洪 泳,马宏昊,2,沈兆武,任丽杰,崔 宇,赵 凯
(1.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,安徽 合肥 230026;2. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽 合肥 230026)
随着机械行业的发展,许多爆破过程都可以采用机械手段代替。Jimeno等[1]、Langefors等[2]、Ramezanzadeh等[3]认为,在岩巷掘进中,特别是硬岩条件下的岩石开挖中,钻爆施工依然是最主要,最有效的方法。传统爆破方式主要使用压应力对岩石进行初始破坏,由于岩石的动态抗压强度较高,导致爆破用药量大,对周边环境产生较大的振动,危害周边结构,降低了围岩的稳定性[4];而大药量又会产生超挖现象,给后续爆破工作带来不便,增加清理时间与额外支出。目前岩石巷道多数采用浅孔小循环钻爆掘进方式,炮孔利用率低,循环进尺慢。针对这种现状,学者们也提出了许多提高爆破效率的方法。Mohanty[5]最先提出在装药孔间设置空孔来达到控制爆破裂纹扩展的方向,并随后通过实验和现场测试进行了证明。刘优平等[6]对含空孔掏槽爆破中的空孔作用进行了研究,从理论上得出了空孔的应力集中效应,并通过现场对比实验证明,适当加大空孔孔径是提高巷道爆破掘进循环进尺行之有效的方法;戴俊等[7]采用三角柱直眼掏槽爆破方式提高平巷掘进爆破效率;叶晓明等[8]提出一种三维(螺旋)切槽孔爆破方法,使切槽孔爆破突破定向成缝的范围,进入松动、破碎爆破领域,使其获得更大的应用前景。Nakamura等[9]进行了爆破裂纹扩展控制实验,并对普通空孔和在空孔两侧切槽对爆生裂纹扩展的影响进行了分析。Chen等[10]采用“先切后掏”的爆破技术,设计了一种壳体环向聚能致裂器;陈世海等[11]通过比较各种不同掏槽形式爆破的实验效果,得出复式桶式掏槽完全适合于中深孔爆破。众所周知,自由面的存在可以大大提高爆破效率,没有自由面的情况下爆破效果将会显得特别地差[12]。取岩芯技术是一种用于地质勘探领域的方法,可以在岩石周边形成一个环形自由面,利用该自由面只需很小的药量即可达到高效爆破的目的,再加上目前人造金刚石工艺已十分成熟,使得金刚石钻头的成本大大降低,取岩芯钻头尺寸也可做得很大,使取岩芯技术的大规模应用成为可能。基于上述背景,本文中提出基于环形自由面的岩土爆破技术,结合数值模拟与实验结果,得出取岩芯技术可以提高掏槽爆破的效率,且降低炸药单耗,减少爆破振动。
根据地质勘查工作或工程的需要,使用环状岩芯钻头及其他取芯工具,从孔内取出的圆柱状岩石样品,该样品称为岩芯。将该技术应用于岩石的爆破,具体过程如图1所示。
使用大直径取岩芯机,将岩芯钻头钻至目标位置,然后撤出岩芯钻头,形成环形自由面,将岩芯打孔装药之后爆破取出,形成规整的大直径空孔,由于岩芯钻头为空心钻,钻孔期间并不需要磨削很大的岩土量,因此钻孔时间较短。以实验室用台式钻孔机为例,在混凝土试件上钻取深度为25 cm、直径为20 cm的岩芯孔仅需1 min,而普通钻头根本无法钻取如此大直径空孔,需要动用大型钻孔设备,费时费力。在实际应用中,岩芯钻所能钻取的孔直径必定远大于普通钻头所能达到的孔直径,该技术突破了传统钻孔受钻头尺寸制约的限制,具有先天的优势,钻孔效率高。
