留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究

满轲 刘晓丽

满轲, 刘晓丽. 周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
引用本文: 满轲, 刘晓丽. 周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
Ke MAN, Xiao-li LIU. THE EFFECT OF SURROUNDING EMPTY HOLES ON THE BLASTING VELOCITY AND DAMAGED ZONES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
Citation: Ke MAN, Xiao-li LIU. THE EFFECT OF SURROUNDING EMPTY HOLES ON THE BLASTING VELOCITY AND DAMAGED ZONES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790

周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
基金项目: 国家重点研发项目(2018YFC1504801,2018YFC1504902);国家自然科学基金项目(51522903);清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室项目(2019-KY-03)
详细信息
    作者简介:

    满 轲(1982−),男,河南人,教授,博士,主要从事岩石动力学及工程开挖方面的研究工作(E-mail: man_ke@sina.cn)

    通讯作者: 刘晓丽(1978−),男,山东人,研究员,博士,主要从事岩土与地下工程多场耦合作用研究(E-mail: xiaoli.liu@tsinghua.edu.cn)

THE EFFECT OF SURROUNDING EMPTY HOLES ON THE BLASTING VELOCITY AND DAMAGED ZONES

  • 摘要: 基于光面爆破施工方法,设计了甘肃北山坑探设施项目光面爆破施工的爆破参数,研究了周边孔在空孔间隔情况下的炮眼布置方案。进而,从爆破原理出发,对装药孔与空孔之间的相互爆破作用进行了分析计算,认为在应力集中区与破裂区相互重合状态下的空孔间距是最适宜的间距,通过计算获得其间距值约为30 cm。进一步的实施了在空孔间隔布设周边孔情况下的光面爆破试验,根据爆破后的炮孔利用率及半孔率,发现在采用空孔间隔的左帮位置处,光面爆破效果良好,验证了通过上述方法计算得到的空孔间距是合理的。同时,对爆破过程中和爆破后分别实施了爆破振动监测及围岩损伤测试,爆破振动测试结果显示:空孔间隔侧的最大振速(12 cm/s)小于普通药包侧的最大振速(20 cm/s)。围岩损伤测试结果表明:空孔间隔装药处爆破导致的围岩损伤范围(22 cm)也较普通药包处小(27 cm)。需指出的是,钻爆施工涵盖多种不同的爆破参数,影响因素众多,该文爆破试验获取的爆破数据仅仅是对周边孔布设空孔时产生空孔效应的初步探索,该研究可对后续工程开挖提供相应的试验数据与理论支撑,其对于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置,有一定的理论指导意义。
  • 图  1  装药孔与空孔平面布置图

    Figure  1.  Schematic of empty hole and charging

    图  2  爆破炮孔布置图

    Figure  2.  Schematic of boreholes

    图  3  实际打眼定位图

    Figure  3.  Photos of actual boreholes

    图  4  全断面光面爆破效果图

    Figure  4.  Photo of blasting effect

    图  5  周边孔普通装药和空孔间隔装药时爆破测点信号波形

    Figure  5.  Vibration waveform of usual charge and empty charge for surrounding holes

    图  6  周边孔普通装药和空孔间隔装药时爆破信号频谱

    Figure  6.  Blasting signal spectra of usual charge and empty charge for surrounding holes

    图  7  高频1.5 GHz雷达测试结果

    Figure  7.  Test result of ground penetrating radar of 1.5 GHz

    表  1  爆破参数表

    Table  1.   Blasting parameters

    炮孔名称眼号炮眼个数眼深/m装药量起爆
    顺序
    连接
    方式
    装药
    结构
    雷管
    类型
    炸药
    类型
    开挖断面
    面积/m3
    平均循环
    进尺/m
    炸药单耗/
    (kg/m3)
    卷/眼总重量/kg
    空眼112.200.0串并联反向
    装药
    毫秒
    雷管
    三级岩石
    乳化炸药
    12.1522.09
    掏槽眼2~762.23.56.31
    辅助眼8~1032.02.52.33
    辅助眼11~1222.02.51.55
    辅助眼13~2192.02.56.87
    辅助眼22~32112.02.58.39
    辅助眼33~46142.02.08.411
    周边装药孔47~5152.01.52.313
    周边空孔52,54,56,5842.000.0
    周边装药孔53,55,57,59~72172.01.57.713
    底眼74~7962.03.05.415
    底眼73,8022.03.01.819
    合计8050.8
    下载: 导出CSV
  • [1] Li Meng, Zhu Zheming, Liu Ruifeng, et al. Study of the effect of empty holes on propagating cracks under blasting loads [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, 103: 186 − 194. doi:  10.1016/j.ijrmms.2018.01.043
    [2] Vermaa H K, Samadhiyab N K , Singhb M , et al. Blast induced rock mass damage around tunnels [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 71: 149 − 158. doi:  10.1016/j.tust.2017.08.019
    [3] 付玉华, 李夕兵, 董陇军. 损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(5): 1420 − 1426. doi:  10.3969/j.issn.1000-7598.2010.05.012

    Fu Yuhua, Li Xibing, Dong Longjun. Analysis of smooth blasting parameters for tunnels in deep damaged rock mass [J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(5): 1420 − 1426. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-7598.2010.05.012
    [4] 马芹永. 光面爆破炮眼间距及光面层厚度的确定[J]. 岩石力学与工程学报, 1997, 16(6): 590 − 594. doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.1997.06.013

    Ma Qinyong. Definition of hole-space and burden in smooth blasting [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1997, 16(6): 590 − 594. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.1997.06.013
    [5] 孙珊珊, 赵均海, 贺拴海, 等. 爆破荷载下钢管混凝土墩柱的动力响应研究[J]. 工程力学, 2018, 35(5): 27 − 36.

