0 前言

光面爆破是控制爆破的一种, 其特点是爆破后轮廓规整、超挖小、爆破造成的围岩裂隙少, 能提高围岩的自身支撑能力。节约支护费用, 在大断面地下工程施工中经济效果更明显。

50年代初期, 瑞典的哈格卓普等人首次进行了光面爆破, 以后在美国由荷姆斯作了进一步发展, 在我国近二三十年来也进行了大量的理论研究和现场试验, 并取得了很多的经验和成果。

目前我国进行的光面爆破按所用炸药及装药结构的不同有如下几种类型: (1)空气柱间隔不偶合装药; (2)连续不偶合装药, (3)使用低爆速低密度光爆炸药的偶合装药。本文就光爆的力学机理及光爆参数的确定作如下阐述。

1 光爆机理 1.1 力学机理及强度条件

岩体是一种各向异性的多裂脆性材料。材料断裂应力σ_j计算公式如下:

(1)

式中:σ_j——断裂应力(kg/ cm²)；

E——弹性模量(kg/ cm²)；

T——单位表面能(kg·cm/cm²)；

a——断裂尺寸(c m)。

从(1)式可看出, 断裂应力与材料常数(E、T)的平方根成正比, 与断裂尺寸a的平方根成反比, 可见裂缝的存在大大降低了材料的强度。

近年来的研究表明, 裂缝有三种扩展类型, 即张开型、滑开型和撕开型。在光面爆破中张开型占有重要地位。其裂缝形成过程是:爆破动压对孔壁造成4~5条微裂隙(保留岩体部分除外), 沿光爆面的两条主裂隙因应力集中作用发展较大; 随之由于爆破静压的气楔效应迫使裂缝继续扩展, 致使岩体剥离并抛掷。

光面爆破的最后实现是在爆炸生成气体的准静压力作用下完成的, 假定炮孔在准静压力P_j作用下的工作状态似一个半径为r、壁厚为L / 2 (L为两相邻炮孔间距)的汽缸, 设想沿光爆面爆落。由于力P_j的作用, 使圆环扩大, 同时产生气楔效应, 又由于被保护围岩相对固定而不能运动, 光爆面又受到剪力的作用, 沿光爆面的剪应力τ为:

(2)

光爆面上的拉应力, 为

(3)

根据模型试验观察和理论分析, 光爆面形成的力学机理主要是环向应力和气楔效应的拉张作用, 因此取(3)式作为光面爆破的控制条件, 则其强度条件是:

(4)

1.2 临界应力强度因子与裂缝驱动压力

将(1)式中的用K_ci表示, 则有:

(5)

式中的K_ci为岩体临界应力强度因子, 量纲为, 其它符号同(1)式。考虑到光面爆破有炮孔存在, (5)式应作如下改写:

(6)

式中r为炮孔半径。几种常见岩石的K_ci值见表 1所列。

但是, 由于自然岩体的不连续性和不均一性, 由静力试验得出的K_ci值, 也很难适合爆破条件下千变万化的实际情况。从实用角度看, 由爆破条件来确定K_ci值, 又用K_ci值来确定裂缝驱动压力, 就会具有较好的实用性。现对(4)式左边乘以动力系数K_D和破碎系数K_j, 取K_D·K_j = π, 并令其与(6)式相等, 则:

再令L = r+a, 则大致可以确定裂缝所需的驱动压力P_j为:

(7)

而其K_ci为:

(8)

当a→0时

(9)

在静力条件下(扣除系数π时), 则(9)式为:

(10)

2 光面爆破参数的确定

光面爆破就是要将周边孔范围内的岩体爆下来, 形成规整的轮廓面并尽可能多的保留半边炮眼痕迹和减少围岩松动, 保证围岩不受破坏。保留围岩孔壁不被破坏的强度条件为:

(11)

式中: —岩体三轴条件下的强度提高系数;

R_b——岩体单轴饱水抗压强度(kg /cm²);

f——岩石坚硬系数;

P_D——爆轰波压力(kg /cm²)。

由矿岩爆破机理可知, 若要爆下矿岩主要与装药集中度q和最小抵抗线W有关; 成型规整主要与最小抵抗线W、炮孔密集系数m和炮孔间距L有关; 保留半边孔衰和减少围岩松动主要与不偶合系数D有关。由此可见, 影响光面爆破效果的主要因素是: W、q、L、m、D。

2.1 孔距的确定

根据强度条件式(4), 取孔距全长为L, 令其与(11)式相等, 则孔距数学表达式为:

(12)

式中的岩石抗拉强度根据大量试验的资料整理结果, 与其抗压强度R_b = 100f有如下关系式:

(13)

式中K为调整系数, 几种岩石的K值列于表 2。

在确定孔距时, 为安全起见, 取(12)式中的K₃为1, 将(13)式代入(12)式后得:

