隧道爆破中炮泥的作用與堵塞長度計算

王 琛,文 忠,曹夢宇

(長沙理工大學, 湖南長沙 410114)

隧道爆破中炮泥的作用與堵塞長度計算

王 琛,文 忠,曹夢宇

(長沙理工大學, 湖南長沙 410114)

分析對比有無炮泥堵塞對隧道爆破施工的影響,闡述了炮泥堵塞的作用。探討了隧道工程爆破施工中取得較好爆破效果的炮泥堵塞長度與炮孔長度的最佳比值,并推導出最優炮泥長度的計算公式,計算值與大多數文獻推薦值基本接近,證明了公式的正確性和實用性。

隧道爆破;炮泥堵塞;堵塞長度

目前隧道掘進大部分采用爆破方式進行開挖,但是隧道開挖爆破中關于炮孔的堵塞問題一直存在疑問:炮孔是否要堵塞?炮泥堵塞的優點是什么?與無堵塞反向起爆技術相比炮泥堵塞的優勢在哪里?隨著爆破實踐的增多,許多部門與爆破人員已經重視炮孔的堵塞,并加強炮泥堵塞質量,以獲得最佳的爆破效果和更高的經濟效益。

1 堵塞炮泥的作用

根據炸藥爆炸破巖的基本理論,對炮孔堵塞有3種認識。

(1)應力波破巖理論。該理論認為炮孔中氣體膨脹所引起的巖石破碎作用很小,巖石的破碎主要是由應力波和反射拉伸波作用所導致。此理論強調應力波與反射拉伸波對巖石破碎占主導,只要在炮孔中實現孔底反向起爆,就無需在孔口堵塞炮泥。

(2)氣體膨脹作用破巖理論。該理論認為應力波與反射拉伸波沒有足夠的能量使巖石破碎,只能使炮孔周壁形成初始徑向裂縫。而后期的準靜氣體應力場和氣體膨脹壓力的氣楔作用才是使巖石破碎的主要原因。從該理論可以得出,使用高強度材料嚴密地堵塞炮孔,可使氣體膨脹作用力充分發揮從而取得良好爆破效果。

(3)應力波和氣體膨脹壓力聯合作用破巖理論。該理論承認了爆炸應力波、氣體膨脹壓和反射拉伸波 3項都對巖石的破碎有著重要貢獻,也充分肯定了炮孔堵塞炮泥在爆破施工中的積極作用[1]。

中國鐵道科學研究院曾做過測試:條形裝藥爆破的分配比例為沖擊波(包括應力波)能占43.7%,氣體膨脹能占 56.3%。以往做過的試驗研究證明,不堵塞炮孔的爆破將有 50%的氣體能量從孔口消失。所以,炮泥堵塞的主要目的就是要充分發揮占爆炸總能量一半以上的氣體膨脹能量的破巖作用。武漢地質學院,河南機掘工程隊張國祥等人[2]做過炮孔堵塞與不堵塞的試驗。試驗數據見表1。

從表1可以看出,堵塞炮泥比不堵塞炮泥的爆破效果好,震動影響小,爆破漏斗深度大,這一點對開挖隧道中掏槽眼爆破很有意義。

表1 爆破后的黃土漏斗參數及爆破效果比較

綜上所述,可以得出炮泥堵塞的幾個作用:

(1)延長孔內膨脹氣體作用時間,使氣體準靜應力場的破巖作用增強,從而破巖效果得到提高;

(2)由于延長了氣體作用時間,使得炮孔內的高溫條件得以維持更長時間,從而提高了炸藥的化學反應完全程度,可最大限度地利用炸藥的爆能,同時減少了有害氣體的生成量,還能縮短隧道中的通風時間;

(3)炮泥阻力延長了應力波與氣體膨脹壓力的作用時間,使得由應力波作用生成的裂縫充分地被高壓膨脹氣體楔裂,提高了破巖效果,也加速了裂縫的發展,增強了巖塊的拋擲作用。

2 炮泥長度計算公式的推導

在爆破中炮泥會被膨脹氣體壓出,炮泥于該過程中受到了爆生氣體的推力、炮泥與孔壁之間的摩擦力,故堵塞炮泥一定要有足夠的抗沖出時間與阻力。

假設炮孔內氣體平均壓力為爆轟壓力 PH的一半[2],則推動炮泥運動氣壓 P0為:

