高頻破碎錘陣列排布方式研究

彭玉鳳 李睿哲 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院

開發(fā)長江黃金水道以推動沿江經(jīng)濟帶發(fā)展，需加大長江流域生態(tài)環(huán)境的保護力度。而長江上游存在多處礙航礁石，需采用合理的方式進行航道整治。目前水下炸礁是礙航礁石的主要整治方法，該方法技術(shù)成熟，效率較高，但對水生生態(tài)環(huán)境影響極大，其不符合環(huán)保建設(shè)的理念。高頻破碎錘具有高效、節(jié)能、環(huán)保以及可以在不改裝的情況下進行水下破碎作業(yè)等特點，但是現(xiàn)有高頻破碎錘的使用工況為陸地使用，將其應(yīng)用于水下礁石清理時，水域深度、水域環(huán)境、礁石自身材質(zhì)及破碎錘布置形式均會對礁石清理效率產(chǎn)生影響。本文采用楊勝發(fā)團隊研發(fā)的一種破碎錘實驗裝置對長江巖石進行破碎，結(jié)合破碎錘破巖現(xiàn)場試驗和數(shù)模驗證，基于現(xiàn)有破碎錘破巖特點，繼而提出一種破巖效率較好的布置形式，以期為水下清礁現(xiàn)場作業(yè)提供一種有效的施工方法。

1.高頻破碎錘現(xiàn)場試驗

1.1 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場破巖試驗是為了對目標(biāo)巖石的破巖效果進行分析，探尋一種效率較高的高頻破碎錘陣列排布方式，為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。本次試驗采取多次鑿眼，人工制造多個臨空面破碎方式。

試驗裝置為楊勝發(fā)團隊研發(fā)的一種水下礁石破碎實驗裝置，包括實驗水池，水池內(nèi)設(shè)有實驗裝置。試驗場地均選取在重慶市南岸區(qū)啞巴洞碼頭，屬三峽庫區(qū)變動回水區(qū)消落帶，裸露在陸面的巖石為大面積的砂巖，具有長江上游礁石的典型特征。通過取巖心單軸抗壓試驗測得，巖石的單軸抗壓強度為35Mpa-55Mpa，取平均值45Mpa。

試驗前，應(yīng)在典型礁石表面選定較為平整的位置放置設(shè)備，并在礁石表面鉆出深度適宜的孔，施放固定器完成固定，在確保固定系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定的條件下進行試驗。

為驗證多個臨空面對目標(biāo)巖石破碎的影響，采用在不同區(qū)域多次鑿眼的方式制造不同數(shù)量的臨空面，以數(shù)字表示破碎錘擊打順序，其中釬桿半徑為2.25cm，則孔距保持為8cm。不同臨空面的布置工況和鑿眼順序：工況A-E是沿著破碎中心制造不同數(shù)量的臨空面，分別為2-6個臨空面，工況B與F改變布置角度，皆為3個臨空面。

1.2 試驗結(jié)果

在爆破工程中，通常將藥包中心或重心到最近臨空面的距離，稱為抵抗線，而爆破中心距自由門的最小距離成為最小抵抗線，最小抵抗線取得合理與否，直接關(guān)系到各項爆破指標(biāo)的準(zhǔn)確性。破碎錘對巖石的破碎與巖石爆破同屬動載沖擊破碎，故可將破碎中心與側(cè)向臨空面的距離稱為破碎施工中巖石的抵抗線，其最小值為最小抵抗線。

各工況下最后一次鑿眼時間和深度如表1所示，經(jīng)前期實驗研究，本次最小抵抗線長度選取為6cm。由表中數(shù)據(jù)可知，破碎錘破巖效果與臨空面有很大關(guān)系，隨著臨空面數(shù)量增加，每個單位破碎深度用時減少，且破碎錘破碎的極限破碎深度隨之增加，那么破碎的綜合效率也增加。比較在相同數(shù)量不同角度布置的臨空面工況B和F，工況F每個單位破碎深度所用時比工況B少，而且破碎極限深度比工況B大，那么工況F破碎的綜合效率比工況B破碎的綜合效率較高，則破碎效率可能與最小抵抗線所在直線形成的角度有關(guān)。