    Sun Shanshan, Zhao Junhai, He Shuanhai, et al. Dynamic response of concrete-filled steel tube piers under blast loadingd [J]. Engineering Mechanics, 2018, 35(5): 27 − 36. (in Chinese)
    [6] Guan Xiaoming, Fu Hongxian, Wang Mengshu. Blasting vibration characteristics monitoring of tunnel under-passing hillside buildings in short-distance [J]. Rock and soil mechanics, 2014, 35(7): 1995 − 2003.
    [7] Xu Chen, Liu Xiaoli, Wang Enzhi, et al. Rockburst prediction and classification based on the ideal-point method of information theory [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 81: 382 − 390. doi:  10.1016/j.tust.2018.07.014
    [8] Man Ke, Liu Xiaoli, Wang Ju, et al. Directional blasting technology of slit charge for geological disposal of high-level radioactive waste [J]. Advances in Civil Engineering, 2018, 2018: 6401545-1 − 6401545-9.
    [9] Man Ke, Liu Xiaoli, Wang Ju, et al. Blasting energy analysis of the different cutting methods [J]. Shock and Vibration, 2018, 2018: 9419018-1 − 9419018-13.
    [10] Sun Huan, Liu Xiaoli, Zhu Jianbo. Correlation fractal characterization of stress and acoustic emission during coal and rock failure under multilevel dynamic loadings [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2019, 117: 1 − 10. doi:  10.1016/j.ijrmms.2019.03.002
    [11] Johansson D, Ouchterlony F. Shock wave interactions in rock blasting: The use of short delays to improve fragmentation in model scale [J]. Rock mechanics and Rock Engineering, 2013, 46(1): 1 − 18. doi:  10.1007/s00603-012-0249-7
    [12] 汪学清, 单仁亮, 黄宝龙. 光面爆破技术在破碎的软岩巷道掘进中的应用研究[J]. 爆破, 2008, 25(3): 12 − 16. doi:  10.3963/j.issn.1001-487X.2008.03.003

    Wang Xueqing, Shan Renliang, Huang Baolong. Application research on smooth blasting for cracked soft rock tunnelling [J]. Blasting, 2008, 25(3): 12 − 16. (in Chinese) doi:  10.3963/j.issn.1001-487X.2008.03.003
    [13] 吕渊, 张登龙. 光面爆破施工中关于周边眼参数的探讨[J]. 煤矿爆破, 2002(1): 7 − 9.

    Lü Yuan, Zhang Denglong. Study on parameters of peripheral hole during smooth blasting construction [J]. Coal Mine Blasting, 2002(1): 7 − 9. (in Chinese)
    [14] Yang Renshu, Ding Chenxi, Yang Liyun, et al. Study of decoupled charge blasting based on high-speed digital image correlation method [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 83: 51 − 59. doi:  10.1016/j.tust.2018.09.031
    [15] Li Xibing, Li Chongjin, Cao Wenzhuo. Dynamic stress concentration and energy evolution of deep-buried tunnels under blasting loads [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, 104: 131 − 146. doi:  10.1016/j.ijrmms.2018.02.018
    [16] 满轲, 刘晓丽, 王驹, 等. 高放废物地质处置切缝药包定向爆破技术研究[J]. 工程力学, 2019, 36(S): 316 − 324.

    Man Ke, Liu Xiaoli, Wang Ju, et al. Cutting seam cartridges of directional blasting technology for the geological disposal of High-level radioactive waste [J]. Engineering Mechanics, 2019, 36(S): 316 − 324. (in Chinese)
    [17] Armaghani D J, Momeni E, Abad S V A N K, et al. Feasibility of ANFIS model for prediction of ground vibrations resulting from quarry blasting [J]. Environment Earth Science, 2015, 74: 2845 − 2860. doi:  10.1007/s12665-015-4305-y
    [18] 刘优平, 周正义, 黎剑华. 井巷掏槽爆破中空孔效应的理论与试验分析[J]. 金属矿山, 2007(2): 12 − 14. doi:  10.3321/j.issn:1001-1250.2007.02.004

    Liu Youping, Zhou Zhengyi, Li Jianhua. Theoretical and test analysis on empty hole effect of cut blasting in tunnel [J]. Metal Mine, 2007(2): 12 − 14. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1001-1250.2007.02.004
    [19] 文梼, 谭海. 岩石爆破中的空孔效应数值计算分析[J]. 爆破, 2011, 28(3): 58 − 61. doi:  10.3963/j.issn.1001-487X.2011.03.017

    Wen tao, Tan Hai. Numerical analysis of void effect in rock blasting [J]. Blasting, 2011, 28(3): 58 − 61. (in Chinese) doi:  10.3963/j.issn.1001-487X.2011.03.017
    [20] 李启月, 徐敏. 直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析[J]. 爆破, 2011, 28(4): 23 − 26. doi:  10.3963/j.issn.1001-487X.2011.04.006

    Li Qiyue, Xu Min. Simulation of rock broken and analysis of void effect in straight cut hole [J]. Blasting, 2011, 28(4): 23 − 26. (in Chinese) doi:  10.3963/j.issn.1001-487X.2011.04.006
    [21] 付佳佳, 陈必港, 尤涛. “空孔效应”对光面爆破效果的影响分析[J]. 有色金属, 2017, 69(1): 44 − 49.

