BHPO预裂爆破方法机理研究及工程试验2

BHPO预裂爆破方法机理研究及工程试验刘小伟1张树伟1杨晓科2（1.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司河北唐山063701）（2.中煤集团西安设计工程公司陕西西安710054）摘要：本文通过对分析岩石爆破机理及工程实验提出大炮孔预裂导向（Blastholepre-splitorientation）的预裂爆破方法，以下简称：BHPO预裂爆破方法。该方法是集露天大孔径深孔预裂爆破及普通预裂爆破优点的新型预裂爆破模式，是目前预裂爆破技术改进完善的可行道路。其开裂理论依据为爆破断裂力学，通过大孔径炮孔导向作用增加爆破压应力减少爆破拉应力，提高爆破成缝概率。因此BHPO预裂爆破方法是建立在现代力学的基础之上，可以更好的达到保护边坡的目的。关键词：炮孔导向大孔径预裂爆破爆破断裂力学爆破应力TheMechanisticStudyofBlastHolePre-splitOrientationPresplittingTechniqueandEngineeringTestliuxiao-wei1Zhangshu-wei1Yangxiao-ke2(1.SijiayingironminecompanyofHebeiironandsteelgroup,TangshanHebei063000,China;2.Xi’anCompanyofdesign&Engineeringofchinacoalgroup,Xi’an,Shaanxi710054ChinaAbstract:Blastholepre-splitorientation(BHPO)isproposedbasedontheanalysisofrockblastingmechanismandpre-engineeringexperiments.anditistheaviablewaytoimproveblastingtechnologywiththenormalblastingtechnologyandThelargeapertureBlastingintheopenpit.TheBHPOblastingmethodisbasedonthemodernmechanicsandtheblastcrackfracturemechanics,throughincreasingthestressandreducingthetensilestress,toimprovetheprobabilityofthefracturesinthedemolitionwiththeguidingroleofblastholeorientation.Usingthisnewwaycanachievethepurposeofprotectionoftheslopebetter.Keywords:blastholeorientation;largeaperturePre-splittingblasting;burstfracture;blastingstress1、引言：现代大型露天矿矿山边坡预裂中，由于边坡处理量大及一次爆破量大，因而主要采取露天大孔径预裂爆破法即采用Ф250-310牙轮钻机穿孔进行预裂爆破。但综合分析大孔径预裂爆破虽技术可行经济合理，但在具体实施过程中爆破技术人员很难掌握合适的爆破参数及装药量，同时针对裂隙较为发育的边坡时很难形成半壁痕特性笔者深入研究岩石爆破开裂理论，通过对《岩石爆破机理》、《爆破动力学及其应用》、《爆炸力学》、《露天大孔径预裂爆破技术》中关于岩石爆破开裂理论及爆破裂隙及裂隙力学的论述，结合矿山生产实际提出孔径炮孔导向预裂爆破方法。炮孔导向预裂爆破是基于传统光面爆破及岩石定向断裂控制爆破基础上提出的新型预裂控制爆破方法。传统预裂爆破采用不耦合装药或空气间隔装药，降低炸药爆炸对炮孔壁的作用，避免在炮孔中形成压碎区，实现爆破后的光面。