孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法

摘要

本发明公开了一种孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法，根据爆炸目标的岩性参数和炸药技术参数，计算惰性介质间隔炸药的炸药量，确定药孔直径、深度L以及超深H；并根据超深H，计算得到惰性介质间隔炸药的最佳间隔深度h；其中当惰性介质为空气时，h＝0.7H～0.8H；当惰性介质为水时，h＝0.75H～0.85H。本发明通过对药孔底部间隔惰性介质的高度参数设置，提高了炸药的能量利用率，减小了炸药单耗，改变了药柱与炮孔孔壁的接触关系，降低了冲击波和爆轰气体产物作用于孔壁的初始压力，延长了爆生气体作用时间，改善了块度爆破效果，同时减小残留根底或较小根底破坏，改善底板平整度。

说明书

技术领域

本发明属于工程爆破技术领域，具体涉及一种改善和控制中细粒花岗岩爆破块度的方法。

背景技术

底部间隔惰性介质爆破技术是近年来发展比较迅速的一种爆破技术，被广泛应用于岩石坚硬和岩体完整花岗岩料场，常采用深孔台阶结合空气间隔或水间隔的爆破方法，可有效提高炸药单耗和改善爆破效果。从上实际七十年代，前苏联首先对炮孔孔底间隔爆破技术进行了研究。随后，其它一些国家也纷纷进行了孔底间隔爆破技术的研究和应用，他们一般以水或空气为间隔介质，均能受到良好的效果。我国八十年代也开始了对孔底爆破间隔技术的研究和应用。东北大学在本钢歪头子山、鞍钢齐大山铁矿进行的试验研究和鞍山钢铁学院在鞍钢东鞍山、大孤山等几个大型露天铁矿进行的研究均表明，炮孔孔底间隔爆破技术对改善爆破质量和降低炸药消耗，收效十分明显。但是目前这种方案仅限于对爆破实践的经验摸索，欠缺系统的理论进行实践指导，此外并没有提出对爆破块度的控制方法，对后续的施工造成极为不利的影响。

发明内容

本发明提出了一种孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法，通过对药孔底部间隔惰性介质的高度参数设置，提高炸药的能量利用率，减小炸药单耗；改变药柱与炮孔孔壁的接触关系，降低冲击波和爆轰气体产物作用于孔壁的初始压力，延长爆生气体作用时间，改善块度爆破效果，同时减小残留根底或较小根底破坏，改善底板平整度。

本发明的技术方案如下：

孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法，包括以下步骤：

[1]根据爆炸目标的岩性参数和炸药技术参数，计算惰性介质间隔炸药的炸药量，确定药孔直径、深度L以及超深H；

[2]根据超深H，计算得到惰性介质间隔炸药的最佳间隔深度h；

[3]调节伸缩式间隔器的高度为h，并进行装药；

[4]采用微差爆破的起爆方式进行起爆；

所述步骤[2]中最佳间隔深度h与超深H的关系是：当惰性介质为空气时，h＝0.7H～0.8H；当惰性介质为水时，h＝0.75H～0.85H。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，当惰性介质为空气时，h＝0.75H。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，当惰性介质为水时，h＝0.8H。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，起爆采用中间起爆形式，微差起爆的间隔时间为25～75ms。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，伸缩式间隔器包括顶部挡盖、底部挡盖和中间不少于两层的间隔节，所述的间隔节为筒状结构，上一层间隔节的外圈密封套接在下一层的间隔节的内圈上，爆破药柱放在顶部挡盖的上部。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，间隔器包括自下而上的第一间隔节、第二间隔节和附加间隔节，所述的第一间隔节与底部挡盖通过螺纹联接，所述的附加间隔节与顶部挡盖通过螺纹联接。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，间隔器中至少有一只间隔节上设置有若干限位凹槽，可通过卡扣对间隔器的长度调节。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，卡扣为前端开口的销状结构。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，卡扣包括开口端和弹性端，开口端的端口采用倒刺结构，弹性端为圆弧结构。

上述孔底惰性介质间隔装药的爆破块度控制方法中，弹性端底部的宽度比中部的宽度小。

本发明具有的有益技术效果如下：

一、本发明通过对药孔底部间隔惰性介质的高度参数设置，提高了炸药的能量利用率，减小了炸药单耗，改变了药柱与炮孔孔壁的接触关系，降低了冲击波和爆轰气体产物作用于孔壁的初始压力，延长了爆生气体作用时间，改善了块度爆破效果，同时减小残留根底或较小根底破坏，改善底板平整度。