    Fu Jiajia, Chen Bigang, You Tao. Analysis of influence of void hole effect on smooth blasting [J]. Nonferrous Metal, 2017, 69(1): 44 − 49. (in Chinese)
    [22] 陈秋宇, 李海波, 夏祥, 等. 爆炸荷载下空孔效应的研究与应用[J]. 煤炭学报, 2016, 41(11): 2749 − 2755.

    Chen Qiuyu, Li Haibo, Xia Xiang, et al. Study and application of void effect on blast loading [J]. Journal of Coal Industry, 2016, 41(11): 2749 − 2755. (in Chinese)
    [23] 岳中文, 郭洋, 许鹏, 等. 定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析[J]. 爆炸与冲击, 2015, 35(3): 304 − 311. doi:  10.11883/1001-1455-(2015)03-0304-08

    Yue Zhongwen, Guo Yang, Xu Peng. Analysis of empty hole effect in directional fracture controlled blasting [J]. Explosion and shock waves, 2015, 35(3): 304 − 311. (in Chinese) doi:  10.11883/1001-1455-(2015)03-0304-08
    [24] 段卫东, 胡世高. 预裂爆破中最佳空孔间距的选择[J]. 矿业工程研究, 2012, 27(1): 4 − 7. doi:  10.3969/j.issn.1674-5876.2012.01.002

    Duan Weidong, Hu Shigao. The best choice of empty blasting hole spacing in the presplit blasting [J]. Mineral Engineering Research, 2012, 27(1): 4 − 7. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1674-5876.2012.01.002
    [25] 刘晓丽, 王思敬, 王恩志, 等. 含时间效应的膨胀岩膨胀本构关系[J]. 水利学报, 2006, 37(2): 195 − 199. doi:  10.3321/j.issn:0559-9350.2006.02.011

    Liu Xiaoli, Wang Sijing, Wang Enzhi, Xue Qiang. Study on time-dependent swelling constitute relation of swelling rock [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 37(2): 195 − 199. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:0559-9350.2006.02.011
    [26] 刘晓丽, 王恩志, 王思敬, 樊赟赟. 裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(9): 1814 − 1821. doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2008.09.008

    Liu Xiaoli, Wang Enzhi, Wang Sijing, et al. Representation method of fractured rock mass and its hydraulic properties study [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(9): 1814 − 1821. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2008.09.008
    [27] 刘晓丽, 王思敬, 王恩志, 等. 单轴压缩岩石中缺陷的演化规律及岩石强度[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(6): 1195 − 1201. doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2008.06.013

    Liu Xiaoli, Wang Sijing, Wang Enzhi, et al. Evolutionary rules of flaws in rock subjected to uniaxial compression and rock strength [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(6): 1195 − 1201. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2008.06.013
    [28] Liu Xiaoli, Wang Shanyong. Mine water inrush forecasting during the mining under waters [J]. Disaster Advances, 2012, 5(4): 877 − 882.
    [29] Yu Yang, Wang Enzhi, Zhong Jianwen, et al. Stability analysis of abutment slopes based on long-term monitoring and numerical simulation [J]. Engineering Geology, 2014, 183: 159 − 169. doi:  10.1016/j.enggeo.2014.10.010
    [30] Lü Qifeng, Wang Enzhi, Liu Xiaoli, et al. Determining the intrinsic permeability of tight porous media based on bivelocity hydrodynetics [J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2014, 16: 841 − 848. doi:  10.1007/s10404-014-1332-z
    [31] Liu Xiaoli, Wang Sijing, Wang Shanyong, et al. Fluid-driven fractures in granular materials [J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2015, 74(2): 621 − 636. doi:  10.1007/s10064-014-0712-7
    [32] Liu Xiaoli, Han Guofeng, Wang Enzhi, et al. Multiscale hierarchical analysis of rock mass and prediction of its mechanical and hydraulic properties [J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2018, 10: 694 − 702. doi:  10.1016/j.jrmge.2018.04.003
    [33] 宗琦. 岩石内爆炸应力波破裂区半径的计算[J]. 爆破, 1994, 2(2): 15 − 17.

    Zong Qi. The calculation of radius of fractured zone created by explosion stress wave in rock [J]. Blasting, 1994, 2(2): 15 − 17. (in Chinese)
    [34] 戴俊. 柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2001, 20(2): 144 − 146.

