巖體定向裂隙的定向爆破技術

巖體定向裂隙的定向爆破技術

1斷裂斷裂爆破主要是利用定向裂隙來推行切槽孔爆破、聚能藥包爆破。在英對于石材開采和切割開挖、隧道開挖光面爆炸和巖質(zhì)邊坡爆炸，必須按照規(guī)定方向煽動和延伸爆炸裂縫。其他方向的孔壁巖石被修復，使開挖平面平整光滑，無“損壞”。如何才能使爆破裂隙沿預定方向形成的同時,保留部分的巖體完好無損,這是定向斷裂控制爆破研究的主要問題。為此,人們提出了切槽孔爆破、聚能藥包爆破等斷裂控制爆破技術。切槽孔爆破和聚能藥包爆破都是通過改變炮孔或藥包形狀,使孔壁在預定方向產(chǎn)生應力集中而形成定向裂隙,并依靠定向裂隙形成以后的側(cè)向卸載作用來抑制其它方向的裂隙。但是,這類爆破方法如果裝藥量稍大或不耦合系數(shù)較小,以及孔壁存在原生或次生裂紋時,可能定向裂隙還來不及充分擴展,側(cè)向尚未卸載之前,隨機裂紋已經(jīng)形成,從而產(chǎn)生爆破損傷。而套管護壁爆破在一定程度上可克服以上缺點。論述護壁爆破技術的套管護壁機理、爆破試驗及其護壁效果的聲波評價。2護壁爆破組成套管護壁爆破有以下基本方案:1)由2個半圓套管組成雙側(cè)護壁爆破,2)由1個半圓套管組成單側(cè)護壁爆破,3)多層套管護壁爆破。如圖1所示。2.1爆破結(jié)構(gòu)作用對于石材爆破,要求爆裂面兩側(cè)巖體均受保護,此時,應采用由2個半圓套管組成的雙側(cè)護壁爆破技術。雙側(cè)護壁爆破亦稱切縫藥包爆破,其定向作用的基本原理,人們已進行過各種試驗研究,并取得了一定的成果。例如,高金石等通過雙側(cè)半圓套管藥包爆破鉛柱體的試驗和半圓套管的力學作用分析,得出由于半圓套管的存在改變了孔壁徑向壓力的分布狀態(tài):在半圓套管的縫隙處,由于爆轟氣流匯集,孔壁壓力與位移發(fā)生突變,產(chǎn)生壓應力集中,并形成剪應力,在切縫方向產(chǎn)生定向裂隙。下面主要論述雙側(cè)護壁爆破、單側(cè)護壁爆破和多層套管護壁爆破的套管護壁作用。為便于討論,假設半圓套管材質(zhì)的波阻抗和泊松比均與巖石相同,且與孔壁接觸。為便于對比,設光面爆破、雙側(cè)護壁爆破和單側(cè)護壁爆破的不耦合系數(shù)K=dc/db均相同。斷裂控制爆破采用不耦合裝藥,爆破裂隙主要是在爆生氣體似靜壓作用下形成。但是,當裝藥量較大或不耦合系數(shù)較小時,較高的應力波峰值也會在孔壁的各個方向上產(chǎn)生隨機裂紋。實踐中常發(fā)現(xiàn)光面爆破的眼痕上存在徑向微裂紋,這主要是應力波作用的結(jié)果。所以,下面主要討論在應力波和爆炸氣體作用下套管的護壁作用。2.1.1應力波發(fā)生的距離由于采用不耦合裝藥,炸藥爆炸在孔壁巖體內(nèi)激發(fā)的是初始應力波。設普通光面爆破(無套管護壁)作用在孔壁的初始徑向應力波峰值為P2。炸藥爆炸時首先在半圓套管內(nèi)壁產(chǎn)生初始的壓應力波。應力波通過套管時,存在幾何衰減和能量損失(因為半圓套管不是理想的彈性體),隨應力波傳播距離增大,應力波峰值將迅速減小。徑向壓應力波峰值σrmax與傳播距離的關系為σrmax=P2rˉ2?μ1?μ(1)σrmax=Ρ2rˉ2-μ1-μ(1)式中,rˉrˉ為比例距離,即rˉ=rrb,rrˉ=rrb,r為距裝藥中心的距離;rb為半圓套管的內(nèi)半徑;μ為半圓套管或巖石的泊松比。切向拉應力峰值σθmax可通過徑向壓應力峰值表示σθmax=bσrmax(2)σθmax=bσrmax(2)式中,b為與介質(zhì)泊松比和應力波傳播距離有關的系數(shù)。爆炸近區(qū)的b值較大,約等于1。隨距離增大,b值迅速減小?？