电子雷管起爆条件下隧道掏槽...与辅助孔的延时优化试验研究_李洪伟.pdf

DOI:10.11858/gywlxb.20220638电子雷管起爆条件下隧道掏槽孔与辅助孔的延时优化试验研究李洪伟1，吴延梦1，吴立辉2，杨赛群1，管月强1，黄昕旭1，章万龙3（1.安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232000；2.马鞍山江南化工有限责任公司,安徽马鞍山243000；3.淮南舜泰化工有限责任公司,安徽淮南232000）摘要：起爆延时严重影响隧道爆破掘进效率，研究隧道精确控制爆破中岩石的破碎效果和掘进效率具有重要意义。为此，开展了隧道爆破中掏槽孔与辅助孔之间延时的相似模型试验研究，分析了不同起爆延时情况下岩石的破碎特征。模型试验表明，在隧道爆破中精确延时电子雷管对于提高爆破效果具有明显优势，得到了一定条件下模型试验与现场试验中起爆延时的相似关系。由现场试验可知：掏槽孔与辅助孔之间的最佳延时范围为 1525ms，此时炮孔的利用率最高。结合相似理论的模型试验，得到最佳延时范围为 824ms，与现场试验结果具有较好的一致性，研究结果对隧道爆破掏槽孔与辅助孔之间的延时选取具有指导意义。关键词：隧道爆破；电子雷管；延时；微差爆破中图分类号：O346.1;TD235文献标识码：A根据 2018 年公安部与工信部决议，民爆行业于 2022 年基本实现电子雷管的全面使用12。电子雷管具有高安全性、高可靠性、高延时精度、可任意设置延时等诸多优点35，在隧道爆破现场已大范围推广使用，然而其时间微差仍沿用传统电雷管、非电导爆管的雷管设计理念，未充分发挥其优势。为此，亟待发展在电子雷管条件下满足工程设计的隧道爆破理论技术，以提高隧道爆破效率。国内外学者对直眼掏槽爆破开展了大量研究，其中，Cho 等6通过数值模拟研究了岩石在爆炸冲击波作用下的动态断裂过程，对岩石的动态破裂机理进行了阐述。Huang 等7结合直眼掏槽爆破现场试验，研究了掏槽爆破同时起爆与延时起爆之间的爆破振动差异，总结了起爆延时对爆破振动的影响趋势。黄宝龙8、单仁亮等9从模型试验出发，对影响掏槽爆破效果的掏槽孔间距、排距、倾角等因素进行研究，发现掏槽孔倾角对掏槽爆破效果的影响最大。Shapiro10通过对不同掏槽形式、布孔方式下掏槽爆破效果进行研究，建立了新的掏槽效果评价方式和体系。龚敏等1112通过现场试验和数值模拟方法，分析了影响掏槽效果的相关参数，发现中间空孔对掏槽爆破效果的影响最大。以上研究均以电雷管和非电导爆管雷管为基础，通过数值模拟、现场试验、模型试验等方法对影响掏槽爆破的参数开展研究，对其破岩机理进行分析，进而提高掏槽的爆破效果。电子雷管的推广应用确保设计起爆时间与实际起爆时间的高度一致，使隧道爆破施工高精度化、信息化和科学化，在提高岩石破碎效果的同时，减轻以爆破振动为主的破坏效应。傅洪贤等13结合隧道爆破掘进工程，发现与非电雷管爆破相比，电子雷管的单孔连续爆破可有效降低地面振动强度，从而有效控制施工对周围建*收稿日期：2022-08-11；修回日期：2022-10-15 基金项目：国家自然科学基金（11872002）；安徽省教育厅高校科学研究项目（13190248）作者简介：李洪伟（1979），男，硕士，教授，主要从事控制爆破技术研究.E-mail： 通信作者：吴延梦（1999），男，硕士研究生，主要从事岩石破碎理论与技术研究.E-mail：第37卷第1期高压物理学报Vol.37,No.12023年2月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSFeb.,2023015301-1筑物的损坏程度。李清等14采用高精度电子雷管精确控制爆破，通过理论计算和工程实际监测，提出了精确控制爆破孔间延时的计算方法。在以往的隧道爆破中，通常用非电导爆管雷管，其段别和延时固定，虽然可以采用不同段别的雷管组合起爆，但是方法单一且误差较大，无法达到最佳的爆破效果1517。