螺旋形切槽孔爆破的機(jī)理及參數(shù)確定

螺旋形切槽孔爆破的機(jī)理分析及參數(shù)確定TheoryandParametersAnalysisofSpiralV-notchLoosenBlasting摘要：本文運(yùn)用爆炸力學(xué)理論，對(duì)螺旋形切槽孔在爆炸應(yīng)力波作用下的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了分析，并導(dǎo)出了該爆破方法的合理裝藥量公式、破碎范圍及螺旋孔的最佳螺距，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：松動(dòng)爆破螺旋形切槽孔爆破爆破參數(shù)Abstract:Themechanicaleffectproducedbythespiralnotchedboreholeunderthedynamicpressureofblastingwaveisstudiedbyblastingmechanics;Calculationformulasofreasonablecharge,areaoffragmentationandthebestspiralspaceareobtained.Keywords:losseningblastingspiralnotchingblastingblastingparameters1問(wèn)題的提出松動(dòng)爆破具有耗藥量小、對(duì)環(huán)境影響小的特點(diǎn)，在交通、城建、水利、礦山等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，是目前最主要的爆破方法之一。松動(dòng)爆破實(shí)質(zhì)是一種破碎爆破，在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)存在一些不容忽視的問(wèn)題[1][2][3]：?jiǎn)慰灼扑槊娣e小，易產(chǎn)生大塊巖石從而需進(jìn)行二次爆破，能量利用率低。實(shí)踐證明，單靠技術(shù)上的局部改進(jìn)達(dá)不到理想的破碎效果，有必要研究一種新的爆破技術(shù)來(lái)克服上述缺陷。理論研究表明[4]，炮孔壁上切槽后，在爆炸荷載作用下，切槽尖端的定向應(yīng)力集中保證了裂縫從切尖設(shè)計(jì)方向擴(kuò)展，；又由于切槽尖端兩側(cè)抑制新裂紋生長(zhǎng)區(qū)域的存在，從而使爆炸能量?jī)H用于切槽的擴(kuò)展，提高了能量的利用率，擴(kuò)大了裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度。圖1切槽孔壁的裂紋抑制區(qū)本文提出的螺旋孔切槽技術(shù)是以往平面切槽技術(shù)的空間發(fā)展，是一種空間三維切槽方法，是將切槽技術(shù)首次從預(yù)裂爆破引入松動(dòng)爆破的一種嘗試。2切槽孔在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)裝藥在炮孔內(nèi)爆轟后，產(chǎn)生的沖擊波對(duì)炮孔壁作用一個(gè)壓力脈沖，當(dāng)切槽受該壓力脈沖作用時(shí)，就會(huì)在切槽表面激發(fā)出壓應(yīng)力波，該應(yīng)力波在切槽表面發(fā)生反射，同時(shí)又在切尖繞射。這種反射和繞射的結(jié)果，導(dǎo)致切槽尖端處產(chǎn)生較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變場(chǎng)，其強(qiáng)度可用動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)描述。當(dāng)滿足下式時(shí)，裂紋就從切槽尖端開始向前發(fā)展：（1）式中，稱為巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌性，它與加載速度有關(guān)。另一方面，壓力脈沖在切槽表面激發(fā)出來(lái)壓應(yīng)力波將沿著圓孔周圍繞射。這種繞射的結(jié)果是在切槽根部附近（圖1）產(chǎn)生一個(gè)切向應(yīng)力S為壓應(yīng)力和低拉應(yīng)力的區(qū)域。當(dāng)炮孔周圍巖石的抗拉應(yīng)力高于這些拉應(yīng)力時(shí)，則在這個(gè)區(qū)域的孔邊上將不可能產(chǎn)生由切向拉應(yīng)力引起的徑向裂紋。即當(dāng)孔邊出現(xiàn)一條切槽后，在它的根部附近就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抑制新裂紋生長(zhǎng)的區(qū)域，稱為抑制區(qū)。在上述兩個(gè)效應(yīng)的共同作用下，裂縫沿切尖向前擴(kuò)展，同時(shí)又抑制了其它方向的裂縫產(chǎn)生。抑制區(qū)的存在，避免了過(guò)多裂縫的產(chǎn)生，減少了能量損耗，使得有效的能量用于巖石的破碎，擴(kuò)大了破碎面積?？臻g三維切槽，使得裂縫沿著不同的方向發(fā)展，理論上避免了大塊率的產(chǎn)生。