妆谖挥诒ń鼌^(qū),可取b=1。設δ為半圓套管的厚度。根據(jù)式(1)和式(2),可得應力波通過半圓套管時,在孔壁產(chǎn)生的切向拉應力峰值為σθmax=P2(rbδ+rb)2?μ1?μ(3)σθmax=Ρ2(rbδ+rb)2-μ1-μ(3)由式(3)可知,由于半圓套管的存在,作用于孔壁的應力波峰值被顯著削弱,且套管越厚,泊松比越大,孔壁的應力波峰值越小。對巖體的保護效果越好。如果套管的波阻抗與巖石波阻抗不同,且套管與巖石之間存在間隙,則炸藥爆炸在半圓套管中激發(fā)的應力波,傳播到孔壁巖石時將產(chǎn)生反射作用,只有部分能量透射到巖體中,對巖體保護作用更有利。2.1.2在爆炸的影響下，半圓套筒的保護壁1厚壁管理論應用設普通光面爆破作用在炮孔壁的準靜態(tài)壓力為PP。為了達到爆裂面兩側(cè)巖體均無破壞,要求最小抵抗線大于臨界抵抗,因此,可認為氣體準靜態(tài)壓力產(chǎn)生的應力場不受兩側(cè)自由面的影響。又因為爆炸壓力的作用使套管外壁與炮孔壁達到耦合,將套管與原巖體連為一體,除2個半圓套管的縫隙處將產(chǎn)生應力集中外,其余位置可應用厚壁管理論,并令外半徑處于無限大導出的公式來近似地計算套管和巖體應力σr(θ)=PPr2br2r?r2b(1?r2rr2)(4)σr(θ)=ΡΡrb2rr2-rb2(1?rr2r2)(4)式中,r為厚壁管外徑。令rr→∞,式(4)簡化為σr(θ)=?PPr2br2(5)σr(θ)=?ΡΡrb2r2(5)式(5)中徑向壓應力和切向拉應力的絕對值相同,符號相反。當r=rb+δ時,可得切縫藥包爆破時,與套管接觸的孔壁準靜態(tài)應力為σr(θ)=?PPr2b(rb+δ)2(6)σr(θ)=?ΡΡrb2(rb+δ)2(6)式(6)說明,在其他條件相同時,半圓套管的存在,同樣能降低孔壁的準靜態(tài)應力。2爆破損傷作用在無半圓套管的情況下,爆炸氣體直接作用于孔壁,高溫高壓的爆炸氣體容易“滲透”和“楔入”與孔壁連通的原生裂隙或應力波作用下產(chǎn)生的微裂紋,增加了爆破損傷作用。采用半圓套管藥包爆破,爆炸壓力的作用使套管外壁與炮孔壁達到耦合,將套管與原巖體連為一體,阻礙了爆生氣體對孔壁的直接作用,尤其是阻止爆炸氣體“滲透”和“楔入”孔壁巖體。由此可見,由于半圓套管的存在,不僅在套管縫隙處的孔壁巖體產(chǎn)生應力集中和剪應力作用,利于套管縫隙方向爆破裂隙的形成,同時降低了套管外孔壁巖體應力波峰值和準靜態(tài)應力,起到良好的護壁作用。2.2側(cè)壁巖體破碎帶保護的加大爆破技術對于隧道掘進或邊坡開挖等爆破,要求自由面一側(cè)的巖體破碎,另一側(cè)巖體完好無損,因此可以采用只有一個半圓套管,僅對保留一側(cè)巖體進行保護的單側(cè)護壁爆破技術。2.2.1無保護壁套筒側(cè)面的爆炸設藥包置于不耦合裝藥中心。1普通光面爆破壁無護壁套管的一側(cè)爆破沖擊波和爆炸氣體直接作用于孔壁,類似于普通光面爆破?？妆趲r體受到較大的切向拉應力波峰值和徑向壓應力波峰值σθmax=bσrmax≈P2(7)σθmax=bσrmax≈Ρ2(7)2爆炸氣體作用孔壁受到較大的準靜態(tài)應力為σr(θ)=?PP。爆炸氣體直接作用于孔壁,還容易產(chǎn)生“氣楔”作用,增加爆破損傷程度。2.2.2孔壁準靜態(tài)應力與雙側(cè)半圓套管的爆破情況類似,孔壁初始徑向拉應力峰值可按式(3)和式(4)計算。孔壁準靜態(tài)應力可近似地由式(7)來計算。套管同樣起到阻礙防止爆炸氣體“楔入”孔壁巖體的護壁作用。由此可見,無護壁套管一側(cè)的孔壁巖體在較高的應力波峰值和高溫高壓的爆轟氣體“氣楔”作用下容易破壞,而護壁套管一側(cè)的孔壁巖體受到保護。