空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响研究_张召冉.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2021-0519空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响研究*张召冉1，王岩2，刘国庆3（1.北方工业大学土木工程学院，北京100144；2.北京住总集团有限责任公司，北京100101；3.北方爆破科技有限公司，北京100089）摘要：为解决含空孔直眼掏槽中炮孔间距、炮孔与空孔距离的确定问题，首先，从爆生气体膨胀做功致裂岩体和空孔效应入手，推导了爆生裂纹的长度计算公式，确定了掏槽炮孔间距 a 和炮孔与空孔距离 L 的计算公式，得到了大空孔直眼掏槽空孔处片裂区长度公式，确立了应力集中作用下空孔迎爆侧径向裂纹产生的判据；然后，以灰岩（硬岩）和泥岩（软岩）对比分析了不同设计思想下的爆破参数和掏槽效果；最后，结合工程实践验证了理论分析的可靠性。结果表明：不同设计思想下，含空孔直眼掏槽的爆破破岩机理不同，以 a 为主时，相邻炮孔间裂纹的贯通是形成槽腔的关键，而以 L 为主且考虑空孔效应时，炮孔与空孔优先贯通形成槽腔。硬、软岩中应力波（动作用）与爆生气体（静作用）对爆生裂纹长度的贡献率约为 41 和 91，空孔效应导致的软岩的片裂区大于硬岩的，爆破参数设计时应重点考虑；而空孔处产生径向裂纹的临界距离均小于炮孔爆生裂纹长度与空孔半径之和，因此不会产生径向裂纹，爆破参数设计时可不予考虑。以上结果说明，不同设计思想对槽腔掏槽爆破参数和槽腔爆破效果影响较大，基于爆生气体致裂的爆生裂纹长度计算模型可为爆破参数设计提供参考。关键词：巷道掘进；掏槽爆破；大直径空孔；爆破参数；破裂形态中图分类号：O389；TU45国标学科代码：13035文献标志码：ATheoretical study of the influence of empty-hole on both the blastingparameters and the blasting effect of straight-hole cuttingZHANGZhaoran1,WANGYan2,LIUGuoqing3(1.School of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China;2.Beijing Residential Group Co.,Ltd,Beijing 100101,China;3.China North Blasting Technology Co.,Ltd.,Beijing 100089,China)Abstract:Thepaperisaimedtodeterminethedistancebetweenblastholes(a)andthedistancebetweenboreholesandtheemptyholes(L)inthestraight-holecuttingwithemptyholes.Firstly,byconsideringthecrackmainlybeingfracturedduringthequasi-staticexpansionofexplosiongasandtheeffectofemptyhole,thecalculationformulaofthecracklengthisderived;andthen,thecalculationformulasofthedistancebetweenboreholesandthedistancebetweenblastholesandtheemptyholearedetermined.Moreover,theformulaofthelengthofthecrackzonearoundtheemptyholeinthestraight-holecuttingwithlargeemptyholesisobtained,andthecriterionoftheradialcrackattheblastingsideoftheemptyholeisestablishedbasedonthe effect of stress concentration around empty hole.Secondly,by considering two different design ideas,the blastingparametersandcutblastingeffectarecomparedandanalyzedfortheblastinginbothlimestone(hardrock)andmudstone(softrock),whilethereliabilityofthetheoreticalanalysisisverifiedbyengineeringpractice.Theresultsshowthattherockbreaking*收稿日期：2021-12-20；修回日期：2022-05-05 基金项目：北京市教育委员会科学研究计划（KM202110009008）；国家自然科学基金（51774287）第一作者：张召冉（1981），男，博士，副教授， 