东北大学《爆破工程》part3.doc

第五章   岩石的爆破破碎机理本章重点：1、爆破破坏的几种假说；2、单个药包作用下的破坏特征3、霍布金逊效应；4、爆破漏斗；5、装药量计算；难点：1、应力波在岩体中传播引起的应力状态；2、能量利用对岩石破坏影响。前面学习了爆破器材和爆破方法，那么炸药包是如何把炸药能量传递给岩石的呢？由于爆炸的特殊性，尚不能彻底解决。5.1 岩石爆破破坏原因的基本理论三大类情况一、爆炸气体产物膨胀压力破坏理论爆炸产生高压气体作用于孔眼壁岩层，产生应力场，引起应变，产生径向位移，产生径向压应力，径向压力衍生切向拉应力，当切向应力大于岩石的抗拉强度时，则产生径向裂隙。气体膨胀的结果产生径向压应力，径向位移；衍生切向拉应力；不同质点位移产生剪应力；径向抛掷。二、冲击波引起应力波反射破坏理论炸药爆炸产生的爆轰波传播到孔壁的结果产生压力波；在自由面反射成拉应力波；拉伸破坏这种理论依据是破碎是从自由面处开始的。三、膨胀气体与冲击波所引起的应力波共同作用理论上面的两种作用分处于不同的阶段，炸药爆炸产生的应力波，使在近区形成压碎；在压碎区之外造成径向裂隙；气体的气楔作用使裂隙进一步扩张，直到停止。根据这一原理，可以针对不能特性的岩石和破碎要求，选用不同特性的炸药，使炸药的能量利用率最高，而破碎效果最好。岩石的波阻抗值较高时，要求有较高的应力波波峰值。波阻抗=5.2单个药包爆破作用分析一、内部作用：单药包埋置很深时，或采用有机玻璃模拟爆破时可以观察到爆破破坏的内部作用。岩石分为三个破坏区：压缩区（粉碎区）5000-10000MPa的超高压远大于最坚韧岩石的动抗压强度，形成粉碎区，不大于药室半径的2倍。破坏区能量在粉碎区消耗后，冲击波衰减为应力波，引起质点径向位移，从而产生环向拉应变，并引发径向裂隙。由压应力而产生的弹性变形能会引起岩石质点的向心运动而产生径向拉伸应力，从而形成环向裂隙。高压气体对裂隙扩展的作用（应力集中区，格里非斯理论）震动区不能引起岩石破坏的能量导致弹性震动，范围较大。分析：粉碎区和震动区的能耗都属于无用功，要想法降低这部分能耗，加大破坏区的能量利用重；二、外部作用   通常埋置较浅的药包来观察外部作用的两种形式：1、  霍布金生效应：压应力波传播到自由面，一部分或全部反射回来成为同传播方向，正好相反的拉应力波，这种效应叫Hopkinson。老霍布金生在1914年观察到疥片现象，内壁破坏，水下爆破产生的碎状水花和大爆破飞石。1950年工程界开始研究，疥片的形成原因：冲击波衰变的为应力波；应力波在自由面反射成拉伸应力波；拉伸应力波与压应力的合成；拉断破坏，形成片状破裂。影响片落因素：药包几何形状，药包大小，入射波波长等；2、拉伸波引起径向裂隙的延伸当拉伸应力不足以拉断岩石时，仍能对岩体中的裂隙起作用，使垂直波阵面如裂隙闭合，平行波阵面的裂隙延伸。三、爆破漏斗1、爆破漏斗的构成要素自由面，又叫临空面，是指同空气接触的岩石表面。最小抵抗线：自药包中心到自由面的最短距离是爆破作用岩石移动的主导方向。爆破漏斗底圆半径爆破作用半径：从药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。爆破漏斗深度：从爆破漏斗顶点至自由面的最短距离可见深度：自爆破漏斗中渣堆表面最低点到自由面的最短距离爆破漏斗张开角：漏斗顶角2、爆破作用指数：爆破漏斗底圆半径对最小抵抗线的比值，即根据n值不同，爆破漏斗分为：标准抛掷爆破漏斗：加强抛掷爆破漏斗：减弱抛掷爆破漏斗：松动爆破漏斗：四、利文斯顿爆破漏斗理论美国的C.W.livingston以能量平衡为基础的岩石爆破破碎的爆破漏斗理论，他将岩石爆破时的变形和破坏形态分为四种类型。