取岩芯技术创造了一个环形自由面,冲击波在此自由面上反射产生拉应力。该拉应力有两个重要作用:首先,有利于从已有的岩石裂隙中破碎岩石[13];其次,由于岩石的动态抗拉强度远小于其动态抗压强度,该拉应力将在岩芯表面形成层裂现象[14],因此仅需要一点炸药即可分离岩芯与底部岩石,且振动很小。
由于取岩芯模型爆破过程复杂,因此首先采用LS-DYNA软件对该模型进行模拟,以预估爆炸效果,并获得相关爆炸参数。计算模型由炸药、混凝土和空气组成,炸药与空气采用ALE算法,混凝土采用拉格朗日算法。混凝土与炸药、空气之间采用流固耦合接触算法。整个模型采用cm-g-μs单位制。
在本文中,药包质量与药包位置对模拟结果产生的影响最大,因此对其进行若干次调整,以获得最佳爆破效果,并将这些爆破参数用于后续的实验之中。
所建立的取岩芯模型为圆柱模型,由于模型是轴对称模型,所以采用四分之一模型建模,其中模型总高度为30 cm,直径为20 cm,岩芯直径为10 cm,岩芯高度为20 cm,空气间隙厚度为1 cm。所用炸药为1 g,且其与岩芯底部留有2 cm间隙。
为了模拟混凝土的爆炸破坏,引入了失效关键字MAT_ADD_EROSION,当混凝土所受拉应力达到其失效应力,即拉应力为2.5 MPa时混凝土单元将被删除。
岩芯爆破过程如图3所示。
从图3中可以看出,爆炸产生的压力由岩芯底部传递到到岩芯上部,少部分传递到岩芯下方混凝土,爆炸压力没有传递到岩芯环外的混凝土上。从爆破结果来看,岩芯底部破碎充分,根部基本与底下水泥断裂,岩芯顶部产生裂隙,破坏较小,而岩芯外围岩体则不受爆炸影响,空气隙的存在对外围岩体起到了很好的保护作用。
为使图表清晰,从模型上选取4个单元,如图4所示。观察压力随时间变化曲线,其周围单元曲线如图5所示,图5中可以看出,岩芯底部混凝土所受最大拉应力为1.8 MPa,而外围混凝土仅出现轻微波动的拉压应力,其应力值远达不到混凝土失效准则,也即是外围混凝土不受炸药破坏影响。从图5中可以看出,虽然单元55901与67480到炸药距离相等,但是单元55901的应力明显高于单元67480的,这是由于单元55901处于岩芯与底部相接触的位置,出现了应力集中现象,有利于岩芯的断裂。
为了验证取岩芯技术在岩石爆破中的作用,根据相似准则,在钢管模型内浇筑水泥沙浆进行爆破模拟实验,钢管不但可以保证试件成型后具有高强度,还可以削弱实验室现有条件下模型的边缘效应[15]。选用钢管的直径为20 cm,高为30 cm。模型采用的水泥砂浆试件的配比为500#普通硅酸盐水泥、砂子和水,其质量配比为1∶2∶0.4,其单轴抗压强度为 17.4 MPa,抗拉强度为1.54 MPa,弹性模量为10.27 MPa,泊松比为0.17,密度为2.13 g/cm3,纵波波速为3 393 m/s。
实验中采用对照实验对爆破过程进行了模拟,共准备了8个上述规格的水泥模型,将它们编号并分为2组,其中1~4号模型采用取岩芯技术,将直径为10 cm、长度为30 cm、壁厚0.5 cm的PVC管插入水泥模型中心,插入深度为20 cm,同时在钢管中心用PVC管预留1个孔径为1.8 cm、深度为20 cm的炮孔,待水泥凝固之后将PVC管拔出,形成一个厚度为0.5 cm的取芯圆环,pvc管在此处相当于取岩芯钻头。5~8号模型模拟传统爆破,在钢管中间用PVC管预留一个孔径1.8 cm、深度20 cm的炮孔。