式中:ρ——炸藥密度;

D——炸藥爆速。

炮泥所受推力 F為:

式中:A——炮泥橫截面積;

d——炮孔直徑。

根據牛頓第二定律,對炮泥做受力分析,如圖1 所示,可得:

式中:F——爆生氣體對炮泥的推力;

m——炮泥的質量;

g——重力加速度;

f——滑動摩擦阻力,f=πdλg(ls-x)P,其中,λ為動摩擦力系數,取 0.05;x為炮泥運動的距離;p為炮泥膨脹對孔壁的擠壓力;η為側向壓力系數;u0=0.8u,其中 u0為巖石動態泊松比,u為巖石靜態泊松比,u取 0.25,故η=0.25;ls為炮泥堵塞長度;

a——炮泥的加速度。

圖1 炮泥受力分析

由于炮泥在軸向受到爆生氣體的準靜態壓力作用,徑向自然就會發生膨脹,但是由于受到孔壁的管制作用,徑向不能發生任何變形,這樣炮泥就必然對孔壁施加壓力 p:

炮泥被推出炮孔所運動的距離即等于炮泥的長度:

故由式(3)～(6)得:

由式(6)和式(7)得出:

由求根公式得:

去掉負數根得出:

則式(11)就是用動量守恒定律與牛頓第二定律推導出來的計算堵塞長度的公式。

3 應用實例

根據秦嶺 1號隧道開挖 Ⅳ級圍巖鉆爆裝藥及炮泥有關參數[3]進行驗算,炮孔直徑 0.04 m,掏槽眼和輔助眼深度分別為 2.69 m和 2.10 m,每孔裝藥量分別為 1.5 kg和 1.2 kg,乳化炸藥密度為ρ=1000 kg/m3,炮泥的密度 ρ泥=1850 kg/m3,乳化炸藥爆速 D=3309 m/s。

代入式(11),得堵塞長度與炮孔長度之比為:

堵塞長度分別為 43 cm和 34 cm,與國內一些工程師認為開挖隧道爆破中一般堵塞長度為 40～60 cm相差不大[4]。

查閱秦嶺隧道開挖資料可知,秦嶺隧道爆破中實際合理堵塞長度與炮孔比為 0.180。且趙新濤、程貴海等人[5]在 2010年炮孔堵塞長度的計算與實驗研究中得出的堵塞長度最優值的范圍為:0.20,0.30,0.35,0.45,0.50,0.60,0.70 m。實際合理堵塞長度與炮孔比在數值上與公式(11)計算的數值基本符合。

以上公式與炸藥密度、炮孔直徑、炮孔深度和炮泥密度相關,且炮泥的密度越大,填塞長度就越小,這樣可以節省炮泥的用量。式(11)計算得堵塞長度是要求的起碼長度,實際工程中可適當增加堵塞長度。

4 結 論:

(1)炮泥對開挖爆破有 2大作用:一是延長爆生氣體在炮孔內的作用時間,提高爆炸能量的利用率;二是炮孔內的高溫條件得以維持更長時間,從而提高了炸藥的化學反應完全程度,減少了有害氣體的生成量,還能縮短隧道中的通風時間。

(2)考慮了炮孔直徑、炸藥密度、爆容、炮泥與孔壁之間摩擦阻力、堵塞炮泥密度等因素,推導了炮泥堵塞長度與炮孔深度的計算公式。式(11)計算得堵塞長度是要求的起碼長度,實際工程中可適當增加堵塞長度。

致謝:本文得到長沙理工大學教學改革研究項目 JG0849的資助和吳從師教授的指導,謹向學校和老師表示感謝。

[1] 王海亮.爆破工程[M].北京:中國鐵道出版社,2007:12-13.

[2] 張國祥,等.試論炮泥在爆破中的作用[J].坑探工程,1990:26-27.

[3] 劉海江.秦嶺Ⅰ號隧道開挖方法及控制爆破技術研究[J].四川建筑,2009,29(2):193-195.

[4] 吳從師,等.高臺階爆破中超前壓縮填塞法的動應力場模擬[J].礦業研究與開發,1997,17(Z):13-15.

[5] 趙新濤,程貴海,等.炮孔堵塞長度的計算與實驗研究 [J].力學季刊,2010,31(2):165-171.

2011-07-06)

王 琛(1989-),男,湖南邵陽人,隧道與地下工程專業 08級本科生。