不同位置空气间隔装药爆破对岩体破碎效果的影响研究

明　悦，胡浩川，周建敏

(贵州新联爆破工程集团有限公司，　贵州 贵阳　550002)



不同位置空气间隔装药爆破对岩体破碎效果的影响研究

明悦，胡浩川，周建敏

(贵州新联爆破工程集团有限公司，贵州 贵阳550002)

为研究不同位置空气间隔装药爆破对岩体破碎效果的影响，在贵州省某露天矿爆破施工现场，通过改变不同空气间隔装药位置来进行现场爆破试验。采用分析软件对爆破后的块度分布进行统计分析，结果表明，空气层置于炮孔中部时，其爆堆的破碎效果最优，不仅能够保证上部岩体的充分破碎，又能保证下部岩体不留根底，岩体的损伤效果最好。

空气间隔装药；块度分布；损伤范围；爆破效果

0　前　言

空气间隔装药是爆破工程技术人员在寻求经济、高效的工程爆破技术过程中开发的一种装药结构。尽管相比连续耦合装药其存在装药施工更为繁琐的缺点，但是由于空气间隔装药具备炸药单耗小、爆破破碎效果好的作用，一直受到国内外专家和学者们的重视和青睐。

近些年来，国内外专家、学者们对于空气间隔装药爆破都不乏理论分析、现场试验和数值模拟等方面的研究，对于该项爆破工程技术也积累了相当丰富的研究成果[1￣2]。但是目前对于不同空气层位置的选择，国内外学者持有不同的观点：Monxon和张迎吉等人[3￣4]通过现场试验研究得出空气层置于炮孔中部的爆破破碎效果要优于空气层置于其它位置；而池恩安和张楚灵[5￣6]等认为空气层置于底部的爆破效果则更好。

本文以贵州省某露天矿为爆破工程试验对象，将空气柱分别置于药包上部、中部、底部3个位置，并与连续爆破进行对比分析，研究其对岩体破碎效果的影响。并结合有限元LS-DYNA软件进行数值模拟，通过分析岩体的损伤范围，从而确定最佳的空气间隔位置。

1　现场爆破效果试验

1.1现场试验方案

在贵州某露天矿爆破现场，通过改变不同空气间隔装药位置来进行现场爆破试验，得到不同爆破条件下的岩体破碎效果。现场实验共分为4种不同工况：上部空气间隔装药爆破、中部空气间隔装药爆破、底部空气间隔装药爆破和连续装药爆破，其装药结构如图1所示。

上述4种工况下爆破的主要参数为：炮孔直径165 mm，台阶高度15 m，孔深16.5 m，超深1.5 m，空气层高度2 m，填塞长度4.5 m，孔距为6 m，排距为5 m，单孔药量为168 kg。

1.2爆破块度结果分析

每次现场爆破后拍摄爆堆，通过Split-Desktop 3.0软件分析爆堆的块度分布来表征爆破破碎效果。不同位置空气间隔装药爆破和连续装药爆破的块度分布结果统计于表1，根据分析结果绘制不同工况条件下爆破块度分布变化情况如图2所示。

根据表1和图2结果可知：

(1) 分析爆堆平均块度分布发现：连续装药爆破爆堆的平均块度最大，为45.63 cm，上部、中部和底部空气间隔装药爆破的平均块度分别为38.42 cm、24.43 cm和27.28 cm。

(2) 分析爆堆最大块度分布发现：连续装药爆破爆堆的最大块度最大，为109.38 cm，中部空气间隔装药爆破的最大块度最小，为70.16 cm。从爆堆平均块度分布及最大块度分布情况看，中部空气间隔装药爆破的破碎效果最优。

2　数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同位置空气间隔装药爆破进行数值模拟，结合工程实际情况，模拟不同空气间隔条件下岩体的损伤特性，以期为实际工程提供参考。

图1　不同位置空气间隔装药和耦合装药结构

图2　不同工况条件下爆破块度分布变化情况

2.1模型建立

本次模拟采用三维网格来模拟爆破的流固耦合问题，为了减少计算量，在建模过程中采用过渡网格模式，炮孔附近网格较密，逐渐过渡到较大的网格。4种不同工况的计算过程均设置为炸药底部起爆。模型底部、两侧及后侧均定义为无反射边界，模型其它界面定义为自由边界。

2.2材料模型与状态方程

(1) 岩体材料模型。在本次模拟过程中，采用JHC模型来模拟岩石，该材料能较好的模拟出脆性材料在高温、高压、大应变率等条件下的受力状态。

(2) 爆轰波和气体。采用高能炸药模型以及JWL状态方程[7]模拟炸药产生的爆轰波。JWL状态方程为：

(1)

式中,E为内能， Pa；A，B，w，R1，R2为炸药特征参数，一般为常数；V为炸药相对体积。炸药材料参数如表2所示。

表2　炸药材料参数

2.3岩体损伤特性结果分析

通过数值模拟计算，得到不同位置空气间隔装药结构下岩体的最终损伤范围，如图3所示。

图3不同装药结构爆破岩体的损伤范围情况

根据图3可知：

(1) 在其他爆破参数一致的条件下，连续装药时岩体的损伤范围最大。

(2) 采用底部空气间隔时，可以看到由于空气层的存在，使得台阶底部的岩体受损范围较小，容易产生根底。而采用顶部空气间隔装药时，台阶底部岩体损伤范围较底部空气间隔装药大，同时堵塞段岩体的损伤范围比底部间隔装药要小，容易导致孔口处产生大块。

(3) 对于中部空气间隔装药，其在炮孔顶部和底部都有合适的损伤范围，既保证了上部岩体的充分破碎，又保证了下部岩体不留根底，而中间部分的岩体也能被破坏，就破碎效果来说，中间空气间隔装药效果最好。

3　结　论

为研究不同位置空气间隔装药爆破对岩体破碎效果的影响，在贵州某露天矿进行现场试验，采用Split-Desktop 3.0分析软件及LS-DYNA数值模拟方法，对连续装药及不同位置空气间隔装药爆破的破碎效果和损伤范围进行研究，得到以下结论：

(1) 现场试验结果表明，炮孔中部空气间隔装药爆破的平均块度及最大块度尺寸均为最小，取得了最好的爆破破碎效果。

(2) 数值模拟结果表明，当采用中部空气间隔装药爆破时，岩体的损伤效果最好。既保证了上部岩体的充分破碎，又保证了下部岩体不留根底，而中间部分的岩体也能被破坏。

[1]吴亮,朱红兵,卢文波.空气间隔装药爆破研究现状与探讨[J].工程爆破,2009,15(1):16￣19．

[2]吴亮,位敏,钟冬望,等.空气间隔装药爆破动态应力场特性研究[J].爆破,2009,26(4):17￣21.

[3]Monxon N T, Mead D, Richardson S B. Air-decked blasting techniques:Some collaborative experiments.Transactions of the Institution of Mining & Metallurgy[J].Section A:Mining Industry,1993(102):25￣30.

[4]张迎吉,周建敏,徐文文,等.不同位置空气间隔装药爆破减振和破碎效果试验[J].工程爆破,2015,21(1):15￣19．

[5]池恩安,梁开水,赵明生.孔底空气间隔装药降震试验研究[J].煤炭学报,2012(06).

[6]张楚灵,姜建明,黄铁平.云浮硫铁矿底部间隔装药技术的应用[J].采矿技术,2001,1(2):64￣65.[7]康强.空气间隔装药爆破数值模拟及试验研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

2016￣02￣17)

明悦(1975-),男,高级工程师,主要从事爆破工程方向的研究，Email：602574716@qq.com。