1、P V C间隔装药光面爆破技术在掘进爆破中的应用姜家明,杨翎,马朝阳,原鹏鹏,韩兴旺,戎西伟(安徽江南爆破工程有限公司,安徽 宁国市 2 4 2 3 0 0)摘 要:传统巷道掘进爆破过程中常使用导爆索间隔装药结构进行光面爆破作业,但该结构单孔装药时长较长,施工效率较低且成本较高,面对此类工程问题,考虑采用P V C间隔装药结构,利用乳化炸药的殉爆性能进行传爆以代替导爆索进行光面爆破,同时结合L S D Y N A数值模拟软件对该结构进行仿真分析,仿真结果表明:在2 5mm的P V C材料间隔条件下,乳化炸药完全传爆,爆破后炮孔上部区域保存完好,未发生明显侵蚀,可有效留存半孔壁达到光爆效果,贴近
2、炸药的下部区域矿体材料失效,侵蚀较为完全,配合崩落孔可有效崩落矿体。现场爆破施工过程通过合理调整周边孔孔距进行了光爆试验,爆破后半孔率可达7 3%,超欠挖量在2 0c m以内,最大孔痕长度达2.9m左右,基本达到光面爆破效果,可为无导爆索光面爆破技术的研究提供借鉴。关键词:间隔装药;P V C;光面爆破;数值仿真;半孔率0 引言 在地下矿山巷道掘进爆破作业过程中,为减小爆破对围岩的损伤,降低支护成本,保障巷道安全,常会采用光面爆破技术12。传统光面爆破主要采用标准药径(3 2mm)加导爆索分段间隔装药结构,这种装药方法简单,直接采用标准直径,根据炸药集中度按一定间隔分成几段药包均匀布设在炮眼中
3、,一般采用导爆索一次起爆。这种结构施工简便、通用性强3,为现今掘进爆破作业的主流光爆方法。在间隔装药光面爆破研究方面,康永全等4通过大量的工程实践和调查研究,归纳总结了光面爆破间隔装药和不耦合装药的基本分类、功能特点及其适 用 范 围;杨 玉 银 等5采 用 常 规 药 卷(2 53 2mm),在其未与导爆索绑扎的条件下,导爆索成功起爆了光爆孔内按设计线装药密度装入的间隔装药,且取得了理想的光爆效果;梁瑞等6对比分析了5种中部空气间隔装药结构不耦合状态下的光面爆破效果;陈必港等7分析比较了4种不同空气间隔装药条件下的孔壁峰值应力、光爆压力破岩能力、爆破减振效果等。本文基于某地下铁矿巷道掘进爆破
4、工况,结合空气间隔装药爆破机理,采用P V C塑料管作为间隔器装填 3 2mm药卷进行光面爆破,利用炸药殉爆能力进行传爆,同时采用L S D Y N A数值仿真软件对爆破过程进行模拟分析,结果表明:爆破过程中炸药传爆完全,光面爆破效果较为良好,孔痕清晰连续,半孔率高,同时节省了导爆索成本,可为类似掘进面光面爆破作业提供借鉴。1 理论分析1.1 空气间隔装药爆破机理空气间隔爆破理论认为:炸药爆炸产生的冲击波作用于直接与之接触的介质上,并在向间隔器内移动的过程中,也作用于途经的介质上,在介质表面产生很多微断裂。当上下2段炸药的冲击波在间隔空气柱内相撞时,达到冲击波波峰,后反射回弹向孔底和填塞物方向
5、运动,对途经的周围介质再次作用,加深、扩张介质的裂隙,对介质形成二次破坏作用。紧跟着冲击波爆生气体向间隔空气柱内运动形成压力波,在间隔空间柱内相遇,形成新高压源后反弹向孔底和填塞物方向移动,同时作用于介质上,对已生成的微裂隙进行贯通扩张、破碎、抛掷,达到破碎介质的效果。概括地说,间隔装药的压力波阵面作用于岩石的时间长了一些,这种机理被表述为蓄能器,它将原先贮存的能量以附加应力波的形式释放出来,从而在介质上形成多重载荷,使介质的破碎效果得到加强。1.2 间隔装药殉爆距离分析所谓殉爆就是炸药爆炸后能够激发一定距离处另一炸药的爆炸。先爆炸的炸药称为主发装药,被激发的装药称为被发装药。被发装药殉爆概率
