巖體中線型聚能爆破切割試驗及損傷規律研究?

趙建平,楊曉紅,張振洋,戴東波

(1.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083;2.湖南省有色地質勘查研究院, 湖南 長沙 410015)

0 引 言

線型聚能爆破是指將炸藥裝填于帶有楔形金屬藥型罩的線型長條形結構中,當炸藥爆炸時,利用爆轟波及產物在線型聚能槽表面垂直方向形成的聚能射流來破甲、致裂巖石或切割其它材料的一種爆破技術。線型聚能爆破技術由于具有能量密度高、方向性強和操作方便等特點,除用于軍事工業外,還用于石材、礦山、石油勘探致裂巖體形成平整切割面和建(構)筑物拆除。對于線型聚能爆破在巖體中的切割效果,有學者開展了一些研究。例如,在大型塊體切割和地坪溝槽等受限條件下,采用聚能預裂切縫新方法避免巖體欠挖和超挖,以減少鉆眼工作量,降低成本和提高效率[1];上杭縣紫金山金礦露采區通過開展大孔徑線型聚能預裂控制爆破試驗,以提高邊坡邊坡穩定性和預裂面成縫質量[2];在煤礦巷道掘進中采用雙線型聚能槽裝藥結構,提高了光面爆破效果,減少了炮孔數量33%[3];將研制的雙面切割器用于大連港大窯灣港二期工程邊坡中,使鉆孔量減少50%,保證了工期和降低了造價[4];文獻[5]試驗比較了“V”型和半圓型2種線型聚能切割器對鋼板的侵徹效果,并在石灰巖中開展了雙向紫銅藥型罩的線型聚能爆破切割試驗,以致裂巖體。上述巖體中的線型聚能爆破試驗和應用,對線型聚能藥包的作用機理、裝藥設計和應用研究具有重要的現實意義,然而對于巖體中線型聚爆破時在聚能槽方向和其它方向的致裂效果和損傷,鮮有文獻開展研究。本文將在巷道巖壁開展線型聚能爆破切割試驗的基礎上,通過布巖體損傷測試對線型聚能爆破切割槽方向致裂效果和其它方向的巖體損傷開展研究。

1 線型聚能爆破切割巖體機理

1.1 聚能射流

根據作用原理的不同,聚能切割裝藥可以分為面對稱聚能裝藥(PSC－Planar Symmetrie Charges)、線型聚能裝藥(LSC－Linear Shaped Charges)和線型彈丸裝藥(LPC－Linear Projeetile Charges)3種[6]。長條形空穴裝藥中嵌有金屬藥型罩的線型聚能裝藥裝置一端起爆時,爆轟波沿著裝藥長度方向傳播的同時,金屬罩在滑移爆轟波的驅動下,向中央聚能糟的對稱面運動,并在對稱面發生碰撞,由于飛出速度相等,藥形對稱,爆轟產物主要聚集在聚能槽軸線上,匯聚形成速度很高的金屬射流和速度較低的金屬桿體。線型聚能射流較其它方向具有極高的速度、密度、壓力和能量密度,具有顯著增強的破壞作用。

圖1為曝光時間為50 ms的400 k V脈沖X光機攝得的線型聚能裝藥的射流圖[6]。藥型罩內壁附近的金屬在垂直對稱平面上形成向著裝藥底部高速運動的片狀射流的“聚能刀”,罩外壁附近金屬則形成片狀的杵體,在對稱平面上以低得多的速度向同一方向運動,測得射流頭部速度為3000 m/s,杵體速度為500～1000 m/s[6]。