    Dai Jun. Calculation of radius of the broken and cracked areas in rock by a long charge explosion [J]. Journal of Liaoning Technical University, 2001, 20(2): 144 − 146. (in Chinese)
  • [1] 满轲, 刘晓丽, 王驹, 岳中文, 王锡勇, 许鹏.  高放废物地质处置切缝药包定向爆破技术研究 . 工程力学, 2019, 36(S1): 316-323,328. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.S013
    [2] 岳中文, 郭洋, 许鹏, 王茜, 赵静怡.  定向断裂控制爆破爆生裂纹扩展机理的实验研究 . 工程力学, 2016, 33(2): 50-58. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0816
    [3] 王培军, 王旭东, 马宁.  圆角多边孔蜂窝梁孔间腹板屈曲承载力研究 . 工程力学, 2015, 32(4): 145-152. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0978
    [4] 李庆文, 乔兰, 陈璐.  基于精确爆破载荷分析的安全距离判据 . 工程力学, 2015, 32(10): 123-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0248
    [5] 周航, 孔纲强, 刘汉龙.  正方形孔扩张的弹性分析 . 工程力学, 2013, 30(12): 183-188. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0617
    [6] 魏炯.  导向孔对两爆破孔间成缝过程影响的数值模拟 . 工程力学, 2013, 30(5): 335-339. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0432
    [7] 刘 霞 易伟建.  开孔深梁压杆-拉杆模型构造 . 工程力学, 2012, 29(12): 141-146. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.04.0205
    [8] 龙源, 谢全民, 钟明寿, 路亮, 李兴华.  爆破震动测试信号预处理分析中趋势项去除方法研究 . 工程力学, 2012, 29(10): 63-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.02.0093
    [9] 王维玉, 赵拓, 孟艳杰.  爆破地震作用下CFG桩复合地基动力特性的数值分析 . 工程力学, 2012, 29(增刊I): 150-155. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.S033
    [10] 朱志武, 宁建国, 李义.  钻孔爆破断裂控制技术研究 . 工程力学, 2006, 23(S1): 40-45.
    [11] 王元清, 梁宇钒, 石永久, 马赢.  单层带孔玻璃板孔边破坏应力的力学分析 . 工程力学, 2005, 22(5): 147-152.
    [12] 黄立新, 孙秀山, 刘应华, 岑章志.  正交各向异性孔板的材料参数识别 . 工程力学, 2004, 21(4): 28-33.
    [13] 潘艺, 胡时胜, 凤仪, 朱震刚.  泡孔尺寸对开孔泡沫铝合金力学性能的影响 . 工程力学, 2003, 20(4): 171-175.
    [14] 刘荣桂, 吕志涛.  预应力开孔梁模糊优化设计 . 工程力学, 2001, 18(6): 1-10.
    [15] 高索文, 王本利, 马兴瑞.  开孔薄板弹性波散射与动应力集中 . 工程力学, 2001, 18(2): 14-20.
    [16] 宋天舒, 吴林志, 杜善义, 刘殿魁.  圆柱壳非圆大开孔的应力集中研究 . 工程力学, 2000, 17(6): 47-52.
    [17] 陈昌荣, 黄维扬.  冷胀孔裂纹寿命增长效果估算模型 . 工程力学, 1996, 13(3): 27-32.
    [18] 王荣, 程昌钧.  计算开孔薄板临界载荷的边界元方法 . 工程力学, 1996, 13(3): 1-7.
    [19] 北京国际工程爆破技术学术会议秘书组.  “国际工程爆破技术学术会议”纪要 . 工程力学, 1991, 8(3): 139-139.
    [20] 梁凯金.  记录爆破破裂过程的超高速摄影方法 . 工程力学, 1986, 3(3): 32-32.
  • 加载中
图(7) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  20
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-26
  • 修回日期:  2020-06-29
  • 网络出版日期:  2020-11-06
  • 刊出日期:  2020-11-25

周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
    基金项目:  国家重点研发项目(2018YFC1504801,2018YFC1504902);国家自然科学基金项目(51522903);清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室项目(2019-KY-03)
    作者简介:

    满 轲(1982−),男,河南人,教授,博士,主要从事岩石动力学及工程开挖方面的研究工作(E-mail: man_ke@sina.cn)

    通讯作者: 刘晓丽(1978−),男,山东人,研究员,博士,主要从事岩土与地下工程多场耦合作用研究(E-mail: xiaoli.liu@tsinghua.edu.cn)

摘要: 基于光面爆破施工方法,设计了甘肃北山坑探设施项目光面爆破施工的爆破参数,研究了周边孔在空孔间隔情况下的炮眼布置方案。进而,从爆破原理出发,对装药孔与空孔之间的相互爆破作用进行了分析计算,认为在应力集中区与破裂区相互重合状态下的空孔间距是最适宜的间距,通过计算获得其间距值约为30 cm。进一步的实施了在空孔间隔布设周边孔情况下的光面爆破试验,根据爆破后的炮孔利用率及半孔率,发现在采用空孔间隔的左帮位置处,光面爆破效果良好,验证了通过上述方法计算得到的空孔间距是合理的。同时,对爆破过程中和爆破后分别实施了爆破振动监测及围岩损伤测试,爆破振动测试结果显示:空孔间隔侧的最大振速(12 cm/s)小于普通药包侧的最大振速(20 cm/s)。围岩损伤测试结果表明:空孔间隔装药处爆破导致的围岩损伤范围(22 cm)也较普通药包处小(27 cm)。需指出的是,钻爆施工涵盖多种不同的爆破参数,影响因素众多,该文爆破试验获取的爆破数据仅仅是对周边孔布设空孔时产生空孔效应的初步探索,该研究可对后续工程开挖提供相应的试验数据与理论支撑,其对于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置,有一定的理论指导意义。