3切槽孔裂紋擴(kuò)展規(guī)律雖然巖體爆破成縫是在瞬間完成的，但就其形成的全過(guò)程，仍然有著發(fā)生、發(fā)展的各階段。根據(jù)巖體中裂縫形成過(guò)程的不同力學(xué)特點(diǎn)，可將整個(gè)過(guò)程分為起裂、擴(kuò)展和止裂三個(gè)階段。下面將分析這三個(gè)階段的力學(xué)條件及裂縫的形成方向。3．1螺旋切槽孔爆破裂縫起裂、擴(kuò)展和止裂的力學(xué)條件螺旋孔裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：（2）式中，為爆生氣體壓力；為修正系數(shù)；為切槽深度。裂紋起裂前，切槽尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：（3）以表示巖石的斷裂韌度，因此起裂條件為：即：（4）而裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力為：（5）因此，保證裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的動(dòng)力條件為。裂紋起裂后，在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)展，但隨著裂紋長(zhǎng)度的增加和爆生氣體壓力的下降，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力減小，一旦其壓力和裂紋長(zhǎng)度滿足下式時(shí)即止裂：（6）3．2螺旋切槽孔裂紋起裂、擴(kuò)展方向根據(jù)應(yīng)變能密度因子判斷，裂紋只會(huì)沿著最小應(yīng)變能密度因子方向起裂并擴(kuò)展，以表示應(yīng)變能密度因子，表示起裂角，則有：（7）由于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，巖體只發(fā)生張開型斷裂破壞，所以。因此，應(yīng)變能密度因子的表達(dá)式如下：（8）將式（8）代入式（7）經(jīng)變換后得到下式：（9）因此，起裂角即沿著平面A中切槽孔的對(duì)稱軸方向擴(kuò)展。對(duì)于螺旋孔的任一橫剖面，裂紋沿著切槽孔的連心線方向起裂和擴(kuò)展。對(duì)于三維空間切槽孔來(lái)說(shuō)，裂紋必定沿著平行于切槽口尖端形成的螺旋線擴(kuò)展。4切槽孔爆破參數(shù)的確定4．1切槽爆破的裝藥結(jié)構(gòu)切槽孔松動(dòng)爆破中，為避免爆炸沖擊波對(duì)孔壁的破碎而造成能量的耗損，可采用不藕合裝藥，因?yàn)楸óa(chǎn)生的作用首先通過(guò)炮眼和藥卷間的空氣緩沖之后再作用于孔壁上，從而使較高的壓力變緩，可減少對(duì)孔壁的破碎作用；又由于空氣有一被壓縮和膨脹的過(guò)程，所以能增加爆生氣體的作用時(shí)間。4．2切槽爆破的裝藥密度在爆生氣體壓力作用下，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件為：（10）即：（11）式中，為爆生氣體初始平均壓力；為臨界壓力；為氣體的絕熱膨脹系數(shù)，??；為炸藥密度。故切槽孔爆破的臨界線裝藥密度為：（12）式中，為切槽孔半徑；為切槽角；為螺旋型切槽孔切尖連線上任一點(diǎn)的切線方向與圓形炮孔母線間的夾角。4．3螺旋孔螺距的確定進(jìn)行螺旋形切槽的目的在于防止爆炸破巖后產(chǎn)生大塊巖石，因此，合理的螺距應(yīng)使爆破產(chǎn)生的巖塊大小適中，適宜挖掘機(jī)的裝用即：（13）式中，表示爆破后巖塊體積；表示挖掘機(jī)裝運(yùn)體積，通常取0.6m3假定巖體為均質(zhì)同性彈性體，任意兩相臨螺距之間的巖體沿切槽方向開裂后的巖塊體積可近似取為如下表達(dá)式：（14）式中，為炮孔孔徑；為切槽深度；為裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度。式（14）表示裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與螺距之間的關(guān)系，經(jīng)試算可知，當(dāng)時(shí)，。因此，裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度不宜超過(guò)的取值在比較合適。5結(jié)語(yǔ)本文在分析螺旋形切槽孔爆破機(jī)理及裂紋擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)到：切槽孔爆破是一種節(jié)能爆破，能有效地利用爆破能而擴(kuò)大破碎面積，同時(shí)，裂紋的螺旋形擴(kuò)展方向?qū)?duì)巖石大塊率的產(chǎn)生起到抑制作用，該技術(shù)是可行的。在上述分析的基礎(chǔ)上，本文對(duì)螺旋孔爆破的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了初步探討，試圖以此指導(dǎo)施工實(shí)踐。參考文獻(xiàn)