圖1 線型聚能裝藥的X光照片示意

1.2 線型聚能裝藥對巖石的切割作用

巖體中的線型聚能裝藥射流作用過程為：一炮孔中的藥包起爆后,爆轟波沿著藥包底部運動的同時,滑移爆轟波壓合聚能罩使之向聚能槽對稱面上運動,并在對稱面上發生碰撞從而產生端部速度達7～8 km/s的金屬射流,尾部則逐漸降低,至杵體只有0.5～1.0 km/s;二金屬射流作用于巖石,在聚能金屬罩對稱面方向形成一定深度和寬度的切割槽,形成初始裂紋,同時在炮孔其它方向也有爆炸波的作用,造成炮孔周圍不同程度的損傷;三在爆生氣體的氣楔作用下,使得裂紋擴展、貫通,實現巖體切割和分離。

1.3 影響射流形成的因素

線型聚能裝藥爆炸形成金屬射流切割巖體是髙速瞬間的過程,聚能藥包形狀、炸藥性能、藥型罩、炸高等參數對射流形成過程和巖體切割性能有重要影響[7]。

(1)藥包形狀常有圓柱形、長條形和球形等,其中以圓柱形藥包應用廣泛。

(2)炸藥性能是影響爆力和猛度的最重要因素,聚能爆破的藥型罩壓合和碰撞速度主要取決于炸藥的爆轟壓力。在巖體開挖中,多以乳化炸藥和銨油類炸藥為主,通過選擇合適的炸藥能夠達到聚能切割巖體效果,并防止其它方向巖體損傷的目的。

(3)藥型罩將爆炸能量轉換成金屬金屬射流,以提高聚能藥包的聚能威力。藥型罩的材料、形狀及幾何尺寸對產生射流參數有影響。

(4)炸高與炸藥性能、藥包尺寸、藥型罩材質、錐角大小均有關。隨著炸高的增加,可以提高切割深度,但增加到一定值后,射流會產生徑向分散和擺動,使切割深度降低。

2 巖體損傷測試原理

線型聚能爆破在聚能槽方向致裂巖體的同時,在炮孔周圍其它方向也引起巖體損傷。目前,巖石損傷的檢測方法分為兩類：一是用金相學方法直接測量巖石中各種損傷缺陷的直接檢測法;二是通過一定的物理假設建立的巖石宏觀物理量與損傷變量之間關系的間接檢測法。間接方法中,用超聲波得的巖體波速變化以定義損傷參量,建立相關模型研究巖體爆破損傷特性。

聲波波速表示的巖體損傷程度D的表達式為：

式中,E0為爆破前巖體的彈性模量;E為爆破后巖體的等效彈性模量;v0為爆破前巖體的聲波速度;v為爆破后巖體的聲波速度;η為聲速降低速率。

試驗中,布置于巷道側壁的爆破孔和測試孔的巖體由于已經受到前期巷道掘進時的爆破損傷,為了正確分析線型聚能爆破作用下巖體的損傷程度和損傷范圍,采用損傷增量ΔD評價巖體破壞,則：

根據式(1),線型聚能爆破前初始損傷為：

線型聚能爆破后損傷為：

線型聚能爆破前后損傷增量為：

式中,v0為線型聚能爆破前單孔中聲波速度的最大值;v1為線型聚能爆破前單孔中不同孔深處的聲波速度;v2為線型聚能爆破后單孔中不同孔深處的聲波速度;ΔD表示線型聚能爆破對巖體造成的損傷。

在實際工程應用方面,以爆前、爆后波速變化率等于10%作為損傷閾值,對應的巖體損傷閾值為Dcri＝0.19,即認為D＞Dcri時達到破壞狀態,反之認為巖體沒有損傷。參考巖體的損傷閾值確定,巖體介質線型聚能爆破爆后損傷增量閾值定義為：

當ΔD＞ΔDcri時,線型聚能爆破對此處巖體達到破壞狀態,反之認為巖體沒有損傷。

3 巖體中線型聚能切割爆破試驗

3.1 場地工程地質

(1)工程地質。試驗場地位于衡陽某礦所屬的采區四中段。礦區出露的巖石,主要為礫巖、砂巖和板巖,均為巨厚層狀或塊狀,砂礫巖巖石組成的原生巖石比較堅硬,穩固性較好,風化后多成砂土狀,較為松散,穩固性差;原生板巖、角巖組成的巖石致密,不易風化,巖石穩固性好;花崗斑巖、脈巖巖石致密堅硬,穩固性好。