由数值模拟所得实验参数,确定实验用雷管装药为1 g太安,所用测振仪型号为TC4850,精度可达0.001 cm。为了模拟实际岩巷爆破,将水泥模型平放于空中爆炸罐中,模型下方使用沙子垫平。在距离钢管顶端12.5 cm处放置测振仪,测量爆炸后钢管外部的振动。将雷管放入炮孔,雷管距离底部2 cm,用沙子堵孔后引爆。具体实验装置如图6所示。
爆炸后选取其中的1、5号模型进行分析,如图7所示。
从图中可以看出,1号模型岩芯被炸碎并抛掷出来,而5号模型水泥则完好无损,自由面的存在大大提高了爆破效果。将模型搬出空中爆炸罐,可发现1号模型岩芯已被完全炸碎,而岩芯环外的水泥则不受影响;从5号模型看不出任何爆破迹象。将1号水泥倒扣后轻轻晃动,岩芯掉落,如图8所示。
从图8中可以看出,1号模型岩芯完全掉落,炮孔利用率可达99%,岩芯环外壁平整,环外水泥不受雷管爆炸影响,取岩芯环起到了很好的能量隔断作用。尽管数值模拟与实验都采用1 g药量,但由于雷管威力要比药包威力大,因此实验中岩芯破坏较严重,但总体结果与数值模拟相吻合,即岩芯底部破碎严重,顶部破坏较轻,外围岩体不受爆炸影响。其余的水泥模型也与上述情况一致,实验的重复性好。全部模型爆破后对比参见图9。
爆破后取岩芯模型与传统水泥模型钢管振动位移图形处理之后如图10所示。从图10中可以看出,取岩芯模型振动位移在0~0.007 cm之间,而传统水泥模型振动位移在0.002~0.012 cm之间。单从振动数据来看,取岩芯模型减振效果并不明显,而从爆破效果来说,如果要达到与取岩芯模型相同的效果,则传统水泥模型需要增加数倍药量,这带来的振动势必大大增加。综上所述,在达到相同掏槽效果的条件下,取岩芯技术可大大减少爆破振动。
由上述分析可知,取岩芯环为岩石爆破提供了一个环形自由面,将岩芯孤立起来,减小了最小抵抗线的长度,有利于岩芯的破碎,而岩芯底部与水泥的接触面积较小,容易导致应力集中现象,因此其接触位置较易断裂,更为岩芯的完全破碎提供了良好的条件且不会产生超挖现象[16],从而使炮孔利用率达到99%;同时,由于空气的波阻抗要远小于水泥的波阻抗,爆轰波传递到岩芯环空气域时将出现较大的衰减,岩芯环起到了能量隔断作用,雷管的能量大部分被用于岩芯的破碎[17],有效地保护了环外水泥,充分利用了爆炸能量,可达到控制爆破的目的。
黑龙江某矿巷,工程量730 m,掘进断面19.7 m2,净断面17.9 m2。平巷、岩石为细沙岩,岩石坚固性系数为9;工作面瓦斯情况小于0.4 m3/min;工作面涌水情况小于5 m3/h。掘进方式采用取岩芯钻车采取全断面一次掘进法,光面爆破。取岩芯钻车配备有直径为40 cm的岩芯钻头,该钻头要远大于目前市场上所存在的岩芯钻头,在岩巷上打孔后爆破取出岩芯,利用所产生的新自由面进行掏槽爆破。实验中巷道掘进效率明显提高,炮孔深度为3.3~3.5 m,循环进尺在3.1~3.4 m之间,炮孔利用率为92%~97%,多数约在95%,爆破岩石块度均匀,达到高效掘进的目的。
本文中提出基于环形自由面岩土高效爆破原理,通过实验与应用,得出以下结论:
(1)取岩芯技术可成型高质量环形自由面,操作简单,可减少炮孔数,且炮孔利用率达99%,从而实现大循环进尺,提高掏槽爆破效率;
(2)基于环形自由面岩土高效爆破可减小炸药单耗,环形自由面起到了能量隔断作用,有效降低爆破所引起的振动,可对岩芯外部结构提供良好的保护作用,达到控制爆破的效果。
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