通信作者：王岩（1982），男，硕士，高级工程师，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023015201-1mechanismofstraight-holecutblastingwithemptyholeisdifferentunderthetwodesignideas.Namely,ifaistakenasthemainfactor,thenthecoalescenceofcracksbetweenadjacentboreholesisthekeyfactortotheformationofthecavity,whilstifListakenasthemainfactor,theboreholesandemptyholesarepreferentiallypenetratedtoformthecavitybasedontheemptyholeeffect.Inaddition,thecontributionsofstresswave(dynamicaction)anddetonationgas(staticaction)tothecracklengthinbothhardrockandsoftrockareabout41and91,respectively.Consideringtheemptyholeeffect,theflakefracturezoneinsoftrockislargerthanthatinhardrock,towhichmoreattentionshouldbepaidinthedesignofblastingparameters.Whereas,thecriticallengthofradialcrackinitiatedfromtheemptyholeislessthanthesumoftheblastingcracklengthfromcuttingholeandtheradiusofemptyhole,sothattheradialcracksinitiatedfromtheemptyholewillnotbegenerated,whichcanbeignoredintheblastingparameterdesign.Theresultsindicatethatthetwodifferentdesignideashavegreatinfluenceoncuttingblastingparametersandblastingeffect,andthecalculationmodelofblastingcracklengthbasedonthedrivenofdetonationgascanprovideagoodreferenceforthedesignofblastingparameters.Keywords:rockroadwayexcavation;cutblasting;empty-holewithlargediameter;blastingparameters;fractureshape直眼掏槽是岩石井巷和隧道工程爆破常用技术之一1，直眼掏槽的掏槽孔相互平行，形成的槽腔形状规整，破碎后块度均匀，矸石抛掷距离短，施工简单。为取得较好的爆破效果，一般需要在掏槽孔附近布置空（炮）孔为掏槽孔爆破提供有利条件，由此带来的问题是掏槽区炮孔数量较多，但形成的掏槽槽腔小。为此，一些学者提出采用大直径空孔代替不装药普通炮孔，并对相关的破岩机理进行了研究2-4，形成了大直径空孔直眼掏槽技术。爆生裂纹长度是确定爆破参数（尤其是炮孔间距）的关键依据之一，直眼掏槽爆破参数的设计，同样是基于爆生裂纹长度的计算结果。关于爆生裂纹长度计算及掏槽爆破参数研究，相关学者已经做了较多的研究工作，如刘圣贤等5从强度理论和脆断理论入手，得到了爆生裂纹长度的计算方法，但缺少实践检验。宗琦6在分析爆生气体膨胀规律的基础上，给出了爆生裂纹扩展长度的理论计算公式。赵新涛等7采用 BCM（biot-consistentmacroscopicmodel）模型得到了岩体裂纹扩展判据。杨小林等8基于损伤断裂理论，建立了裂纹尖端的损伤局部化模型，用来描述爆生气体作用下裂纹的扩展情况。严成增等9将有限元和离散元方法相结合，模拟了爆生气体作用下岩体的破裂过程，但并未给出相应的计算公式。戴俊等10提出了楔形掏槽爆破参数的计算方法，为楔形掏槽炮孔间距设计提供了参考。单仁亮等11、张召冉等12基于经典岩土力学理论，分析了准楔形掏槽和二阶二段掏槽成腔机制。费鸿禄等13从理论上得到了不耦合装药条件下裂隙区范围的计算方法，该方法需要实际工程检验验证。可见，虽然学者们从不同角度对爆生裂纹长度的计算进行了研究，但并未形成一个统一且简洁的计算公式。同时，含空孔的直眼掏槽中由于存在大直径空孔，应力集中、自由面及碎胀空间等效应5-7使炮孔参数的确定变得更复杂，在参数设计时是否考虑空孔效应，以及空孔效应对爆破参数的选取有何影响，也未见相关报道。本文中在进行爆生裂纹长度计算推导的基础上，讨论含空孔直眼掏槽爆破参数的确定及其对爆破效果的影响，并结合工程实践检验其有效性。aL1 含空孔直眼掏槽参数和含空孔的直眼掏槽，一般是以空孔为中心，在其周围对称布置数对掏槽孔，以 4 个掏槽孔为例（见图 1），炮孔 0 为空孔，炮孔 14 为同深掏槽孔，空孔、掏槽孔均垂直于自由面。除空孔 0 外，掏槽孔 14 同时起爆后爆破成腔。在爆破破岩时，炮孔间距是决定破岩效果的关键。如图 1 所示，含大空孔的直眼掏槽不仅存在确定炮孔间距 a 的问题，还存在确定掏槽孔与空孔之间距离 L 的问题。由于空孔效应的存在，掏槽区内岩体的破坏表现为两个方面：一是相邻炮孔之间裂隙区的相互贯通，二是炮孔产生的裂隙区与空孔贯通。两种不同贯通破坏形式的岩体破坏机理存在差异，掏槽效果也不尽相同。为便于理论分析，先假定炮孔内的装药量能满足破岩要求，然后分析 a 和 L 的理论计算值，及不同设计理念下 a 和 L 取值对破岩效果的影响。第43卷张召冉，等：空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响研究第1期015201-2a1.1 炮孔间距的确定（1）爆炸应力波作用下 a 的确定。p0td岩石井巷爆破中装药结构一般为不耦合装药，炸药在岩体中爆炸，对炮孔壁施加强冲击荷载，其表达式参见文献 14；岩石为脆性材料，抗拉强度为抗压强度的约 1/10，根据 Mises 准则，当岩体受到爆炸荷载的强压缩作用后产生的切向应力大于岩石的动态抗拉强度时，则在岩体中形成拉裂区。应力波作用下裂纹扩展长度 R2的表达式可参见文献 15。在工程爆破参数设计中，常常采用 R2作为炮孔间距确定的依据。由以上分析可知，掏槽炮孔之间岩石的破坏，需要爆生裂纹之间