(14)

计算孔距L时，一般可取。岩石坚硬取大值; 岩石虽松软但较完整时也可取大值或中间值; 岩石破碎时应取小值。

2.2 密集系数与最小抵抗线

密集系数m、最小抵抗线W和炮孔间距L之间关系非常密切, 可用下式表示:

(15)

炮孔密集系数对形成规整轮廓线起决定作用, 因而对光爆效果影响很大; 最小抵抗线是爆破中的主要参数, 对光爆效果的影响也很大, 因此, m与W搭配要合适。

光爆中最小抵抗线与孔距之间的关系可根据单孔爆破漏斗进行分析, W与L影响着漏斗形状并决定漏斗边与W的夹角α的大小。光面爆破的α角一般在35° ~ 45°范围内变化, 不宜小于30°大于50°。因此可得炮孔密集系数m为:

(16)

光面爆破一般规定取0.7~ 1.0。岩石松软、破碎时取小值, 岩石坚硬、完整时取大值。

2.3 不偶合系数

炮孔内炸药体积小于炮孔体积或装药直径小于炮孔直径的装药称为不偶合装药。通常用炮孔直径d与装药直径d_y之比来表示不偶合系数。

不偶合装药的作用, 一是降低炸药爆炸作用在孔壁上的压力, 二是延长了孔壁压力的作用时间。其关键是有爆炸气体自由膨胀的空间, 而不仅仅是炮孔直径与装药直径之间的空间。有的只在孔内放置一卷炸药也能取得良好的光爆效果。因此, 用炮孔堵塞范围内的体积与装药体积之比作为不偶合系数更合适。即不偶合系数为:

(17)

式中: V——堵塞范围内的炮孔体积(m⁸);

V_y——炮孔内装药体积(m³)。

如何确定不偶合系数, 这就要计算炸药爆轰压力和作用在炮孔壁上的压力。

(a) 炸药爆轰压力

(18)

式中: ρ₀——装药密度(g/cm³);

D₀——炸药爆速(m / s)。

(18)式是计算空气间隔装药和不偶合装药炮孔压力的重要公式。

(b) 作用在炮孔壁上的压力

(19)

式中: r——等嫡指数。

(c) 不偶合系数。假定作用在炮孔壁上的压力等于岩体的三轴抗压强度, 利用(1 9)式则可得:

(20)

式中: R_s——岩体三轴抗压强度(kg / cm²)。

2.4 装药集中度

装药集中度q用下式计算:

(21)

式中: q——装药集中度(kg / m)。

为了使用方便取r=0.02 m, 爆速D₀分别取2.5 km/s(小直径药卷)和3.5 km/s (ϕ32 mm标准药卷)代入(21)式后算得:

(22-a)

(22-b)

3 光爆现场试验例举

军都山巷道由于断面大, 为提高围岩的自身支撑能力, 节约支护费用, 减少掘进超挖量, 确保巷道稳定性, 在掘进中采用了光面爆破法。

3.1 工程概况

该巷道长9 000 m, 穿过岩层为花岗岩夹有安山凝灰岩。围岩岩石抗压强度为300 ~ 600 kg /cm²。开挖宽度10 m, 高8.2 m, 上部为半圆拱, 开挖断面为90 m², 孔深5 m, 循环进尺4.8 m左右。试验前周边孔的装药结构为空气柱间隔装药, 每孔用ϕ40 mm、重375 g 2号抗水岩石炸药6~7卷, 或采用ϕ40 mm、重500 g的4号抗水岩石炸药4~ 5卷, 药卷间用导爆索传爆。

3.2 现场光爆试验及其结果

光爆使用的炸药密度1.19 / cm³, 爆速为3500 m/s, 殉爆3 cm, 包装为3 mm厚塑料管, 药卷规格为药径18 mm, 外径21 mm, 长4.5 m, 每根药重1.3 kg。

炸药爆轰压力为P_D = 45800 kg /cm², 熵指数取2, 岩石密度2.6 g/cm³, 作用于孔壁上的冲击压力P_b = 2760 kg /cm², 小于岩石的三轴抗压强度5000 kg /cm², 满足光爆壁面光滑的要求。

孔距计算为70 cm, 不偶合系数取2.5时能稳定传爆。在巷道掘进中作了连续试验和生产应用, 并得到良好的光爆效果, 其光爆参数与效果列于表 3和表 4。

4 结语

a.在现场试验中, 由于使用了光爆炸药, 在连续装药条件下能稳定传爆。

b.不偶合系数较大(2.5), 减少了孔壁冲击压力, 增长了准静应力作用时间, 眼痕率高, 平均达80 %以上。

c.炮眼利用率高达90 %以上。

d.由于光爆面完整, 围岩裂隙少, 提高了围岩的自身稳定性, 减少了超挖量, 节省了支护原材料, 降低了工程费用。