English Abstract

满轲, 刘晓丽. 周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
引用本文: 满轲, 刘晓丽. 周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
Ke MAN, Xiao-li LIU. THE EFFECT OF SURROUNDING EMPTY HOLES ON THE BLASTING VELOCITY AND DAMAGED ZONES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
Citation: Ke MAN, Xiao-li LIU. THE EFFECT OF SURROUNDING EMPTY HOLES ON THE BLASTING VELOCITY AND DAMAGED ZONES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(11): 127-134, 184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0790
  • 瑞典自20世纪50年代,率先研究一种能按设计轮廓线爆破岩体,使开挖壁面相对平整的控制爆破技术,即光面爆破技术。由于该技术能够有效控制围岩损伤,并且实现高效破岩,因此该施工技术获得了大量的推广,被越来越多的应用于工程实际中。其中,爆破参数如何选取至关重要,国内外学者对此基于不同的研究出发点,以及不同的爆破机理分析方法,进行了大量的分析与研究[1-10]。尤以光面爆破和预裂爆破应用更为广泛,因为无论是光面爆破还是预裂爆破,此两种工法均能够更好的保持围岩的开挖稳定,实现良好的爆破效果[11-17]。尤其以爆破周边眼空孔数目的选择与空孔位置的分布是研究与施工的热点与难点[18-20]。付佳佳等[21]采用理论与数值结合的方法分析了“空孔效应”对光面爆破效果的影响,其比较了普通光面爆破和带空孔的光面爆破两种方式下岩石中的应力场,“空孔效应”使得炮孔附近的应力增大,且切向拉应力的极大值出现在孔心连线方向,从而有利于该部分岩石的拉开、脱离和抛掷。另外,在“空孔效应”作用下的拉伸破坏范围要明显大于普通光面爆破的拉伸破坏范围,有利于平滑轮廓面的形成。在岩石破碎过程中,陈秋宇等[22]为改善爆破效果,使岩体的完整性降低,采用空孔控制裂纹的扩展,同时利用空孔补偿岩石的位移。关于空孔的研究,目前较多的是在掌子面的掏槽孔中含有空孔的情况下着眼,研究如何使掏槽孔中的空孔更有效掏槽的空孔效应问题,而在实施爆破过程中,对周边眼中含有空孔效应的问题研究不是很多。岳中文等[23]采用数字激光动态焦散线试验系统,对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。段卫东等[24]针对岩体爆破单孔的爆破参数与装药孔和邻近空孔的理论炮眼间距计算,认为破裂区和空孔周边的应力集中区重合时为炸药最大利用率,由此获得了空孔的理论最优间距。但研究成果仍较少,获得的部分结论尚需进一步的验证。

    甘肃北山坑探设施作为我国高放废物地质处置的工程技术型研究设施,与其它地下工程的显著区别是其对开挖质量要求很高,周边围岩损伤必须控制在尽量小的范围内,确保地下工程建成后,能够保持数万年的长期安全,核素不会从工程围岩迁移至自然界,因此,对围岩的爆破施工技术提出了更高的要求。本文针对甘肃北山坑探设施爆破试验现场实际工况,设计了钻爆法试验的爆破参数,并侧重在周边孔布设了若干间距的空孔予以间隔,进而研究爆破试验下的空孔效应,寻求其能否达到更为良好的爆破效果,是否有利于核废料处置工程的建设。鉴于此,本文从“空孔效应”研究的角度出发,对该区域花岗岩体的周边孔间距这一爆破参数进行分析、设计、试验与探讨。

    • 实现爆破的周边孔分为两类,分别是装药孔和空孔。装药孔是通过其孔内装载的炸药破碎岩石,充分发挥炸药的冲击爆热性能,利用其冲击波、发热及爆生气体的共同作用破碎岩石并抛掷岩渣。

      空孔一般是平行于装药孔,孔内不装炸药或者在孔底装少量的炸药,主要是为了提供自由面给装药孔,更有利于邻近装药孔的爆破实施。并且,空孔给岩石的破碎提供了一个补偿空间,爆破产生的岩石可以挤压在空孔内,有利于巷道周边轮廓的爆破形态,形成更好的半孔率。空孔和装药孔一般布置是间隔布置,既能充分发挥炸药性能,又能产生空孔效应,起到良好的爆破效果,并节省火工消耗。特别是针对坚硬的岩石,空孔的布设更有必要。

      从爆破机理分析,由于空孔的存在,沿着空孔和装药孔之间的岩石受力情况并不仅仅是传统意义上的冲击波和爆生气体共同作用,而是岩石的拉伸破坏作用起主导作用,其改变了爆破作用下岩石的破坏机理。对于岩石这种准脆性材料,其抗压强度远远大于其抗拉伸强度,至少为一个数量级的差异。其抗压强度一般为数百兆帕,而抗拉强度一般为数十兆帕。因此,如想高效的破坏或者破碎岩石,需要尽可能的使其产生拉伸受力状态。空孔炮孔壁面裂纹的起裂主要是由于壁面岩体质点受到切向应力而引起的,并且裂纹的扩展行为除了受到爆炸应力波之外,爆生气体亦起到了裂纹扩展的主要驱动作用。

      无论是室内岩石的单轴压缩、三轴压缩,还是直接拉伸或者间接拉伸试验,其破坏机理要么是拉伸破坏,要么是压剪破坏[25-32]。在炸药起爆作用下,单纯的靠冲击波以及应力波的压力传导至岩石的压力,是纯粹的压应力,只有当波传递至自由面的时候,发生了反射,产生了拉伸卸载波,才会产生拉伸应力,有利于岩石的剥裂。但是在靠近装药孔的岩壁上,产生的是压缩破坏,岩壁被爆炸波破损为岩粉。由于空孔的存在,其在岩体中产生了一个自由面,爆炸应力波在此会产生应力集中现象,此处的应力远远大于其它处岩石中的应力,并且在空孔与装药孔之间的岩石受到的不仅有冲击压力,还有拉伸应力。根据文献[33-34]的研究成果,特别是在周边装药孔与空孔的连线方向上,是最大拉应力产生的地方,使得装药孔与空孔之间产生裂纹,并且互相贯通,更易发生由拉伸应力导致的岩石破坏。

      同时,空孔致使其周围易于产生应力集中,爆炸应力波与爆生气体在空孔处能量聚集与释放会更为充分,沿着装药孔与空孔之间的连线方向更易发生贯通破坏,空孔起到了很好的导向作用。

      因此,在爆破破坏过程中,空孔的存在使得装药孔与空孔之间裂纹贯通,起到了很好的导向作用,有利于发挥炸药的性能。

    • 本文拟定以空孔效应的研究作为钻爆工程施工过程参数优化的选项之一。

      对炮眼间距,分别采取理论计算和半经验半理论分析方法对其进行了量化。巷道岩石坚固性系数取f=8,纵波波速cp=3500 m/s;周边眼使用乳化炸药,将每节药卷平均剪成4段,采用空气间隔不耦合装药,空气柱La=0.2 m,炸药密度ρ0=1000 kg/m3,爆速为D=4000 m/s,药卷直径为dc=3.2×10−2 m,炮眼直径db=4.2×10−2 m,炮孔长度为2.0 m,岩石泊松比µ=0.25。