表1 多個人工側(cè)向臨空面情況下破巖效果數(shù)據(jù)表

2.數(shù)學(xué)模型驗證

為了分析最小抵抗線所在直線形成的角度對于破巖效果的影響，本文通過CAE商業(yè)軟件ABAQUS比較了破碎錘不同排列下制造人工臨空面對破碎錘破碎效率的影響。

本構(gòu)模型采用D-P模型，D-P模型是一種理想的彈塑性模型，用其模擬巖土的性質(zhì)較為合理，巖體的設(shè)置為120mm×120mm×60mm的立方體，巖石的材料參數(shù)設(shè)置分別為彈性模量25000Mpa，泊松比0.2，摩擦角45°，流應(yīng)力比1，膨脹角30°，硬化行為壓縮，屈服應(yīng)力45Mpa巖石的網(wǎng)格單元采用八結(jié)點線性六面體單元，單元體尺寸為1mm×1mm×1mm。破碎錘僅對釬桿的釬頭建立模型，釬桿直徑45mm，錐度為16°，三個釬桿均設(shè)置為剛體。

對巖石底部施加固定約束，并限制釬桿除Z方向（豎直方向）以外所有方向的自由度。以3個破碎錘組成陣列，在其中一個破碎錘周邊采用其余兩個破碎錘擊打出臨空面，兩最小抵抗線所在直線的角度分別為60°、90°和180°，長度均為50mm。分析步采用顯示動力學(xué)分析，將釬桿與巖體表面接觸設(shè)置表面接觸，約束類型為運動接觸，滑移的分析公式選定為有限滑移。對后擊打的破碎錘施加一次大小為50KN，作用時間為8×10-4s的脈沖荷載以探究該次破碎的深度。

不同角度下最小抵抗線所在直線，釬桿位移隨時間的變化曲線，以釬桿的極限位移代表破碎深度。可以看出，最小抵抗線夾角在90°和180°時單次破碎深度區(qū)別不大，在60°時單次破碎深度明顯增大，因此，最小抵抗線所在直線的夾角與破碎效果沒有明顯的相關(guān)性。

用釬桿位移對時間求導(dǎo)，可以得到釬桿的速度，當(dāng)夾角為60°時釬桿的回彈速度明顯比其余兩者大。因三者的輸入荷載條件完全相同，用E代表總能量，E1代表破碎巖石消耗的能量，E2代表釬桿回彈時的動能，有：

由動能定理：

式中，m代表釬桿質(zhì)量；v代表釬桿的回彈速度。

夾角60°工況下釬桿回彈時的動能大于90°和180°工況的動能，說明夾角為60°工況釬桿在破碎深度更大的情況下消耗了更少的能量。這是因為夾角為60°時，預(yù)先破碎的兩破碎錘破碎中心距離近，導(dǎo)致孔壁相互貫通，增大了臨空面的范圍，從而減小了破碎的面積，使破碎過程中的破碎阻力和能量耗散減小。

3.結(jié)論與展望

本文采用理論分析、現(xiàn)場試驗以及數(shù)學(xué)模型驗證相結(jié)合的方法，分析了以不同數(shù)量和不同角度布置的高頻破碎錘，采用鑿眼方式人工制造不同臨空面，以釬桿的極限位移與時間對應(yīng)關(guān)系作為破巖效率參數(shù)，分析了其破巖效率，并得出以下結(jié)論：

（1）破碎錘陣列比單個破碎錘破巖效率好，多個破碎錘陣列，各自鑿出鑿孔互為臨空面，并且隨著破碎中心周邊的臨空面數(shù)量越多，破碎錘的破碎效率越高；相同臨空面數(shù)量下，最小抵抗線所在直線的夾角對破碎效果沒有明顯的相關(guān)性，但是以三個破碎錘組成陣列時，陣列呈等邊三角形排布能夠更加有效地利用臨空面，破碎效率更高，能量在巖石中消耗更少。

（2）本文探討了以三個高頻破碎錘為陣列的較優(yōu)排布方式，三個以上數(shù)目的破碎錘陣列排布方式和破碎錘最佳布置數(shù)量等，并對原有破碎實驗裝置進行改進為等邊三角形排布，為充分利用臨空面，實驗裝置可增設(shè)旋轉(zhuǎn)裝置，將陣列旋轉(zhuǎn)60°，并以此提出了基于破碎錘破巖的現(xiàn)場施工方式。