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精細爆破|江漢大學姚穎康等:不同堵塞條件對鉆孔爆破效果影響的試驗與模擬研究

鉆爆法作為一種傳統(tǒng)的巖石爆破技術(shù),憑借其適用性廣和施工技術(shù)成熟的優(yōu)點,在礦山開采、隧道建設和地下空間開挖等工程領(lǐng)域中得到了廣泛應用。炮孔堵塞是鉆爆法施工中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),合理堵塞不僅能高效利用炸藥能量,還能有效控制巖石的破碎程度。在鉆爆法施工中,不同的堵塞條件對爆破效果具有很大的影響,基于不同工程條件合理選用堵塞材料,從而達到減少炸藥用量并增加循環(huán)進尺的目的,這已成為工程爆破領(lǐng)域一個亟待解決的技術(shù)難題。

江漢大學姚穎康團隊針對無堵塞、水袋堵塞、錨固劑堵塞和黏土堵塞的不同堵塞條件,采用高速攝影儀對堵塞段在爆破作用下的運動特性進行了詳細觀測。同時,利用自制的爆腔觀測系統(tǒng)深入研究爆腔的損傷特征,并對鉆孔面的應變特征進行系統(tǒng)分析。研究揭示了炮孔堵塞對爆破效果的影響規(guī)律,為工程設計提供理論依據(jù)。

不同堵塞條件的堵塞段運動特性分析

在爆破試驗中,在各堵塞工況孔口的堵塞材料處粘接一枚小球,用來配合高速攝影儀記錄堵塞段的運動特性。水袋堵塞作用時間最短為3.1 ms,錨固劑次之為4.2 ms,黏土堵塞作用時間最長為8.7 ms,分別是水袋堵塞作用時間的3倍和錨固劑堵塞作用時間的2倍。這表明黏土堵塞能夠有效延長堵塞作用的時間,讓爆生氣體充分發(fā)揮“氣楔作用”破碎巖體。

觀測方案

堵塞段運動特性

爆腔損傷特征分析

爆腔觀測系統(tǒng)由刻度桿、內(nèi)窺鏡和強光電筒組成,用其對各工況孔內(nèi)深處與淺處的爆腔進行拍攝。選取各工況中距離孔底5~25 cm處(孔內(nèi)深處)和距離孔底30~50 cm處(孔內(nèi)淺處)的典型圖像進行比較。黏土的堵塞作用不僅能增大孔壁周圍巖體的徑向損傷范圍,也能增大炮孔軸向巖體損傷范圍。因此,采用黏土堵塞可以擴大巖體損傷范圍,增大工程爆破中的循環(huán)進尺,提高炮孔利用率。

爆腔觀測系統(tǒng)

距離孔底5~25 cm處

距離孔底30~50 cm處

鉆孔面應變特征分析

在鉆孔面的豎直和水平方向粘貼應變片對鉆孔面的應變數(shù)據(jù)進行采集,應變片間距均為12 cm。鉆孔面的損傷演化主要受爆炸應力波、巖體表面反射作用、孔口應變向外傳遞和爆生氣體對巖體的“氣楔作用”的影響。同時可將炸藥爆炸后鉆孔面的應變曲線劃分為4個階段:180 μs應力波傳播至巖體的鉆孔面,應變曲線開始變化;300~800 μs應變曲線在拉壓應變之間來回轉(zhuǎn)換;800 μs左右爆生氣體開始產(chǎn)生作用;1 400 μs后應變曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

應變片位置

鉆孔面應變曲線

數(shù)值模擬對比研究

采用數(shù)值模擬的方法對兩種工況的裝藥段與非裝藥段的孔壁壓力及損傷演化區(qū)域進行對比。黏土堵塞對裝藥段孔壁壓力的影響可忽略不計,黏土發(fā)揮堵塞作用后,其空氣段孔壁壓力是無堵塞工況對應位置處的13倍左右,堵塞段孔壁壓力是無堵塞工況對應位置處的3倍左右;相較于無堵塞工況,黏土堵塞工況損傷范圍更大,其損傷范圍更大的區(qū)域主要體現(xiàn)在空氣段和堵塞段區(qū)域,黏土堵塞工況的巖體損傷發(fā)育時間是無堵塞工況的1.7倍左右。

無堵塞

黏土堵塞

圖巖體損傷區(qū)域

姚穎康

江漢大學教授、博士研究生導師?,F(xiàn)任精細爆破全國重點實驗室副主任,兼任中國力學學會工程爆破專業(yè)委員會秘書長、中國爆破行業(yè)協(xié)會專家委員會委員。主要從事建(構(gòu))筑物爆破拆除、巖土爆破和基礎設施抗爆減爆等方面的教學與科研工作,主持國家自然科學基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃子課題、湖北省重點研發(fā)計劃項目等各類項目10項,發(fā)表學術(shù)論文80余篇,授權(quán)發(fā)明專利30余項,獲湖北省科技進步一等獎2項、二等獎1項,中國爆破行業(yè)協(xié)會科學技術(shù)獎一等獎3項,先后被評為武漢市優(yōu)秀青年科技工作者、武漢市有突出貢獻中青年專家。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦,主編為中國工程院王運敏院士,現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊(中國科技核心期刊)、中國精品科技期刊(F5000頂尖學術(shù)論文來源期刊)、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術(shù)期刊(A)、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊,被美國化學文摘(CA)、美國劍橋科學文摘(CSA)、波蘭哥白尼索引(IC)、日本科學技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫(JST)等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果,優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告(核心版)》,《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學科核心期刊第1位;根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術(shù)期刊影響因子年報》(2024版),《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

責編:曾文旭

編排:余思晨

審核:王小兵



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