      图1中,A为装药孔,B为空孔,P点在装药孔与空孔之间连线的某位置处,距离装药孔Ar,距离空孔BR${r_B}$为空孔半径,$\theta $为任意方向与炮孔间连线方向的夹角,装药孔与空孔间距为E

      图  1  装药孔与空孔平面布置图

      Figure 1.  Schematic of empty hole and charging

      根据弹性理论,空孔附近P点处的应力状态可表示为[13]

      $$ \begin{split} {\sigma _{rr}} =& \frac{1}{2}(1 - {k^2})({\sigma _{\theta B}} - {\sigma _{rB}}) + \\& \frac{1}{2}(1 - 4{k^2} + 3{k^4})({\sigma _{\theta B}}\cos 2\theta + {\sigma _{rB}}\cos 2\theta ) \end{split} $$ (1)
      $$ \begin{split} {\sigma _{\theta \theta }} = &\frac{1}{2}(1 + {k^2})({\sigma _{\theta B}} - {\sigma _{rB}}) + \\& \frac{1}{2}(1 + 3{k^2})({\sigma _{\theta B}}\cos 2\theta + {\sigma _{rB}}\cos 2\theta ) \end{split}\qquad$$ (2)
      $${\tau _{r\theta }} = \frac{1}{2}( {1 + 2{k^2} - 3{k^4}} )( {{\sigma _{\theta B}}\cos 2\theta + {\sigma _{rB}}\cos 2\theta } )$$ (3)
      $$k = \frac{{{r_B}}}{R}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad\quad$$ (4)

      式中:${\sigma _{rr}}$${\sigma _{\theta \theta }}$${\tau _{r{\theta} }}$分别为岩石P点处的径向应力、切向应力和剪切应力;${\sigma _{rB}}$${\sigma _{\theta B}}$分别为空孔B孔壁上未产生应力集中情况下的径向应力和切向应力。

      由上面的表达式可知,当$\theta $=0或者180°时,径向应力、切向应力及剪切应力为最大值。上式可化为:

      $${\sigma _{rr}} = \frac{1}{2}(2 - 5{k^2} + 3{k^4}){\sigma _{\theta B}} + \frac{1}{2}( - 3{k^2} + 3{k^4}){\sigma _{rB}}$$ (5)
      $${\sigma _{\theta \theta }} = (1 + 2{k^2}){\sigma _{\theta B}} + {k^2}{\sigma _{rB}}\qquad\qquad\qquad\qquad\;\;$$ (6)
      $${\tau _{r\theta }} = \frac{1}{2}( {1 + 2{k^2} - 3{k^4}} )( {{\sigma _{\theta B}} + {\sigma _{rB}}} )\qquad\qquad\qquad$$ (7)

      在空孔岩壁上的情况下,k=1,此时,${\sigma _{rr}}$${\tau _{r{\theta} }}$均为0,${\sigma _{\theta \theta }} = 3{\sigma _{\theta B}} + 2{\sigma _{rB}}$。也就是说,在相邻炮孔连线方向上才有拉应力的作用。

      根据爆破原理,在距离炮眼中心r处,岩体所受到的径向应力、切向应力分别为[20]

      $${\sigma _r} = {P_2}{\left(\frac{{{T_{\rm{b}}}}}{T}\right)^a}$$ (8)
      $${\sigma _{\theta} } = b{\sigma _r}\qquad$$ (9)

      式中:${\sigma _r}$为径向应力;${\sigma _{\theta} }$为切向应力;b为切向应力与径向应力的比值,$b = \dfrac{\nu }{{1 - \nu }}$$\nu $为泊松比;a为应力波衰减指数,a=2− b${T_{\rm{b}}}$为炮眼半径;${P_2}$为炮眼壁上的冲击应力。

      采用不耦合装药,炮眼壁上的冲击压力为[17]

      $${P_2} = \frac{1}{8}{\rho _0}{D^2}{\left( {\frac{{{d_{\rm{c}}}}}{{{d_{\rm{b}}}}}} \right)^6}n$$ (10)

      式中:${\rho _0}$为炸药密度;$D$为炸药爆速;${d_{\rm{c}}}$${d_{\rm{b}}}$分别为药卷直径、炮眼直径;n为爆轰产物撞击炮眼壁压力增大系数。

      采用空气间隔不耦合装药,炮眼壁上的冲击压力为[21]

      $${P_2} = \frac{1}{8}{\rho _0}D_{}^2{\left( {\frac{{{d_{\rm{c}}}}}{{{d_{\rm{b}}}}}} \right)^6}\left( {\frac{{{L_{\rm{c}}}}}{{{L_{\rm{c}}} + {L_{\rm{a}}}}}} \right)n$$ (11)

      式中:${L_{\rm{a}}}$为空气柱间隔长度;${L_{\rm{c}}}$为炮眼装药长度。本项目采用的是空气间隔不耦合装药,计算得到${P_2}$=5122 MPa。

      岩石在切向拉应力${\sigma _{\theta} }$作用下,产生拉断裂隙的条件为:

      $${\sigma _{\theta} } \geqslant {S_{\rm{{td}}}}$$ (12)

