螺旋形切槽孔爆破的机理及参数确定

螺旋形切槽孔爆破的机理分析及参数确定TheoryandParametersAnalysisofSpiralV-notchLoosenBlasting摘要：本文运用爆炸力学理论，对螺旋形切槽孔在爆炸应力波作用下的力学效应进行了分析，并导出了该爆破方法的合理装药量公式、破碎范围及螺旋孔的最佳螺距，为工程应用提供依据。关键词：松动爆破螺旋形切槽孔爆破爆破参数Abstract:Themechanicaleffectproducedbythespiralnotchedboreholeunderthedynamicpressureofblastingwaveisstudiedbyblastingmechanics;Calculationformulasofreasonablecharge,areaoffragmentationandthebestspiralspaceareobtained.Keywords:losseningblastingspiralnotchingblastingblastingparameters1问题的提出松动爆破具有耗药量小、对环境影响小的特点，在交通、城建、水利、矿山等领域中得到广泛应用，是目前最主要的爆破方法之一。松动爆破实质是一种破碎爆破，在工程实践中发现存在一些不容忽视的问题[1][2][3]：单孔破碎面积小，易产生大块岩石从而需进行二次爆破，能量利用率低。实践证明，单靠技术上的局部改进达不到理想的破碎效果，有必要研究一种新的爆破技术来克服上述缺陷。理论研究表明[4]，炮孔壁上切槽后，在爆炸荷载作用下，切槽尖端的定向应力集中保证了裂缝从切尖设计方向扩展，；又由于切槽尖端两侧抑制新裂纹生长区域的存在，从而使爆炸能量仅用于切槽的扩展，提高了能量的利用率，扩大了裂缝扩展长度。图1切槽孔壁的裂纹抑制区本文提出的螺旋孔切槽技术是以往平面切槽技术的空间发展，是一种空间三维切槽方法，是将切槽技术首次从预裂爆破引入松动爆破的一种尝试。2切槽孔在爆炸冲击波作用下产生的力学效应装药在炮孔内爆轰后，产生的冲击波对炮孔壁作用一个压力脉冲，当切槽受该压力脉冲作用时，就会在切槽表面激发出压应力波，该应力波在切槽表面发生反射，同时又在切尖绕射。这种反射和绕射的结果，导致切槽尖端处产生较强的动态应力—应变场，其强度可用动态应力强度因子来描述。当满足下式时，裂纹就从切槽尖端开始向前发展：（1）式中，称为岩石的动态断裂韧性，它与加载速度有关。另一方面，压力脉冲在切槽表面激发出来压应力波将沿着圆孔周围绕射。这种绕射的结果是在切槽根部附近（图1）产生一个切向应力S为压应力和低拉应力的区域。当炮孔周围岩石的抗拉应力高于这些拉应力时，则在这个区域的孔边上将不可能产生由切向拉应力引起的径向裂纹。即当孔边出现一条切槽后，在它的根部附近就会产生一个抑制新裂纹生长的区域，称为抑制区。在上述两个效应的共同作用下，裂缝沿切尖向前扩展，同时又抑制了其它方向的裂缝产生。抑制区的存在，避免了过多裂缝的产生，减少了能量损耗，使得有效的能量用于岩石的破碎，扩大了破碎面积。空间三维切槽，使得裂缝沿着不同的方向发展，理论上避免了大块率的产生。3切槽孔裂纹扩展规律虽然岩体爆破成缝是在瞬间完成的，但就其形成的全过程，仍然有着发生、发展的各阶段。根据岩体中裂缝形成过程的不同力学特点，可将整个过程分为起裂、扩展和止裂三个阶段。下面将分析这三个阶段的力学条件及裂缝的形成方向。3．1螺旋切槽孔爆破裂缝起裂、扩展和止裂的力学条件螺旋孔裂纹尖端的应力强度因子为：（2）式中，为爆生气体压力；为修正系数；为切槽深度。裂纹起裂前，切槽尖端的应力强度因子为：（3）以表示岩石的断裂韧度，因此起裂条件为：即：（4）而裂纹在扩展过程中的驱动力为：（5）因此，保证裂纹继续扩展的动力条件为。裂纹起裂后，在爆生气体准静态压力驱动下扩展，但随着裂纹长度的增加和爆生气体压力的下降，裂纹扩展的驱动力减小，一旦其压力和裂纹长度满足下式时即止裂：（6）3．2螺旋切槽孔裂纹起裂、扩展方向根据应变能密度因子判断，裂纹只会沿着最小应变能密度因子方向起裂并扩展，以表示应变能密度因子，表示起裂角，则有：（7）由于裂纹扩展过程中，岩体只发生张开型断裂破坏，所以。因此，应变能密度因子的表达式如下：（8）将式（8）代入式（7）经变换后得到下式：（9）因此，起裂角即沿着平面A中切槽孔的对称轴方向扩展。对于螺旋孔的任一横剖面，裂纹沿着切槽孔的连心线方向起裂和扩展。对于三维空间切槽孔来说，裂纹必定沿着平行于切槽口尖端形成的螺旋线扩展。4切槽孔爆破参数的确定4．1切槽爆破的装药结构切槽孔松动爆破中，为避免爆炸冲击波对孔壁的破碎而造成能量的耗损，可采用不藕合装药，因为爆炸产生的作用首先通过炮眼和药卷间的空气缓冲之后再作用于孔壁上，从而使较高的压力变缓，可减少对孔壁的破碎作用；又由于空气有一被压缩和膨胀的过程，所以能增加爆生气体的作用时间。4．2切槽爆破的装药密度在爆生气体压力作用下，裂纹失稳扩展的临界条件为：（10）即：（11）式中，为爆生气体初始平均压力；为临界压力；为气体的绝热膨胀系数，取；为炸药密度。故切槽孔爆破的临界线装药密度为：（12）式中，为切槽孔半径；为切槽角；为螺旋型切槽孔切尖连线上任一点的切线方向与圆形炮孔母线间的夹角。4．3螺旋孔螺距的确定进行螺旋形切槽的目的在于防止爆炸破岩后产生大块岩石，因此，合理的螺距应使爆破产生的岩块大小适中，适宜挖掘机的装用即：（13）式中，表示爆破后岩块体积；表示挖掘机装运体积，通常取0.6m3假定岩体为均质同性弹性体，任意两相临螺距之间的岩体沿切槽方向开裂后的岩块体积可近似取为如下表达式：（14）式中，为炮孔孔径；为切槽深度；为裂缝扩展长度。式（14）表示裂纹扩展长度与螺距之间的关系，经试算可知，当时，。因此，裂纹的扩展长度不宜超过的取值在比较合适。5结语本文在分析螺旋形切槽孔爆破机理及裂纹扩展规律的基础上认识到：切槽孔爆破是一种节能爆破，能有效地利用爆破能而扩大破碎面积，同时，裂纹的螺旋形扩展方向将对岩石大块率的产生起到抑制作用，该技术是可行的。在上述分析的基础上，本文对螺旋孔爆破的参数设置进行了初步探讨，试图以此指导施工实践。参考文献