2.3多次反射作用多層套管護壁爆破,應力波通過套管之間以及套管和孔壁之間的多次反射作用,受到更大的衰減作用,對孔壁隨機裂紋起到更有效的抑制作用。同時,內(nèi)層套管對外層套管具有瞬時保護作用,避免外層套管受爆轟氣體的直接破壞作用,護壁效果達到改善。3礦體試驗方法為了對比套管護壁爆破和普通光面爆破的爆破效果,在巖性比較均勻、完整性好的同一石灰?guī)r塊體中進行不同爆破方法的試驗。每種爆破方法的孔徑、孔距、孔深和抵抗線基本相同,都采用兩藥卷軸向空氣間隔、徑向不耦合裝藥,且單孔裝藥量和不耦合系數(shù)均相同。試驗地點在四川雙馬水泥股份有限公司石灰石礦。共進行了3次試驗。試驗一(見圖2):在石灰?guī)r塊體(長4.35m,寬3.2m,高1.00—2.00m)上進行雙側(cè)護壁爆破(編號Ⅰ)和單側(cè)護壁爆破(編號Ⅱ)試驗,每種方法布置3個炮孔和一對聲波測孔(單側(cè)護壁爆破的套管位于聲波測孔一側(cè)并與孔壁接觸)。試驗二:石灰?guī)r塊體長2.00m,寬3.10m,高1.25m。進行偏心光爆試驗(編號為Ⅳ),藥包與孔壁接觸,并位于聲波測孔一側(cè)。布置3個炮孔,一對聲波測孔。試驗三(見圖2):在石灰?guī)r塊體(長5.5m,寬4.3m,高1.50—2.84m)上進行雙側(cè)護壁爆破、單側(cè)護壁爆破和藥包位于炮孔中心的中心光爆試驗(編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ),每種方法3個炮孔,一對聲波測孔。3次試驗的部分爆破參數(shù)為孔徑38mm,單孔藥量30g,藥卷直徑18mm,不耦合系數(shù)為2.1,其他參數(shù)如表1所示,試驗一與試驗三爆破后保留巖體的半壁孔分別如圖3所示。4支撐墻爆炸效果的聲波評估套管護壁爆破要求沿預定方向形成平整的爆裂面,并對一側(cè)或兩側(cè)的保留巖體無內(nèi)傷。前者可以肉眼觀察,后者可用聲波探測法評價。1爆破損傷程度測定測試系統(tǒng)由SK型雙孔聲波換能器、RSM-SY5型智能聲波檢測儀和筆記本電腦組成,采用一發(fā)一收的雙孔測試法(圖2(d)),分別測試爆前和爆后的聲波傳播速度。爆破后,保留巖體如果受到內(nèi)傷,將會影響聲波傳播速度。因此,可以根據(jù)爆破前后波速變化情況,分析爆破損傷程度;還可以通過比較不同爆破方法的相同測點爆后波速相對于爆前波速的降低率,分析不同爆破方法的套管護壁效果,評價爆破方法的優(yōu)劣。2聲波速度測試測孔布置如圖2。從測孔底部開始,向上每隔20cm測一次聲波速度,每孔測4—5次。為提高測試精度,要求保證鉆孔質(zhì)量,每對測試孔嚴格平行,孔深1.4m,每對測孔間距0.4—0.55m,孔內(nèi)充水耦合。3測試結(jié)果部分實測波形如圖4所示。聲波測試數(shù)據(jù)見表2所示。5氣錨點下護壁爆破a.普通光面爆破由于爆破沖擊波和爆轟氣體直接作用于孔壁,容易對需要保護的孔壁巖體產(chǎn)生損傷作用。套管護壁爆破的爆破沖擊波和爆轟氣體首先作用于套管,使應力波衰減后再作用于孔壁巖體,使爆炸氣體準靜壓降低并阻止高壓氣體擠入原生或次生孔壁裂紋而產(chǎn)生氣楔作用,從而起到良好的護壁效果。在預定的爆裂面方向,由于沒有套管護壁,爆炸能量集中于此,產(chǎn)生剪應力作用和拉應力集中,有利于裂隙的形成和發(fā)展。b.在石灰?guī)r內(nèi)的3次試驗表明,雙側(cè)護壁效果最好,單側(cè)護壁效果與雙側(cè)護壁接近,中心裝藥的光面爆破效果較差,偏心裝藥的光面爆破