      式中,${S_{{\rm{td}}}}$为岩石的动态抗拉强度。

      装药炮孔与空孔间区域岩石质点破坏采用的是最小拉应力破坏准则,同时该准则采用了岩石动态拉伸强度值。

      其中,裂隙区半径${T_{\rm{k}}}$及装药孔与空孔间距E计算公式为[21]

      $${T_{\rm{k}}} = {\left( {\frac{{b{P_2}}}{{{S_{{\rm{td}}}}}}} \right)^{\frac{1}{a}}}{T_{\rm{b}}}\qquad\;\;\;$$ (13)
      $${P_{\rm{b}}} = {\left( {\frac{{{P_{\rm{a}}}}}{{{P_{\rm{k}}}}}} \right)^{\frac{k}{h}}}{\left( {\frac{{{V_{\rm{c}}}}}{{{V_{\rm{b}}}}}} \right)^k}{P_{\rm{k}}}\;\;$$ (14)
      $$2{T_{\rm{b}}}{P_{\rm{b}}} = \left( {E - 2{T_{\rm{k}}}} \right){S_{{\rm{td}}}}$$ (15)

      式中:${P_{\rm{a}}}$为爆压,${P_{\rm{a}}} = \dfrac{1}{8}{\rho _0}D_i^2$${D_i}$为炸药的理想爆速;${V_{\rm{c}}}$为装药体积;${V_{\rm{b}}}$为炮眼体积;k为凝聚炸药的绝热指数,取为1.4;h为凝聚炸药的等熵指数,取为3;${P_{\rm{k}}}$为爆生气体膨胀过程临界压力,近似取100 MPa。

      当岩石的动抗拉强度与空孔附近的抗拉强度一致时,破碎区面积最大,孔壁裂纹起裂扩展充分,空孔与装药孔之间的裂纹相互贯通,炸药利用最为高效。根据上述公式计算,可得到空孔和装药孔之间的间距约为300 mm。

    • 在爆破现场,根据实地岩石工程地质情况,采用改变周边眼间距的方法,验证不同爆破参数下光面爆破的效果。可借助于巷道超欠挖、周边孔半孔率等进行衡量当次的爆破效果。其中,对周边孔的左侧进行了空孔效应的研究,装药孔与空孔间隔布置,52、54、56、58作为空孔不装药。而在右侧周边眼全部装药,周边眼间距为298 mm(约为300 mm)。图2为本次光面爆破的炮眼布置图,表1为相应的爆破参数。具体试验论述如下。

      表 1  爆破参数表

      Table 1.  Blasting parameters

      炮孔名称眼号炮眼个数眼深/m装药量起爆
      顺序
      连接
      方式
      装药
      结构
      雷管
      类型
      炸药
      类型
      开挖断面
      面积/m3
      平均循环
      进尺/m
      炸药单耗/
      (kg/m3)
      卷/眼总重量/kg
      空眼112.200.0串并联反向
      装药
      毫秒
      雷管
      三级岩石
      乳化炸药
      12.1522.09
      掏槽眼2~762.23.56.31
      辅助眼8~1032.02.52.33
      辅助眼11~1222.02.51.55
      辅助眼13~2192.02.56.87
      辅助眼22~32112.02.58.39
      辅助眼33~46142.02.08.411
      周边装药孔47~5152.01.52.313
      周边空孔52,54,56,5842.000.0
      周边装药孔53,55,57,59~72172.01.57.713
      底眼74~7962.03.05.415
      底眼73,8022.03.01.819
      合计8050.8

      图  2  爆破炮孔布置图

      Figure 2.  Schematic of boreholes

      采用分次起爆方法,按照掏槽眼−崩落眼−帮眼−周边眼−底眼顺序起爆,共有10段;爆破掏槽采用直眼掏槽,左帮周边眼采取空孔间隔装药,有4个孔作为空孔不装药,右帮所有周边眼都装药,对爆破后的效果进行比较,图3为爆破前进行炮孔的定位工作及炮孔打眼情况。

      图  3  实际打眼定位图

      Figure 3.  Photos of actual boreholes

      根据爆破后效果,左侧有空孔时,光面爆破的半孔多且长,且无明显的超欠挖现象,爆破效果较好。爆破施工后,爆破掘进面左帮进尺2.2 m,右帮岩石掘进进尺2.1 m;并且左帮岩石半眼率数目更多,半眼长度更长,半眼痕率较高,如图4所示。

      图  4  全断面光面爆破效果图

      Figure 4.  Photo of blasting effect

      图4可知,对同一掌子面而言,采用空孔间隔设计周边眼间距时(300 mm),爆破效果较佳;未采用空孔间隔时,爆破效果一般。此外,未布置空孔的右侧,还浪费了炸药等爆品耗材。需说明的是:本次试验,掌子面内岩石硬度较高。可见,周边眼之间进行空孔间隔施工,不仅可形成有效的导向孔,利于爆破成型,并且还能够节省炸药、雷管、导爆索等耗材,达到合理经济开挖的目的。因此,合理的在周边孔间距中布设空孔对光面爆破效果影响至关重要,特别是在硬岩掘进过程中。

    • 结合上述空孔效应试验,同时进行了爆破振动监测,并在爆破后对周边围岩的损伤予以了监测。通过爆破最大振动速度、主频以及围岩损伤区范围,综合评价空孔间隔装药一侧与正常装药一侧的爆后效果。

    • 爆破振动测试可对该次循环的爆破效果进行综合评价,通过振动速度、爆破主频、振动持续时间等参数对爆破效果予以刻画,是爆破工程中常用的监测手段。本次爆破监测选用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破振动记录仪,从距爆破掌子面10 m位置布置测点,在巷道左侧帮部和右侧帮部各设置1个传感器。