二、通过改变孔底惰性介质间隔改变药柱与炮孔孔壁的接触关系，降低冲击波和爆轰气体产物作用于孔壁的初始压力，并使这种压力的作用时间延长，使炮孔周围不产生压碎圈或压碎圈明显减小，从而在减少炮孔装药量的情况下，依靠炸药能量有效利用率的提高，达到保证爆破破碎质量的目的。

三、本发明的可伸缩间隔器，采用多节间隔节组成，间隔节上设置有若干限位凹槽，可通过卡扣对间隔器的长度调节，调节方便，通用性强。

四、本发明的可伸缩间隔器采用弹性卡扣嵌入至间隔器的限位凹槽内，实现间隔器的长度调节，卡扣的端口设置有倒刺结构，避免使用中松动，卡扣的后端为圆弧的弹性结构，且圆弧的底部宽度比中部有所减小，方便使用者通过手捏的方式将弹性卡扣嵌入至间隔器的限位凹槽内，具有结构简单、可靠等优点。

五、本发明的可伸缩间隔器最底端的间隔节中设置有重物，在采用水作为惰性介质时，通过增加重物可将PVC材料的间隔器沉入钻孔的底部，在工程中起到稳定固定的作用。

六、本发明的可伸缩间隔器在顶部挡盖的外圈设置有橡胶密封圈，一方面防止所装炸药与下面的水等惰性介质接触而受潮，另一方面防止装药通过间隔器与药孔之间的间隙散落。

附图说明

图1为爆轰波的透射与反射原理示意图；

图2为空气间隔的模拟结果；

图3为水间隔的模拟结果；

图4为本发明孔底惰性介质间隔装药的原理示意图；

图5是本发明可伸缩式间隔器原理示意图；

图6是本发明第一间隔节结构示意图；

图7是图6的侧视图；

图8是本发明底部挡盖结构示意图；

图9为图8的俯视图

图10为本发明顶部挡盖结构示意图；

图11是本发明第二间隔节结构示意图；

图12是本发明附加间隔节结构示意图；

图13是本发明多间隔节的间隔器装配示意图；

图14是本发明双间隔节的间隔器装配示意图；

图15为本发明弹性卡扣的结构图。

图中1—药柱；2—药孔；3—预期底板；4—间隔器；5—惰性介质；6—顶部挡盖；7—底部挡盖；8—第一间隔节；9—第二间隔节；10—附加间隔节；11—重物；12—卡扣；13—限位凹槽；21—开口端；22—弹性端；23—倒刺结构；31—水间隙时进入岩石的能量比例系数；32—水间隙时y＝1.0的平衡线；41—空气间隙时进入岩石的能量比例系数；42—空气间隙时y＝1.0的平衡线。

具体实施方式

在惰性介质间隔装药用于岩石爆破工程应用中，常将空气、水等惰性介质密封在间隔器中来实现爆破参数的优化。如图1所示，耦合装药时，爆轰波在炸药内从左向右传播，到达炸药岩石分界面时，发生透射和反射，透射波在岩石中继续向右传播，反射波则在爆轰产物内向左传播。

设炸药的初始参数为：p₀、ρ₀、u₀＝0；爆轰波速度为D_V1，爆轰波即爆轰产物初始参数为：p₁、ρ₁、u₁；岩石的初始参数为：p_r、ρ_r、u_r＝0，岩石中的弹性波速度为C_P；反射波参数为：p'₂、ρ'₂、u'₂，波速为D'_V2；透射波参数为：p₂、ρ₂、u₂，波速为D_V2。在炸药、岩石的分界面上有连续条件p'₂＝p₂，u'₂＝u₂。

根据声学近似理论有：

$p_2=p_1\frac{2}{1+{\rho }_0{D}_{V1}/{\rho }_r{C}_P}=\frac{1}{4}{\rho }_0{D}_{V1}^2\frac{2}{1+{\rho }_0{D}_{V1}/{\rho }_r{C}_P}---\left(1\right)$