目前，隧道爆破掘进已全面推广使用电子雷管，然而其延时设置依旧沿用以往方法，没有充分发挥电子雷管的优势。由于传统毫秒延时雷管的分段数目固定、延时精度差，经常出现相邻段位的应力波相互叠加的问题，设计的延时很难得到保证。为此，本研究从电子雷管出发，通过直眼掏槽模型爆破试验，总结掏槽孔的最佳延时范围。同时，建立模型试验与现场试验之间的相似准则，将模型试验结论应用于工程设计，为隧道爆破现场延时选取提供理论指导。1 模型试验相似性分析 1.1 直眼掏槽爆破相似准则的建立 1.1.1 相似参数whrbrcab0DqCpCpE影响直眼掏槽爆破效果的主要因素有：岩石力学性能、炸药性能、爆破技术。从这 3 个角度出发，模型试验需要考虑的相似参数包括：几何参数、岩石物理力学参数、炸药性能参数、时间参数。几何参数：爆腔深度 H、爆腔体积 V、爆破块度 B、最小抵抗线、炮孔深度、炮孔半径、药卷半径、掏槽孔与空孔中心间距、周边孔与空孔中心间距、装药系数。炸药性能参数：炸药密度、炸药爆速、炸药单耗。岩石物理力学参数：岩石密度、岩石强度、岩石波阻抗（为纵波速度）、弹性模量。时间参数：延时。本研究以爆腔深度 H、爆腔体积 V、爆破块度 B 为评价直眼掏槽爆破效果的主要指标18。1.1.2 相似准则选用以长度、力、时间为基本量纲体系的量纲分析法19，对直眼掏槽模型试验相似准则进行推导。其中，装药系数 为无量纲参数，取值与现场一致即可。根据相似第二定理，上述影响掏槽爆破效果的参数可用以下函数表示f(H,V,B,w,h,rb,rc,a,b,0,D,q,Cp,E)=0(1)w 0D选取、为基本参数，采用量纲矩阵分析法对上述 17 个相似参数进行分析，可建立 14 个相互独立的相似准则1=Hw,2=Vw3,3=Bw,4=hw,5=rbw,6=rcw,7=aw,8=bw,9=q0,10=0,11=0D2,12=Cp0D,13=E0D2,14=Dw(2)h、w、rb、rc、a、bD、q、0、Cp、E4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、141、2、3当几何参数（）、炸药性能参数（）、岩石力学参数（）、时间参数（）均确定时，可得出 H、V、B 的具体值，以为自变相似准则，为因变相似准则，相似准则间有以下函数关系1,2,3=f(4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14)(3)4、5、6、7、89、10、11、12、1314由此可知，影响掏槽爆破效果的相似准则有 11 个，其中是设计模型尺寸和布置孔网参数的依据；反映炸药与岩石间相互匹配的关系，是选取相似炸药和相似岩石的依据；是决定延时起爆时间的依据。因此，在设计模型试验时，要以这 14 个相似准则为依据，建立模型试验与原型爆破现场之间的关联性和相似性，才能以模型试验结果反映现场情况。1.2 模型试验的相似性确定ke直眼掏槽模型爆破试验的相似性主要由几何相似常数、材料相似常数 和爆破动力相似常数 表第37卷李洪伟等：电子雷管起爆条件下隧道掏槽孔与辅助孔的延时优化试验研究第1期015301-2征。在下标表述中，现场原型的相关参数用下标“0”表示，模型试验的相关参数用下标“m”表示。1.2.1 几何相似常数k选取模型几何相似常数时，首先考虑边界效应对模型试验的影响，最后根据现有试验条件制备试验模型。综合考虑后，选取几何相似常数 为 1/10（模型与原型的几何参数之比）。原型掏槽爆破炮孔直径为 42mm，根据相关研究20，炮孔深度与炮孔半径的比值大于 10 时，炮孔直径的微小改变对试验结果的影响较小；另外，考虑到钻孔设备、模型强度等影响，模型试验的炮孔半径定为 6mm，炮孔深度定为 13cm。1.2.2 材料相似岩石爆破模型试验要求模型材料与现场岩石的性质基本相似，但现有试验条件无法使模型材料达到与现场岩石相同的性质。因此，材料相似只能近似满足，材料相似比 定义为=m0 0.609(4)m0式中：为模型材料的抗压强度，为现场岩石的抗压强度。