      周边孔正常装药与空孔间隔装药的爆破振动信号波形图如图5所示。

      图  5  周边孔普通装药和空孔间隔装药时爆破测点信号波形

      Figure 5.  Vibration waveform of usual charge and empty charge for surrounding holes

      通过该次爆破试验获得的空孔间隔装药最大振速,以及上次循环周边眼正常装药时获得的最大爆破振速,对比分析,可得到距离爆源10 m处,普通装药侧产生的质点最大振动速度为20 cm/s,而空孔间隔装药侧所监测到的最大振动速度为12 cm/s。空孔间隔布置一侧,装药量比普通装药布置一侧的装药量少约1/2,其爆破振速与单段最大装药量密切相关,相应地爆破振速有大幅度的减弱。

      周边孔普通装药和空孔间隔装药时的爆破振动信号频谱如图6所示。可见,正常装药侧爆破信号更为复杂,峰值峰谷变化更为频繁剧烈,不利于工程设施的稳定。

      图  6  周边孔普通装药和空孔间隔装药时爆破信号频谱

      Figure 6.  Blasting signal spectra of usual charge and empty charge for surrounding holes

      同时,发现周边眼普通装药、周边眼空孔间隔装药爆破振动信号在0 Hz~250 Hz间的能量占该信号总能量的百分比分别为91.65%、63.08%。对于地下工程而言,爆破振动信号的能量在频域上虽然分布比较广泛,但绝大部分能量集中在0 Hz~500 Hz间。普通装药时能量主要集中在250 Hz以内,其中0 Hz~125 Hz能量占58.11%,125 Hz~250 Hz能量占33.54%,而空孔间隔装药时能量主要集中在0 Hz~500 Hz范围内,其中0 Hz~125 Hz能量占13.06%,125 Hz~250 Hz能量占50.02%,250 Hz~500 Hz能量占36.92%。

      相比于空孔间隔装药条件下,周边孔均为普通装药时,频率在主振带上分布更为集中。这主要是因为在临空面较好的条件下,空孔间隔装药爆炸的能量在空孔约束较弱的方向上会快速释放,而普通药包最后一段雷管单段爆破减小了地震波的相互干扰,从而导致信号更加集中于低频段的主振频带。两种装药形式所在测点离爆源的距离均相同,周边眼普通药包情况下其频带能量最大值却远超过了空孔装药条件下,这表明在爆破的近区,空孔装药降振效果明显。

    • 爆破振动监测表明爆破扰动对近区围岩的力学属性改变明显。但是,对该次爆破循环,左右两侧周边孔不同的装药结构,决定了左右两侧围岩的损伤是不一致的。鉴于此,开展了围岩损伤监测,通过雷达测试法和声波测试法,用以评价爆破后岩体的损伤特性及范围。

      采用美国生产的GSSI 1.5 GHz高频空气耦合天线雷达测试设备,用高频天线圈定高度损伤区EDZ的范围,并对测线圈定的EDZ深度进行统计,如图7所示为其中一次探地雷达测试结果。

      图  7  高频1.5 GHz雷达测试结果

      Figure 7.  Test result of ground penetrating radar of 1.5 GHz

      通过高频雷达探测结果,发现对于空孔间隔装药的左侧,其EDZ平均厚度为22 cm,而其右侧普通药包处,EDZ平均厚度为27 cm。需要说明的是,空孔间隔布置一侧,装药量比普通装药布置一侧的装药量少约1/2,其爆破振速和EDZ值亦有较大程度的减弱。

      进一步的,通过单孔波速及跨孔波速测试,对围岩损伤特性予以佐证。声波层析成像结果显示:在距离开挖面30 cm范围内波速降低为原岩的10%,该范围内裂隙密度显著高于未扰动岩体,认为该区域为围岩爆破损伤区。据此,我们可拟定该次爆破试验围岩未产生明显损伤的范围不超过30 cm。这与上述高频探地雷达的测试结果(分别为22 cm和27 cm)保持一致,也充分说明了空孔效应对爆破的有益效果,降低了围岩损伤范围。

    • 本文设计了甘肃北山坑探设施项目光面爆破施工的爆破参数,并研究了周边孔在空孔间隔情况下的炮眼布置方案,通过理论分析及现场爆破试验,获得了如下结论:

      (1)基于光面爆破原理,对甘肃北山坑探设施项目进行了光面爆破的爆破参数设计,特别是结合空孔效应原理,在同一断面的周边孔中,间隔布设了若干数量的空孔,用以研究空孔效应。

      (2)从爆破原理出发,结合岩石爆破拉伸破坏的强度判据,计算了本实施项目的装药孔与空孔炮眼间距值为30 cm时较为适宜。并进一步实施了在同一巷道掌子面情况下,于不同左、右帮部位置处空孔间隔的光面爆破试验,根据爆破效果,验证了上述方法计算得到的空孔间距是合理的,具有空孔的时候较未布置空孔的情况下光爆效果更佳。

      (3)通过爆破振动监测和围岩损伤测试,进一步的衡量爆破效果。爆破振动测试结果显示,空孔间隔时的最大振速(12 cm/s)小于普通药包时的最大振速(20 cm/s)。并且围岩损伤测试亦表明,空孔间隔装药的左帮爆破导致的围岩损伤范围(22 cm)也较普通药包处小(27 cm)。

      值得指出的是,钻爆施工涵盖多种不同的爆破参数,影响因素众多。本文爆破试验获取数据限于本实施工程,并且试验次数亦有限,本研究成果是对空孔效应的初步探索,可对后续工程开挖提供相应的试验数据与理论支撑,其对于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置,有一定的理论指导意义。

参考文献 (34)

目录

    /

    返回文章
    返回