空气间隔装药时，爆炸中爆轰波首先压缩装药与药室壁之间间隙内的空气，产生冲击波，而后再由冲击波作用于药室壁，对药室壁岩石加载，爆生气体在膨胀过程中，体积增大，密度减小，其音速也随之降低，并由此引起其波阻抗发生变化。假定：(1)爆炸产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，其膨胀规律为PV³为常数，遇药室壁激起冲击压力，并在岩石中引起爆炸应力波。(2)忽略略间隙内空气的存在。(3)爆轰产物开始膨胀时的压力按平均爆轰压(瞬时爆轰)p_m计算，即有

$p_m=\frac{1}{2}{p}_1=\frac{1}{8}{\rho }_0{D}_{V1}^2---\left(2\right)$

由以上假设，爆轰产物撞击药室壁前的炮孔内压力即入射压力为：

$p_i=p_m{\left(\frac{V_c}{V_b}\right)}^3=\frac{1}{8}{\rho }_0{D}_{V1}^2{\left(\frac{V_c}{V_b}\right)}^3=\frac{1}{8}{\rho }_0{D}_{V1}^2{\left(\frac{l_c}{l_b}\right)}^3---\left(3\right)$

式中：V_c、V_b分别为炸药体积和药室体积，l_b和l_c分别为药室长度(不含填塞部分)和药包长度。引进装药系数η＝l_b/l_c，(3)式改写为：

$p_i=\frac{1}{8}{\rho }_0{D}_{V1}^2{\left(\frac{l_c}{l_b}\right)}^3=\frac{1}{8}{\rho }_0{D}_{V1}^2{\eta }^{-3}---\left(4\right)$

爆生气体膨胀充满整个炮孔时的密度为：

${\rho }_0^{\prime }=\frac{4}{3}{\rho }_0{\eta }^{-1}---\left(5\right)$

声速为：

$C_0^{\prime }={\left(\frac{{\mathrm{kp}}_i}{{\rho }_0^{\prime }}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

等熵绝热指数k＝3，再根据弹性波理论、声学近似理论确定岩石界面上的初始压力为：

$p_2^o=p_i\frac{2}{1+{\rho }_0^{\prime }{C^{\prime }}_0/{\rho }_r{C}_P}=\frac{1}{4}{\rho }_0{D}_{V1}^2{\eta }^{-3}\frac{1}{1+\frac{\sqrt{2}}{2{\eta }^2}{\rho }_0{D}_{V1}/{\rho }_r{C}_P}---\left(7\right)$

分析比较公式(1)和(7)，得：

耦合装药：$p_2=p_1\frac{2}{1+{\rho }_0{D}_{V1}/{\rho }_r{C}_P}---\left(8\right)$

空气间隔装药：

当时，与p₂相当；当间隔距离较远，时，显然要远低于p₂。说明空气间隔一定距离时，可以减缓爆生气体对岩石的直接作用，降低冲击波和爆轰波对岩石的初始压力。

矿山爆破过程中，炸药爆炸后首先在周围形成压碎圈，压碎圈内岩石块度过小，无法投入工程应用，因此压碎圈的产生，标志着炸药能量的浪费。

产生最大空腔时所需能量E₁为：

$E_1=2\pi {\int }_{R_0}^{R_{\max }}R\left(t\right)P_x\left(t\right)dR---\left(10\right)$

其中：R_max为最大空腔半径；R(t)为瞬时空腔半径；P_x(t)为瞬时孔壁压力。

由公式(10)知P_x(t)初始值减小，E₁会随之减小。由此说明，孔底间隔达到一定距离时，作用于岩石的P_x(t)的初始值更小，适当的孔底间隔可以降低炸药消耗在压碎圈的能量，进而使更多能量得以进入压碎圈以外的岩石内部，增强对岩石的破碎作用。

下面采用LS-DYNA有限元分析软件对空气间隔装药和水间隔装药以及基本模型进行数值模拟，模拟中设计炮孔直径90mm，超深H＝1m，表示爆炸后预期底板与炮孔最底端的距离，h为介质间隔长度，超深比例x＝h/H从0.1-1.0变化时，计算得到进入岩石的能量比例y，其中y表示含有介质间隔时进入岩石的能量除以介质间隔为零时进入岩石的能量，y大于1，且y值越大,表示介质间隔相对于不加间隔时产生的效果越明显。

