时，在不耦合系数为2.0的条件下，定向断裂爆破效果最佳。这个参数可以作为工业化生产合理的结构参数，但综合考虑各方面的因素，能够满足工程需求、所选材质来源广泛、价格合理、现场操作方便，最终选择了PP材质代替铁管的切缝管用于现场试验。

3　优化后切缝药包殉爆距离测试

炸药的殉爆是衡量炸药爆轰性能非常重要的参数之一。炸药的殉爆是由殉爆距离来表征的。切缝药包由于其特殊的装药结构，其殉爆距离的测试至今没有文献报道。共设置了5种放置方式的PP材质切缝药包进行殉爆试验，5种放置方式见图4、不同殉爆距离d的测试结果见表3。

图4（a）型为轴向切缝药包殉爆距离最小为8 cm，原因是主发装药爆轰波阵面与被发装药接触面积小所致。

图4（b）、图4（c）、图4（d）、图4（e）型均为侧向殉爆，图4（b）型为切缝方向对切缝方向，是所有殉爆距离中最大的，这是由于切缝管切缝方向的能量集中所致。

表3　殉爆距离测试结果

图4（c）垂直切缝方向平行放置是侧向殉爆距离中最小的，这是由于两个方面的原因，一是炸药爆轰波优先从切缝处释放，造成能量在垂直切缝方向减弱，从而殉爆距离变小，二是由于垂直切缝方向有一定厚度的切缝管材质间隔，也能造成殉爆距离的减少。

图4（d）和图4（e）的差别主要在于主发装药的确定，但是两者的殉爆距离差别很大，图4（d）型是以切缝方向的装药为主发装药殉爆一定距离处相对应的垂直切缝方向的被发装药，其距离比图4（e）的要大，这也充分说明了切缝方向的定向效果。需要说明的是殉爆距离受很多因素影响，如炸药种类的不同，同一种装药密度的变化等因素都会造成殉爆距离的变化。

图4　殉爆试验切缝管位置图

4　现场应用

定型生产的切缝药包在京煤集团大台煤矿、长沟峪煤矿进行了初步应用，并与传统的光面爆破效果进行了对比，效果非常明显。图5为两个煤矿中切缝药包爆破后岩巷周边成型效果。

图5　切缝药包爆破后岩巷周边成型效果图

岩巷周边炮孔采用切缝药包的定向断裂爆破技术与传统的光面爆破技术相比，在两个指标上具有更好的效果。

（1）技术指标。采用切缝定向断裂控制爆破技术后，炮眼数减少，周边眼由原来的26个减少到15个，整个断面炮眼数由原来的65个减少到50个；节省炸药、雷管用量，每循环比原来节省炸药5.51 kg，节省雷管15个；周边半眼痕率大大提高，半眼痕率可达90%以上，半眼痕长度可达1.2～1.4 m，为炮孔长度的80%以上；严格控制周边超欠挖量，周边超欠挖量由原来的200 mm左右控制到50 mm以内；巷道围岩的破坏程度大大降低，从而降低了巷道的支护难度。

（2）经济指标。矿山煤矿巷道每进尺90 m，炸药费用节省6900元，雷管费用节省1656元，喷料费用节省15900元，排矸及钎头费用节省1500元。以上4项共计25956元，节约费用平均为288.4元/m。

5　结论

（1）根据工业炸药爆轰理论，运用正交设计法确定了切缝管结构，该结构能够实现切缝药包可靠传爆、稳定爆轰。切缝药包结构参数优化设计为切缝药包定型生产打下了良好的基础。

（2）切缝药包现场应用定向断裂效果显著，巷道周边爆破的半眼痕率都参考文献：

在90%以上，大幅度减少超挖现象，巷道成型质量大大改观，实现了理论成果技术化，技术成果产品化。

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［5］ 张玉明，张奇，白春华.切缝药包成缝机理及参数优化［J］.煤炭科学技术，2001（12）

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［10］ 宋俊生，杨永琦，曾康生.岩巷切缝药包定向断裂爆破技术研究［J］.煤矿设计，1997（11）

［11］ 徐仲安，王天保，李常英等.正交试验设计法简介［J］.科技情报开发与经济，2002（5）

Experimental study on explosion effect of slotted cartridge with different structure

Yang Renshu1，Cao Wenjun1，2，Gao Xiangtao1
（1.School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Beijing Jingmei Chemical Industry Co.，Ltd.，Fangshan，Beijing 102471，China）

The reasonable structure parameters of slotted cartridge played a very important role in orientation fracture blasting technology in mine tunnelling.The slotted cartridge blasting tests in lead blocks were carried out.By the orthogonal design method，the slotted pipe material，pipe wall thickness，slot width，slot length and decouple coefficient of slotted cartridge in blasthole were optimized，the slotted pipe's reasonable structure parameters for the industrial production were determined.Then the orientation effect of slot direction was verified by induced detonation tests.Field tests showed that the directional fracture effects of slotted cartridge were remarkable，and the rates of half-hole marks of blasting around roadway were above 90%，which reduced sharply the over excavation phenomenon and increased the tunnelling speed.

directional blasting，slotted cartridge，structure of cartridge，decouple coefficient，explosion effect

TD235

A

杨仁树（1963-），男，安徽和县人，教授，博士生导师。

（责任编辑 张毅玲）

国家自然科学基金重点项目（51134025）；高等学校博士学科点专项科研基金（20110023110018）