1、弹性变形 药包埋于地下一定深度，小于这一深度，则岩石表面出现片落和隆起，大于这一深度，则不出现变形，这一深度称为临界深度。E应变能。岩石和炸药性质不变，N值与Q值成正比。大于临时深度时，只有弹性变形。2、冲击破坏随药包埋置深度减少，破坏加强，用表示深度比，当爆破漏斗体积最大的深度为最适应深度。公式的作用是求出最适应深度，以此为最小抵抗线3、碎化破坏当埋置深度小于最适应深度，则破碎程度增强，抛掷加大。4、空气中爆炸应变能系数和临近深度都需要通过实验测得。例如：4.5kg药包最适应深度1.5m，临界深度3m，？若同一岩石，药包为450g，是多少？若30m为最适应深度，Q为多少？解：     五、两个自由面爆破向两个最小抵抗线方向抛掷移动。自由面数，爆破越容易。六、单个延长药包的爆破作用当药包的长度和它的横截面的直径或边长之比值中大于某一值时，叫做延长药包。特点：1、应力分布不均匀。2、应力波参数大3、应力波衰减慢。球面波与距离平方正比。柱面波与距离一次方正比。4、爆破漏斗形状不同5、抛体集中轴线两侧。6、抛掷体积大。 5.3成组药包爆破特征一、单排齐发 相邻炮眼爆破成缝的机理分析及解释：1、应力波叠加（应力波理论）2、应力波与气体联合作用；3、应力降低区的解释在实际生产中，应使压力降低区处在岩石之外，从而改善爆破效果。措施：   增大炮眼间距。不能太大，否则留下岩柱；降低抵抗线；二、多排成组齐发前排孔具有两个自由面；其中炮孔都是在夹制作用下。5.4装药量计算原理装药量是爆破中的重要参数一、集中药包的计算（体积公式）没有精确的计算公式，只有经验公式，最常用的是体积公式。体积公式原理：装药量的大小与岩石对爆破作用力的抵抗程度成正比。这种抵抗力就是重力，实际上就是被爆破岩石体积。 装药量，kg。V爆破漏斗体积，k单位体积用药量，kg/。   形成爆破漏斗时      最小抵抗线；漏斗底圆半径。如果为标准抛掷漏斗             则 要获得爆破作用指数不同的爆破漏斗，装药量可视为爆破作用指数几何函数当时，为加强抛掷爆破；当时，为标准抛掷爆破；当时，为减弱抛掷爆破；苏联鲍列斯阔夫的公式：即，此式即为加强抛掷爆破装药量计算公式对于松动爆破装药量，更适用的公式为二、单位用药量的确定查表，参考定额或有关资料；参照相似矿山或本矿山的实际单耗的统计数据；通过爆破漏斗试验确定半径； 5.5影响爆破作用的因素影响爆破作用的因素很多，炸药的，岩石的，参数的，方法的。一、炸药的性能对爆破作用的影响炸药密度、爆速、波阻抗、爆压以及能量利用率1、炸药能量利用率增强对岩石损伤破坏程度，包括未破碎但内部有损伤。微裂隙的生成2、爆轰压力用于激起岩石中的冲击波，爆轰压力越高，用于生成冲击波的能量也越高，对岩石破碎效果也越好。太高也不好，加大了粉碎区域3、爆炸压力（气体产物压力）爆炸压力是爆轰完成后作用在岩石中的压力，作用时间越长，对岩石的特别是软岩破碎效果越好。二、能量的传递效率1、波阻抗相匹配可引起共振，增加向岩石中的能量传递。2号岩石波阻抗，硬岩的波阻抗    2、不耦合装药药柱与孔壁之间有一定间隙，可将能量贮存于空气中，减缓初始压力，延长作用时间。不耦合的两种情况：轴向间隙环向间隙不耦合介质：空气；水介质；不耦合的优点：降低大块；降低单耗；保护孔壁；合理间隔装药参数的研究三、爆破因素1、堵塞的影响要有良好的堵塞，才能获得较好的效果。不能无堵塞爆破。2、起爆顺序3、起爆药包位置第六章  炮眼爆破重点：1、             炮眼布置形式；2、             爆破参数的确定。