表1和图2为空气间隔的模拟结果。图中X轴表示超深比例x＝h/H，Y轴表示能量比例y。图中42为y＝1.0的平衡线，41表示进入岩石的能量比例曲线。

表1空气间隔装药进入岩石的能量

表2和图3为水间隔的模拟结果。图中X轴表示超深比例x＝h/H，Y轴表示能量比例y。图中32为y＝1.0的平衡线，31表示进入岩石的能量比例曲线。

表2水间隔装药进入岩石的能量

从中可以得到以下结论：

一、深孔孔底为空气间隔情况下，随着间隔长度的增加，进入岩石的总能量逐渐增加，当间隔长度占超深75％时，效果最好，继续增加间隔长度进入岩石的总能量转而逐渐下降。

二、深孔孔底为水间隔情况下，间隔长度占超深25％以下时，爆炸进入岩石的能量反而比耦合装药小，在运用孔底间隔爆破技术时，这种情况应予以高度重视，运用不当会造成相反的效果。间隔长度占超深50％时情况开始好转，80％左右效果最佳。

下面进行实验验证

(1)仿真和实验对象皆为中细粒花岗岩，其力学条件如表3所示。工程中遇到其它岩石，可以通过力学性能等效成中细粒花岗岩方量进行计算。

表3岩石物理力学指标统计表

(2)实验在花岗岩料场开展，采用台阶爆破，垂直钻孔，台阶高度为12m，底盘抵抗线为3m。填塞深取2.7m，底部超深1m。堵塞物料钻孔时排出的岩碴或表面山皮土。采用岩石硝铵炸药进行微差间隔爆破，微差间隔时间Δt＝25～75ms，爆破形式为中间起爆形式。各实验的实验参数与结果如表4～6所示。

表4底部全装药试验数据表

表5孔底部空气间隔试验数据表

表6孔底部水间隔试验数据表

将表5和表6的数据与表4相比可知，采用介质间隔器可有效降低了单耗，并减小了粉石率，说明适当的孔底间隔可以降低炸药消耗在压碎圈的能量，进而使更多能量得以进入压碎圈以外的岩石内部，增强对岩石的破碎作用，实现爆破块度的控制。

为了便于爆破施工，本发明提出了一种间隔可调的间隔器，下面进行介绍。

图4是常见的间隔器的组成原理图，间隔器4设置在预期底板3下的深孔中，惰性介质5如水或空气等可以自由进入间隔节中。间隔器4上放有药柱1，并留有药孔2。在工程爆破中为了对爆炸的根部平整度进行控制，需要对间隔器的长度进行调节，而常规的固定式结构难以满足要求。

如图5-14所示，本实用新型提出了一种可伸缩式间隔器，包括顶部挡盖6、底部挡盖7和中间不少于两层的间隔节，间隔节为筒状结构，上一层间隔节的外圈密封套接在下一层的间隔节的内圈上，爆破药柱放在顶部挡盖6的上部，间隔节中装有水或空气等惰性介质5。其中顶部挡盖6、底部挡盖7、间隔节均采用PVC材料制成。

如图5、13、14所示，间隔器包括自下而上的第一间隔节8、第二间隔节0和附加间隔节10，所述的第一间隔8与底部挡盖7通过螺纹联接，附加间隔节10与顶部挡盖6通过螺纹联接。顶部挡盖6的外圈设置有橡胶密封圈，一方面防止所装炸药与下面的水等惰性介质接触而受潮，另一方面防止装药通过间隔器与药孔之间的间隙散落。底部挡盖7的盖板上设置有若干通孔，便于进水和空气。

如图5所示，为了对间隔器起到稳定放置的作用，在最底层也就是第一间隔节8的底部装有重物11，在工程中起到稳定固定的作用。

如图7和图13、14所示，至少有一只间隔节上设置有若干限位凹槽13，可通过卡扣12对间隔器的长度调节。实际应用中，由于上层间隔节的外径尺度小于下层间隔节的外径，因此在下层间隔节的顶部放置卡扣12，并将卡扣12嵌入在间隔器的限位凹槽13内，可以很容易的实现间隔器的长度调节，具有结构简单，实用方便的效果。

图15给出了弹性卡扣的结构图，其为前端开口的销状结构，包括开口端21和弹性端22，开口端21的端口采用倒刺结构23，弹性端22为圆弧结构，为增加弹性，弹性端22的底部宽度比中部有所减小。使用时用手捏住弹性端22，使得开口端21的开口减小，将开口端21伸入至间隔器的限位凹槽13内后松开弹性端22，则开口端21依靠倒刺结构23固定在限位凹槽13的内部，这种固定方式具有结构简单、可靠性高等优点，已经广泛用于多次工程爆破中。