礦區地質結構較為簡單,對礦體及圍巖影響較大的因素主要是斷裂構造。礦區內斷裂構造發育,節理裂隙較發育,F24斷層破碎帶有多期活動特征,破碎強烈,角礫膠結不緊,穩固性差;北東向斷裂對礦體及圍巖的破壞作用極大,特別是次生斷層發育的地段,礦體及圍巖的穩固性極差。

(2)巖石的力學性質。巖石的粘聚力和內摩擦角平均值見表1。

表1 巖石力學參數平均值

由表1可知,巖石的單軸抗壓強度與抗拉強度的比值較大,說明巖石的脆性性質明顯。

3.2 炮孔布置

根據巖體強度、完整度和巖層走向、傾向,將爆破孔和測試孔布置于巖體強度和完整性較好的地層中;爆破孔中線型聚能切割管聚能槽方向與巖層走向一致,并在其前方及周圍適當位置布置測試孔,以測試線型聚能爆破效果。

圖2為爆破孔和測試孔現場布置圖。爆破孔B2和測試孔B2C1～B2C6均為孔深1.4 m、Φ42 mm的水平孔,布置于通往采場的穿脈巷道左側巖壁上。

圖2 炮孔現場布置

根據現場炮孔布置,對孔位進行測量,以爆破孔B2為極點,與水平線逆時針方向夾角α為極軸,建立極坐標系,對應測試孔B2C1～B2C6孔位坐標見圖3。

圖3 孔位坐標(單位：cm,°)

3.3 聚能管制作

試驗選用不銹鋼管為聚能管外殼,長度1.4 m,外徑38 mm,內徑37 mm,壁厚0.5 mm;聚能罩采用紫銅板,厚度為1 mm。將紫銅板加工成“V”型后與聚能管開口處焊接,聚能錐角為40°,見圖4。

圖4 單向聚能管結構示意圖(單位：mm)

炸藥采用2＃巖石乳化炸藥藥卷,每卷200 g。裝藥采用連續裝藥結構,裝藥密度1.2 g/cm3,裝藥長度1.2 m,裝藥質量1436 g。

裝藥完畢后,將線型聚能管置于爆破孔,并使“V”藥型罩開口的角平分線方向與巖層走向一致,即保證射流方向與巖層方向一致,以形成裂縫。

堵塞采用巷道鉆孔時形成的粉末和巷道底泥,堵塞長度20 cm。起爆采用導爆管雷管瞬時起爆。

4 巖體致裂效果及損傷范圍確定

4.1 線型聚能爆破致裂效果

聚能爆破致裂后記錄巖體的致裂效果,圖5為聚能爆破致裂效果圖。

聚能爆破后,主要在巖層表面聚能槽開口方向的炮孔壁上產生了壓碎性的巖石粉末,并在其前方有裂紋擴展。由于聚能炮孔孔徑方向無自由面,不能提供足夠的補償空間,致使裂紋擴展長度有限;聚能炮孔在孔口軸向方向只有一個自由面,由于爆破漏斗作用,使得爆破孔口周圍巖層部分剝離,剝離量有限,但孔口聚能槽對應方向和其后方剝離量大于其它方向。

圖5 聚能爆破致裂效果

4.2 聚能爆破前后巖體損傷

4.2.1 巖體超聲波測試

線型聚能爆破前后,對巖體聲波波速進行測試。聲波測試裝置采用RSM－SY5(T)非金屬聲波檢測儀,配合“一發雙收”單孔換能器,進行聚能爆破前后的巖石地質孔內波速測。從孔底向孔口方向每5 cm測試1次。

