束状孔球形药包爆破技术的试验研究

束状孔球形药包爆破技术的试验研究

波束孔球形药袋爆炸技术是北京矿业大学专注于研究地下矿的深孔爆炸技术的新技术。该技术以利文斯顿球形药包爆破漏斗理论和数个密集平行深孔形成共同应力场的作用机理为基础。以N个间距为3～9倍孔径的密集平行深孔组成一束孔(直径d)装药同时起爆,对周围岩体的作用视同一个更大直径(等效直径D=N−−√d)D=Νd)炮孔的装药爆破作用。它综合利用增强装药中远区爆破作用的束状孔效应和最优埋深条件下的球形药包漏斗爆破,合理利用了炸药能量的最优条件。束状孔球形药包组合漏斗爆破形成了高分层落矿的新型采矿方法。工业试验表明,由于创造了充分利用炸药能量和控制爆破作用的良好条件,束状孔爆破在保证矿岩破碎质量和边帮、直接顶板的完整性上取得了良好效果。研究和现场试验表明,束状孔球形药包高分层落矿是地下矿山高效爆破技术的新突破,对采矿爆破作业发展具有极大的推动作用。本文针对束状孔爆破形成的共同应力场的应力波分布、叠加等特征进行试验研究。1试验条件1.1爆破应力场分布束状孔爆破试验采用导爆索(黑索金)对混凝土模型进行爆破。通过对高采样率超动态应变测试系统的匹配研究和改进,选用适宜于测试压拉应力的电阻应变片为传感器对束状孔爆破漏斗范围的应力—应变进行测量,从而得到爆破有效作用范围内的爆炸波应力场分布。1.2试验设备及传感器当某个爆炸过程中的力学量f(t)(如压强)作用于试验模型,从而使模型中的应变计发生形变,输出一个电压信号或电流信号。信号由超动态应变仪滤波、放大,最后由采集仪输出。测试系统结构及实物连接图分别如图1,2所示。测试系统由SDY2107B型超动态应变仪和PCI-20612型采集仪两部分组成。SDY2107B频响为DC-1500kHz。PCI-20612为高精度12-bitA/D,16通道,每通道最高采样率为20M;试验过程中采用总线内触发。传感器为长方体应变砖,砖体为环氧树脂石英粉砂浆材料,它的波阻抗和变形模量,与混凝土模型的对应指标基本相同,并经过防水绝缘处理。试验中采用的敏感元件为阻值为120的应变片,灵敏系数为2.08%。应变砖如图3所示。1.3爆破抛光点及其测点布置试验模型选用混凝土浇筑,模型制作材料及配比:水泥为42.5R普通硅酸盐水泥,粗骨料为石子,最大粒径不大于2cm,河砂的粒径小于lmm。配合比为水泥∶石子∶河砂∶水=52∶88∶63∶21(重量比)。根据利文斯顿球形药包爆破理论,为了模拟半无限大平面的爆破环境,试验前期进行了同材料、同配比条件下的爆破漏斗探索试验,由此确定了模型尺寸。8个模型为圆柱体混凝土模型,底面直径2.6m,高1.2m。其中炮孔直径d=2.5cm,每束孔包含5个炮孔,正五边形排列,炮孔布置在正五边形的5个顶点上,五边形中心与模型中心重合。束内孔间距(即正五边形边长)分别为2,3,3.2,4,5,6,7,8d。对每个束状孔模型,设置10个测点,将应变砖埋入模型中设计的测点位置。应变砖埋入位置如下:其中距上表面2cm的平面上布置4个测点,每个测点放一块应变砖,测点距束状孔中心的距离为5,10,15,20cm;在距上表面6cm的平面上布置2个测点,每个测点放一个应变砖,测点距束状孔中心的距离为5,10cm;在距上表面11cm的平面上布置4个测点,每个测点放一个应变砖,测点距束孔中心的距离为5,10,15,20cm。测点均处在正五边形同一条边的垂直平分线上。浇注好的模型如图4所示,布孔参数及测点位置见图5,6。1.4孔口埋深为32g的炮孔,炮点封闭式自然激光束的开装线图8装药参数设计依据:由前期束状孔爆破药量及埋深探索试验来看,对于该强度的混凝土模型,5孔束孔在常用孔间距的条件下黑索金的最佳用量为33g,最佳埋深为11.5cm。束状孔:从孔口到孔底的装药参数依次为:9cm炮泥,5cm装药长度(33g黑索金),106cm炮泥。每个炮孔内附有2发瞬发非电雷管,炮孔内雷管置于距孔底2cm处,雷管包裹在导爆索束内,聚能穴朝向孔底,正向起爆。孔内非电雷管脚线由导爆管引出,5个炮孔的10根导爆管在孔口集成一束,由2发雷管起爆。孔内10个非电雷管同时起爆。2试验中测波形分析2.1波型特征反应的作用机理束状孔多个炮孔的应力波作用与爆生气体膨胀作用相互混合,对介质的加载作用复杂。波型特征反应了束状孔爆破的作用机理。束状孔模型(孔间距5cm)测点与炮孔位置关系如图7,A测点所测爆炸应力波波形如图8所示。2.2爆炸波场特征结果爆炸波形由爆炸应力波上升区、峰值压力区及衰减震荡区构成,如图8所示。对于图7所示的包含5孔的束状孔,同段雷管起爆的各炮孔爆破应力波某一时刻对共同作用区内混凝土中某一点的加载作用包含以下三种情形:(1)各孔同时对该点混凝土加载。(2)相邻炮孔不同时加载,在共同作用区内的该点存在应力波的叠加。(3)相邻炮孔不同时加载,在共同作用区内的该点不存在应力波的叠加。对于情形(1),假设5孔同时起爆,由于各孔到测点距离的不同,因此各爆炸波到A点的时间也不同,先后顺序为:炮孔1和2,炮孔3和4,炮孔5。但在实际应用中,5个炮孔同段雷管同时起爆,各炮孔对岩体同时加载的可能性也是很小的,因为:(1)本次爆炸波测试数据精确度为微秒级,在现有的起爆技术条件下,即使使用高精度瞬发毫秒延期雷管,其发火延时误差亦较大(±30μs),因此,理论上炮孔1,2所产生爆炸波同时到达测点,但实际上可能性很小;对于炮孔3,4同理。(2)传感器至爆源的实际距离与设定距离有一定误差。因此,后两种情形发生的可能性最大。如图8所示,在5炮孔爆炸应力波的加载作用下,混凝土介质受到强冲击加载作用,这种作用表现在:15.5～17.6μs(ac段)为压应力波上升区,在17μs(b点)和17.6μs(c点)分别到达压应力波峰值22.4MPa和23.8MPa,两波峰部分叠加;17.6～19.6μs(cd段)为压应力波下降区。19.6～38.4μs(de段)为衰减震荡区,有时还伴随着其它炮孔的爆炸波作用,混凝土所受的压应力作用显著变小,最后趋于零点。由于束状孔包含炮孔数较多,多个炮孔的应力波作用及爆生气体膨胀作用相互掺杂混合,对介质的加载作用复杂,但仍满足爆炸作用规律。所测波形与经典爆炸波形的共性表现在:具有应力波上升区、下降区及衰减震荡区等爆炸作用区间,在