难点：1、掏槽眼的设计2、爆破参数确定。 6.1井巷掘进的爆破一、井巷掘进工作面炮眼的布置1、炮眼的分类掏槽眼，辅助眼，周边眼2、炮眼的作用掏槽眼：顺前进方向掏出一个凹槽作为第二自由面，以便提高其他炮眼利用率。辅助眼：扩大和延伸掏槽范围3、掏槽眼分类倾斜掏槽眼和垂直掏槽眼4、倾斜掏槽眼单向掏槽：炮眼排成一列，朝一个方向倾斜；适用条件：软岩、层理节理、裂隙或软夹层楔形掏槽：由两排对称炮眼组成，巷道断面大于4面对掏槽眼间距0.2-0.6m，交角为55-75度，眼底距10-220cm，炮孔数目4-8锥形掏槽：掏槽眼以同角度向中心轴线倾斜，不贯通；当f=2-20，倾角75-55，眼口距1.0-0.4m，眼底距0.4-0.1m，眼数3-6个扇形掏槽对于软夹层情况，各炮眼深度，方向都不相同倾斜掏槽的优缺点：（1眼少，掏出量大，有爆炸波；（2深度受限制；5、垂直掏槽也称直线掏槽，垂直于工作面缝形掏槽（垂裂掏槽）打在一条线上，眼距8-15cm，空眼与装药间隔布置，形成一条缝桶形掏槽角柱型掏槽，如书中图8-8的几种形式，空眼直径可以大于药眼直径，适用硬岩掏槽。螺旋形掏槽装药眼到空眼的距离逐渐增加样板掏槽以一固定布孔样板来确定孔眼位置。垂直掏槽的优缺点：（1、可有较大的爆破进尺，块度均匀，爆堆集中。 （2、眼多，掏出量少，钻眼要求高。6、混合掏槽垂直掏槽和楔形掏槽相落后。二、井巷掘进爆破参数的确定单耗 眼径、眼深、眼数1、单耗：爆破1原岩所需的炸药量，用g，和单耗的影响单耗的选取，参考表受岩性和掘进断面的影响表8-1是按2号岩石硝酸铵炸药得出的每个循环应使用药量   炮眼利用律，80-95%国家1981年矿山井巷工程预算定额若采用新炸药应换算A定额炸药爆力；B换用药爆力； 标准用单耗采用光面爆破要比普通爆破用药量多。计算出的装药量的平均值，应按眼的不同做分配。2、炮眼直径  直径与眼数，单耗、块度等有关，一般用38-45当时，采用25-30mm3、眼数根据装药量 和孔深计算炮眼数目，再按形状均匀地布置炮眼，周边眼的眼口至轮廓线的距离100-250mm周边眼的眼口距为500-800mm底眼的间距取小值，辅助眼的间距为400-600mm4、眼深眼深：指炮眼底到工作面 的垂直距离。眼长：沿炮眼方向的实际深度。眼深和循环次数相互制约一般取1.5-2.5m为巷道掘进采用在竖井掘进中，眼深一般取D井筒直径，m三、井巷掘进爆破说明书原始条件描述；选用爆破器材；确定爆破参数；炮眼布置出另一个值，然后以炸药爆炸的扩孔值中减去雷管的扩孔值。爆破漏斗法爆破漏斗更适应于在生产实践中采用，这一方法只能用于在同样条件下进行比较。6.2  采场崩矿的爆破一、井下炮眼崩矿的爆破在空场法中采用，包括房柱法、浅孔留矿法。一般有上向或水平炮眼，炮眼排列又交错和平行两类。设计参数：抵抗线   W=(2530)d   d炮眼直径        眼距    a=(11.5)W 小炮眼爆破有利于贵重金属矿石的回收。炸药单耗的选取参考相应标准，当炮眼较浅、拟崩落矿体较薄时，选用较小的炸药单耗。二、井下深孔崩矿爆破1、炮眼布置形式  分为两种：平行布孔和扇形布孔。扇形布孔又可布置成水平、垂直和扇形。水平扇形布孔的几种形式 下盘中央式扇形              对角式扇形                 一角式扇形以上三种形式适用条件不同，采用的凿岩设备也不同，对于中深孔凿岩应采用接干凿岩或潜孔凿岩。  垂直扇形扇形炮孔的优缺点：优点：掘进工作量少；布置灵活；设备移动少。缺点：矿石快读不均匀；深孔利用率低。平行深孔：炮孔平行布置，爆破块度均匀，炮孔利用率高