由于聚能爆破作用,致使爆破孔和個別測試孔破壞,不能進行測試。

根據實測波速,繪制爆破前、后每組孔的波速隨深度變化的折線圖,如圖6所示。

圖6 同組孔試驗前后波速隨孔深變化關系

由圖6可知：試驗前,隨著距離孔口距離增大,巖體波速逐漸增大;同一組測試孔,不同孔位隨著孔深增大,波速差別很大;試驗后,對應孔位處波速較之前保持不變,或有所降低,或降低明顯。

4.2.2 線型聚能爆破前后巖體損傷

根據式(2)、式(3)和圖6數據,繪制爆破前后每組孔的損傷隨深度變化折線圖,如圖7所示。

巷道開挖時,由于圍巖重分布和爆破作用在巷道徑向的圍巖范圍內形成依次形成圍巖松動區、塑性區和原巖彈性區,且3個分區對應的聲速分布不同。由圖7(a)可知：B2試驗在測試范圍內巖體初始損傷大于初始閾值Dcr＝0.19,即巖體處于破壞狀態,位于巖體松動區。由圖7(b)可知：B2C1～B2C5測試孔的損傷曲線與初始損傷類似,損傷增大,但增幅較小;B2C6測試孔的損傷曲線顯著大于初始損傷損傷。

圖7 試驗前后巖體損傷隨孔深變化關系

4.3 巖體損傷增量

由損傷增量ΔD可判斷線型聚能爆破對周圍巖體的效果和破壞范圍。根據式(4)和圖7數據,繪制爆破前后每組孔的損傷增量ΔD隨深度變化折線圖,如圖8所示。

由圖8可知：B2C6測試孔中損傷增量顯著大于C1－C5測試孔,表明線型聚能爆破對切割槽開口前方巖體造成致裂破壞,而對其它方向破壞很小,具有良好的切割效果好,能夠保證按照預定方向切割巖體。

圖8 試驗前后損傷增量隨孔深變化關系

5 結 論

傳統的鉆孔爆破法,炸藥爆轟釋放的爆炸沖擊波、應力波和爆生氣體膨脹作用于孔壁四周,在炮孔周圍的空間形成壓縮粉碎區、破裂區和彈性振動遠區。若將此法用于巖體壁面切割,將不可避免的在形成切割面的同時,也使得裂紋分布于炮孔四周的巖體中,使巖體質量變差。巖體中的線型聚能爆破切割試驗、爆后觀察和損傷測試的研究表明：

(1)巖體線型聚能爆破切割技術能夠產生金屬射流,射流具有極高的速度、壓力、能量密度和方向性,其作用于聚能槽開口方向的巖體,使得巖體定向致裂,聚能槽開口之外的巖體損傷很小,保證了切割巖體的塊度大小和完整度,減少了巖體中的裂紋,提高了品質。

(2)通過在測試孔中開展波速測試,可以準確判斷出測試孔周圍巖體的損傷情況,線型聚能爆破對切割槽開口前方巖體造成致裂破壞,而對其它方向破壞很小,具有良好的定向切割作用。

(3)試驗中采用的炸藥為2＃巖石乳化炸藥,連續裝藥結構,猛度較大,在炸藥種類不變的情況在,可調整裝藥結構、炸藥密度、裝藥直徑和深度等爆破參數,以適應聚能錐角致裂巖體的同時,減少其它方向爆破作用對巖體的損傷。

(4)受井下試驗場地和其它各方面條件限制,僅能夠完成炮孔徑向無自由面條件的少量線型聚能切割爆破試驗,對于成規模的線型聚能爆破切割試驗還需要相應礦山企業的配合,若無相關場地和人員配備等各方協調支持,試驗難度極大。

致謝：感謝中鎢高新礦山共享中心和衡陽遠景鎢業有限責任公司給與本試驗的大力支持!