但是这一方法不能避免的在炮孔周围岩石中随即形成径向裂纹，因而在裂隙发育的岩石条件下往往很难达到光面爆破的效果。炮孔导向预裂爆破充分利用炮孔的导向作用，在预定的预裂方向上减少岩石作用力，从而使得爆炸能量最易在设定方向上形成裂纹，从而在该方向上达到优先起裂、扩展、贯通，达到提高预裂爆破效果的目的。采用炮孔导向预裂爆破，可以有效的减少炮孔壁周围非孔间连线方向径向裂纹的产生及扩大，从而减少爆破对围岩的稳定性的破坏，提高半壁痕率。在裂隙发育的地质条件下采用该技术，能够很好的实现预裂爆破效果，产生良好的经济效益。2、炮孔导向预裂爆破法简述及机理研究2.1炮孔导向预裂爆破法简述炮孔导向预裂爆破法首先是适应大型露天矿山边坡预裂的施工方法。该法要求使用牙轮钻机（最好选用Ф310牙轮钻机，及Ro=310mm）预先在预裂线上凿穿导向孔，然后使用潜孔钻机穿凿中间预裂孔（孔径100mm-150mm），成空后按照常规预裂孔爆破模式进行爆破，2.2炮孔导向预裂爆破法研究原理在岩石断裂控制爆破中其实现定向断裂的控制方法很多，但实质上形成断裂贯通的过程是一至的，这一过程由定向裂纹的起裂和定向裂纹的贯通两个阶段组成。但根据起裂和贯通的主次可分为以定向裂隙为主要突破的聚能预裂爆破1和以贯通为主要突破的大炮孔导向预裂爆破即BHPO预裂爆破方法。在天然岩体中，必然存在长短不等随机细小的裂纹，当预裂孔及导向孔穿孔完毕后必然在孔壁周围存在细小裂纹。根据断裂力学理论及爆破自有面理论，炮孔导向预裂爆破过程由三个阶段组成如图1所示：阶段1，炮孔内不耦合装药起爆，静载荷达到一定强度后，周围裂纹逐步起裂、扩展；阶段2，由于炮孔周围存在大孔径导向孔，起到自由面得作用，则裂纹集中向导向孔扩展，并形成贯通裂纹；阶段3，随着裂纹与导向孔的贯通，大量爆炸产生气体，通过裂纹贯通于预裂孔与导向孔间，进一步扩大预裂缝，同时其他非导向裂纹由于载荷减小和岩石塑性形变而自我闭合。炮孔导向预裂爆破取得良好预裂效果的关键技术在于有效控制炮孔内准静态压力值，使细小裂纹刚好能贯穿至导向孔，这也是预裂爆破法与传统预裂爆破法的本质区别。因此预裂孔与导向孔间距（细小裂纹长度）、炮孔装药量及岩体中随机细小裂纹情况都直接影响到BHPO预裂爆破法的预裂效果。3、BHPO预裂爆破法主要参数的确定3．1装药量的确定在炮孔内炸药爆炸准静态压力P的作用下，随机裂纹尖端应力因子为K1=Pπaf(a/r)………………[式1]其中：P=1/8×ρo×D2[Vb/VC]-3……[式2]=1/8×ρo×D2[db/dC]-6×l…[式3]P——炮空中的准静态压力，MN.m-3/2a——炮孔中随机裂纹长度，mr——炮孔半径，mf(a/r)——形状因子，由表1给出ρo——炮孔装药密度，kg.m-3D——炸药爆速，m.s-1Vb——炮孔体积，m3VC——炮孔装药体积，m3db——炮孔直径，mdC——炮孔装药直径，ml——炮孔长度，mle——炮孔装药系数.当K1>KLC时裂隙开始失稳扩展，炮孔周围裂隙开始起裂，由于导向孔的存在，使得导向孔方向上的KLC较小，细小裂隙帅先到达导向孔（导向预裂爆破阶段1）为了能达到导向预裂要求，其他裂隙不能再继续扩展，大量爆炸气体通过贯通裂隙，使得裂隙扩展为裂缝，达到预裂目的。因此有炮孔内准静态压力P与其能起裂炮孔周围岩石裂纹最小长度的关系：P=KLC/[πaf(a/r)]………[式4]由此可以看出炮孔周围裂隙长度越长，起裂它们所需的炮孔准静态压力值越低。因而可认为，在进行炮孔导向预裂爆破时，如岩石整体性较好，炮孔周围存在的裂隙数量长度小，炮孔装药量可取大值，已获得加大的准静态压力，以加大炮孔间距，减少炮孔数量；而对裂隙发育的岩体，炮孔周围存在的裂隙数量、长度往往较大，为保证其他裂隙不扩展，往往减少炮孔装药量，取较小的炮孔准静态压力值。通过对式2、3、4得出炮孔导向预裂爆破药量计算公式le=[8KLC/ρo×π×am×f(am/r)]1/3×(db/dC)2………[式5]q=π/4×dC2×ρo×le×l…………….