1.2.3 爆破动力相似nn=A2/A1 1.219A1A2模型试验与工程现场使用的炸药性能和岩石力学性质均不同。因此，爆破动力相似常数的选取要综合考虑岩石介质与起爆炸药能量之间的匹配性。不同炸药间的爆炸能量对比可由换算系数 确定10：，其中为模型试验所用炸药爆力（mL），为现场所用炸药爆力（mL）。q炸药单耗 的计算公式18为q=1.1Kc10Sq c(5)K=525/p pSce式中：K 为系数，为爆力；为巷道掘进断面积；为岩石的抗压强度，MPa。综合考虑试验材料与炸药能量的匹配关系，爆破动力相似常数 的计算公式为e=qmq0=nm0 0.952(6)qmq0式中：为模型材料的单耗，kg/m3；为现场岩石材料的单耗，kg/m3。根据模型律与相似准则可得(D)0w0=(D)mwmm0=wmw0D0Dm=ke(7)由此可知，模型试验与工程现场间掏槽孔的最佳延时为0=mke(8)即延时相似比为0m 7.998(9)2 模型爆破试验 2.1 模型设计制作及试验方案h1根据相似理论，为减少边界效应的影响，采用水泥、河沙、水的质量比为 1.03.00.7，制作半径R=40.0cm、高 35.0cm 的圆柱体水泥砂浆试块。现场原型炮孔深度为 2.2m，夹套钢制模具后的爆腔岩体不易抛掷，经多次试爆，选取中心空孔直径 d0=2.0cm，掏槽孔与空孔中心间距 a=5.0cm，周边孔与空孔中心间距 b=10.0cm，炮孔深度=13.0cm，炮孔直径 d1=1.2cm，单孔装药量为一发电子雷管+0.6g第37卷李洪伟等：电子雷管起爆条件下隧道掏槽孔与辅助孔的延时优化试验研究第1期015301-3RDX，炮孔布置如图 1(a)所示。经测量，得到模型试块及掘进现场岩石的相关物理力学参数21，具体如表 1 所示，其中：为泊松比。本研究旨在探讨直眼掏槽爆破掏槽孔与辅助孔之间的延时 对掏槽爆破效果的影响。根据工程实际经验和相关理论公式17推演，得出模型试验中掏槽孔与辅助孔之间的最佳延时 1.5ms，以此为基础设计 4 组试验方案，进行模型试块爆破试验论证，具体方案参数如表 221所示。2.2 试验结果与分析本试验使用 NACMemrecamHX-3 型高速摄像机对不同延时 下岩体破碎过程进行拍摄，拍摄参数为：速率 104s1（方案 T-4 的速率为 8103s1），分辨率 960960 像素，如图 1(b)所示，满足试验要求。在掏槽孔和辅助孔均起爆后掏槽岩块均脱离岩体时拍摄照片，对图像进行网格划分，最小网格划分为 240240 像素，对应的实际尺寸为 16cm16cm，如图 2 所示。对比图 2 中 4 组破碎图像可知：同时起爆与延时 5ms 起爆时，炸药起爆导致岩体剥离岩体，部分碎岩长达 16cm，属于大块碎岩，如图 2(a)和图 2(d)所示；延时 1和 3ms 起爆时，炸药起爆导致岩体剥离岩体，碎岩破碎均匀，块度长度不足8cm，碎岩块度相对较小，如图 2(b)和图 2(c)所示。表 1 模型及现场岩石的相关参数Table 1 Model and field rock-related parametersMaterial/(kgm3)c/MPaCp/(ms1)E/GPaCastmaterial208020.82982.117.10.177Rocksonsite28401214900530.21表 2 模型试验方案21Table 2 Model test schemes21Scheme/msa/cmb/cmh1/cmd0/cmd1/cmT-105.010.013.02.01.2T-215.010.013.02.01.2T-335.010.013.02.01.2T-455.010.013.02.01.2(a)Schematic diagram(b)Blocking diagram45Rab图1模型试验中的炮孔布置Fig.1Holelayoutinmodelexperiment第37卷李洪伟等：电子雷管起爆条件下隧道掏槽孔与辅助孔的延时优化试验研究第1期015301-4对爆后抛掷碎岩进行收集并记录，具体数据如表 3 所示。为清晰分析数据，定义抛掷后碎