6、为I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.0131 0 0%时,主发装药与被发装药之间的距离称为殉爆距离R1 0 0,被发装药殉爆的概率为0%时,主发装药与被发装药之间的距离称为殉爆安全距离R0。影响殉爆的主要因素有主发装药产生的冲击波超压、作用时间和温度、火球半径、爆轰产物高速粒子的冲击能量,被发装药的感度、几何尺寸,被发装药对不同
7、能量激发形式的响应等。根据文献8 的研究:在炮孔约束下双槽聚能管对乳化炸药殉爆距离的影响,采用外径5 7mm、壁厚4mm的无缝钢管模拟孔径4 9mm的周边孔进行乳化炸药殉爆试验研究,测试乳化普通药包在无缝钢管中的最大稳定殉爆距离。结果表明,在无缝钢管约束下,长度1 7c m的乳化普通药包的最大稳定殉爆距离为1 0 5c m。2 有限元分析2.1 装药结构P V C间隔装药结构是采用长度为3 3 0mm的 3 2mm药卷和2 5 0mm的P V C管进行装药,装药结构如图1所示。参考殉爆距离分析可知,2 5 0mm间隔完全能够实现药卷殉爆。图1 P V C间隔装药结构(单位:m m)该结构属于偏
8、心装药结构,3 2mm药卷主要用于爆破贴近侧的矿体,配合崩落孔有效实现矿体崩落破碎,同时由于轴向P V C间隔和径向空气间隔的存在,爆破冲击波对于远离药卷一端的炮孔壁影响较小,无法达到矿体抗压强度,从而有效保障半孔有效保留,同时爆炸冲击波反射拉伸形成拉应力突破矿体抗拉强度,形成孔间裂缝,爆破后爆生气体扩展裂缝,形成平整的光爆轮廓。2.2 材料模型采用L S D Y N A数值仿真软件对P V C间隔装药结构爆破过程进行数值模拟分析,依照图1建立炮孔三维有限元模型,模型中包含乳化炸药、P V C塑料、空气和磁铁矿。2.2.1 炸药材料参数炸药选取普通的2号岩石乳化炸药,L SD Y N A中常采
9、用*MA T_H I GH_E X P L O S I V E_B U R N关键字定义,同时利用J W L状态方程描述其爆炸产物压力与体积的关系,状态方程由式(1)表示:P=A1-R1V()e-R1v+B1-R2V()e-R2v+E0V(1)式中,P为爆轰压力;A、B、R1、R2、分别为炸药材料常数;V为单位体积爆破产物相对体积;E0为单位体积爆炸产物初始内能。炸药材料参数见表1。表1 乳化炸药材料参数/(k gm-3)D/(ms-1)Pc-j/G P aA/G P aB/G P aR1R2E0/G P a1 1 5 03 5 0 03.2 2 1 4.40.1 8 2 4.2 0.90.1
10、 5 24.1 9 22.2.2 空气材料药卷与炮孔孔壁之间 的 耦 合 介 质 为 空 气,L S D Y N A中采用*MA T_N U L L空白材料模型,空气选用线性多项式描述其方程,通过*E S P_L I N E A R_P O L Y N OM I A L关键字进行定义,其表达式为:P=C0+C1V+C2V2+C3V3+C4+C5V+C6V2E0(2)式中,C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6为材料参数。空气材料具体参数见表2。表2 空气材料参数/(k gm-3)C0C1C2C3C4C5C6E0/G P aV01.2 90000 0.4 0.4 02.5 1 0-412.2.