[式6]式中am——炮孔周围裂隙长度的最大值，mq——炮孔装药量，kg表1f(a/r)随a/r的变化值a/r0.81.01.523510∞f(a/r1.981.831.71.611.571.521.431.381.261.0313.2预裂与导向孔间距的确定根据炮孔导向预裂阶段性，确定当爆炸开始，细小裂纹形成向周围随机延伸，裂隙稳定传播时，裂隙处于稳定传播。形成新表面的能量由裂隙扩展所释放的弹性变性能所提供。因此单位面积裂隙所释放出来的能量称为能量释放率G，其物理含义为裂隙扩展单位长度所需要的力，因此又称裂隙扩展力G。于是G的临界值Gc称为裂隙扩展阻力，当G<Gc时岩石裂隙处于稳定传播阶段，对于同一材料G不是常数Gc是常数，是一种材料的属性。G而是裂隙尖端处的应力σ和裂隙半径а1的函数，利用裂隙表面弹性位移的关系可导出关系式：G=（σ2πa1）/E……………….[式7]式中σ——应力E——弹性模量a1——裂隙半径笔者认为最长径向裂隙长度为预裂孔至导向孔间距。通过文献[4]对预裂炮孔直径、炮孔静压力及裂隙长度的论述确定出三者关系曲线如图：根据曲线设定你选定试验孔间距L为1.5m。4、工程试验根据理论对研山铁矿北部裂隙发育边界使用BHPO预裂爆破法进行预裂爆破，其中进行爆破试验四次，具体情况如下：4.1设计方案：导向孔、预裂孔部分：沿+30水平境界线布孔，导向孔孔径310mm；间距3m；超深2m;预裂孔孔径115mm，位于导向孔中部，略靠近境界内侧偏移150mm,超深0-0.5m；采用连续带状不耦合装药结构；不耦合系数k=3.1使用2#岩石粉状乳化油炸药；药卷规格Ф32mm×200mm、150g/卷、ρ=1.2-1.3g/cm3线状药密度ρx=0.55kg/m3底部1m内增加炸药量QZ=0.3kg预裂孔同时起爆，起爆时间超前缓冲孔100-200ms缓冲孔部分：缓冲孔采用Ф310牙轮钻机穿凿，孔间距ah=6m，与预裂孔排间距=3-3.5m,与正常孔排间距=5-5.5m；超深;Lcs=0.5-1m;填塞长度lts=5m;采用中部间隔分段装药结构（耦合）；下部药高3-3.5m，中部间隔2-3m，上部药高2-2.5m；下部药柱使用高能乳化炸药，上部药柱使用多孔粒状铵油炸药；起爆时间在正常孔以后，微差时间同正常孔；4.2爆破效果：（1）第一个爆区预裂孔15个，岩石完整性一般，平均半壁痕率约40%，最长半壁痕长约5m，预裂孔处岩石较碎裂（装药较多），连续性较差；预裂缓冲间存在1m左右的小根底。（2）第二、第三、第四个爆区预裂孔70个，适当减少预裂药量，加大缓冲孔药量，平均半壁痕率60%，最长半壁痕约7m，连续性较好；小根底消失；这四个爆区总体试验成功。5、结束语炮孔导向预裂爆破的优点是：用于裂隙发育的岩石中，能够有效的保护围岩，减少超挖，提高孔痕率；炮孔导向预裂爆破的技术要点是：通过大孔径炮孔的导向作用，引导裂隙形成于导向方向上，并通过导向裂隙的扩展，抑制其他裂纹的扩展，使之在岩体塑性作用下裂隙闭合，从而实现炮孔间光滑的壁面。在裂隙发育的岩体进行炮孔导向预裂爆破施工，炮孔装药量及两孔间距应取小值从而保护围岩，避免其他裂隙扩展；而在整体性较好的岩体中两值可取大值，以减少炮孔数量，提高炮孔利用率。参考文献：杨永琦.矿山爆破技术与安全.北京：煤炭工业出版社.1991.231-308王廷武.刘清泉.杨永琦等.地下与地面工程控制爆破.北京煤炭工业出版社.1990.144-235王树仁.魏有志.岩石爆破中断裂控制的研究.中国矿业大学学报.1985.14（3）：113-120钮强.岩石爆破机理.东北工学院出版社.1990（1）高尔新.爆炸动力学.中国矿业大学出版社.1995（2）田云生.田会礼.杨永琦定向断裂控制爆破理论分析及现场应用[J].煤炭工程.2005，[30]-51作者简介：*刘小伟(1980年-)，男，河北唐山人，毕业于中国矿业大学（北京）采矿工