11、3 P V C材料采用*MA T_E L A S T I C定义P V C塑料,并采用*MA T_A D D_E R O S I O N关键字定义失效条件,其材料参数见表3。表3 P V C塑料材料参数/(k gm-3)E0/G P a 泊松比抗压强度/M P a抗拉强度/M P a1.3 80.0 2 30.3 31 5 06 02.2.4 磁铁矿材料参数L S D Y N A中常采用*MA T_D R U C K E R_P R A G E R定义岩石、土体和混凝土等岩土介质,可用于定义磁铁矿材料,其材料参数见表4。表4 磁铁矿材料参数/(k gm-3)剪切模量/G P a泊松比内摩擦角/
12、()黏聚力/M P a抗压强度/M P a抗拉强度/M P a3 3 9 04 50.2 24 28.3 25 3.1 4 55.618姜家明,等:P V C间隔装药光面爆破技术在掘进爆破中的应用2.3 模型建立考虑到模型的对称性,建立P V C间隔装药结构1/2有限元模型,采用11建模方式建立炸药、磁铁矿、P V C塑料及空气组分,其中乳化炸药为直径3 2mm,长度3 3 0mm圆柱体,P V C塑料管为内径3 0.8mm,外径3 2mm的两头贯通的空心圆筒,磁铁矿为内径4 5mm,外径1 0 0mm,长3 0 0 0mm的空心圆筒,采用偏心距装药结构,相对位置如图1所示。其中空气和炸药材料
13、定义为流体,磁铁矿、P V C管为固体,采用*C O N S T R A I N E D_L A G R A N G E_I N_S O L I D关键字定义流固耦合关系。整体模型采用映射法进行网格划分,在对称面施加相对的位移约束。在磁铁矿组分外表面添加无反射边界条件,设置剪切波和膨胀波的吸收,设置*MA T_A D D_E-R O S I O N关键字,采用抗拉、抗压强度定义P V C和磁铁矿材料失效。在孔底乳化炸药底部设置起爆点。有限元模型如图2所示。(a)固体结构(b)流体结构图2 P V C间隔装药结构2.4 结果分析2.4.1 传爆效果分析观测有限元模型中流体材料变化情况,如图3所示
14、。(a)1 8 0m s(c)5 2 0m s(b)3 4 0m s(d)6 8 0m s图3 流体材料殉爆情况 图3中灰色为爆生气体,绿色为空气流体,由图3可以看出,在1 8 0m s、3 4 0m s、5 2 0m s、6 8 0m s各药卷发生殉爆,说明2 5 0mmP V C间隔装药结构可实现完全传爆。2.4.2 磁铁矿材料失效分析进一步观察磁铁矿体组分爆破后材料变化情况,如图4所示。由图4可以看出,在1 0 0m s时,起爆药包附近磁铁矿和P V C管受爆炸冲击作用,部分材料网格因达到失效条件而侵蚀,其中炮孔底部单元失效较多。2 0 0m s时,第一节P V C管基本完全侵蚀失效,磁
15、铁矿单元也进一步受爆破作用失效,2 0 0 1 0 0 0m s时间内,炮 孔 中 贴 近 炸 药 的 一 段 材 料 大 量 失 效,2 0 0 0m s时装药段底部磁铁矿基本侵蚀完毕,空气段磁铁矿材料部分失效。除底部部分材料失效外,炮孔上端部分保留相对完好,即模拟过程中可留下较为完整的光爆孔痕,且爆破威力可有效损伤炮孔底部岩体,保证磁铁矿顺利崩落破碎。进一步观察炮孔上部内侧面材料位移变化情况,选取如图5所示各测点,观测各点位移。由图6可以看出,1号测点在1 2 5 0m s左右位移约为0.1 7c m,后因单元格失效,位移突变为0。由图7可以看出,26号测点最大位移均在0.1 5 0.3
16、5c m区间内,说明炮孔上部岩体未发生明28采矿技术2 0 2 3,2 3(2)(a)1 0 0m s(c)1 0 0 0m s(b)2 0 0m s(d)2 0 0 0m s图4 P V C管与磁铁矿材料失效情况图5 炮孔上部测点图6 1号测点时间 位移变化图7 2 6号测点位移显位移,即矿体保留完好,可有效形成光爆孔痕。3 工程实例3.1 爆破设计为研究P V C间隔光面爆破装药结构现场应用效果,选取某地下矿山6号穿脉,断面 尺 寸 为5.2 4m 3.8 9m,钻孔深度为3m,其炮孔布置如图8所示。其中周边孔采用P V C间隔装药结构,孔距为5 1 0mm,光爆层厚度为6 2 0mm。3.2 现场施工现场地质条件相对较好,掘进面壁面平整,顶板较为完整。其中掘进断面掏槽孔、辅助孔及崩落孔均采用 3 5mm乳化炸药连续装药,根据具体孔位选取不同装药系数,周边孔采用P V C间隔装药结构,使用P V C管辅助装药。3.3 爆破效果观察双发雷管轴线间隔光面爆破后的爆破效果,如图9所示。由图9可以看出,P V C间隔光面爆破后,光爆孔孔痕连续清晰,掘进面周边光爆孔共2 3个,完整半孔孔痕1
