CN102997768A

CN102997768A - 一种爆破岩石的方法

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Publication number: CN102997768A
Application number: CN2012104382190A
Authority: CN
Inventors: 董少南; 高烈; 张贵玉; 王克; 宋楠
Original assignee: 董少南
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: CN102997768B

Abstract

本发明提出一种爆破岩石的方法，该方法中最佳破碎原理，并根据此原理提出了岩石爆破设计的最优化设计方案。即在药包布置阶段如何使爆区的爆炸能量分布均匀度达到最大化和在起爆顺序安排阶段如何使相邻炮孔的综合能量梯度值达到最大化的方法。

Description

一种爆破岩石的方法

技术领域

本发明是针对岩石爆破，在炸药和岩石一定的条件下，如何通过合理进行整体爆区设计、合理布置炸药和合理安排起爆顺序而使爆破区域岩石达到最佳破碎、爆破能量达到最大利用及爆破效果达到最佳的一种岩石爆破技术。

背景技术

在当今世界岩石爆破技术的最新进展是大区微差爆破技术，而大区微差爆破技术又是以奥瑞凯公司的逐孔起爆技术最为先进。但是长期以来，国内外岩石爆破理论一直对最优化岩石爆破原理没有清楚的认识，因此在爆破设计中，技术人员并不清楚爆区在何种状态下岩石达到最佳破碎状态。近年来随着计算机模拟技术的发展，出现了很多爆破专家系统，它们均号称可以预算出最优的岩石爆破效果。但是我们认为在对最优化岩石爆破原理没有清楚认识的情况下很难说预测的结果是最优化岩石爆破。因此搞清楚岩石爆破的最优化原理是解决最优化岩石爆破的关键。通过我们长期的研究和实践，首先搞清了岩石爆破的最优化原理，并根据此原理开发出一种新型的岩石爆破方法。因此我们把这种技术称之为最优化岩石爆破技术。

发明内容

最优化岩石爆破原理：

在炸药和岩石一定的条件下，以炸药能量利用率为最高准则的岩石爆破中，爆区的岩石破碎效果与整个爆区的炸药能量分配均匀度成正相关、与爆破过程中相邻炮孔的综合能量梯度成正相关。因此每个爆区要想实现最优化爆破必须使炸药能量分配均匀度和爆破过程中相邻炮孔的综合能量梯度值均达到最大化。这个原理就是岩石爆破的最优化原理。符合这个原理的爆破就一定能够实现最优化爆破。

最优化岩石爆破设计原理及方案：

为了能够定量地对岩石爆区设计好坏进行评测，我们引入了相对爆破效果指数、能量分配均匀度和综合能量梯度等概念及计算方法，并给出相应的计算公式：

2.1、相对爆破效果指数的概念及计算：

相对爆破效果指数：是用来判断不同爆破设计方案优劣的指标数。这个指数可以反映出同一爆区的不同爆破设计方案的优劣，指数高的爆破效果就好，指数低的爆破效果就差。它按下列公式计算：

E_相对＝J_相对T_相对 ————————————（公式一）

式中：

E_相对——为相对爆破效果指数

J_相对——为整个爆破区能量分布的相对均匀度

T_相对——为整个爆区爆破过程中相邻炮孔的相对能量梯度

2.2、能量分配均匀度的概念：

定义：能量分配均匀度是指爆炸能量在整个爆区岩体中分布的均匀程度。

、能量分布均匀度的计算：

那么爆炸能量分布的均匀程度应当如何计算呢？通过研究我们认为爆炸能量分布的均匀程度好坏实质上是通过爆区内所有药包在岩石中爆炸产生的标准爆能体所占据的空间利用率来体现的。一般来讲标准爆能体的空间利用率越高则它的能量分配均匀度也就越好。

在实际的爆破设计工作中，由于爆炸能量分布的绝对均匀度使用起来不方便，因此采用相对均匀度进行计算。相对均匀度的计算方法如下：首先选取一个标准的药包布置方式（各向同性岩体平面布置时以正三角形布置为标准，空间布置时以正四面体布置为标准），此种方式的标准爆能体空间利用率最高，把此时的能量分配均匀度确定为1；其它各种药包布置方式的能量分配均匀度均为此药包布置方式标准爆能体的空间利用率与标准布药方式标准爆能体的空间利用率的比值。

、对于各向同性岩体：

在球形药包设计中，标准爆能体的形状为圆球体，其六方紧密堆积结构的空间利用率最高（即相邻药包形成正四面体结构），此时的爆炸能量分布均匀性最好。因此把六方紧密堆积结构的布药参数定为标准参数，其均匀度确定为1。

在条形药包（或炮眼爆破）设计中，标准爆能体的形状可简化为圆柱体，因此为了简化计算把标准爆能体的形状简化为平面圆，通过计算平面圆的空间利用率来计算能量分布均匀度的值。由于在平面布置时正三角形布孔的标准爆能体空间利用率最高，因此把正三角形布孔的布孔参数定为标准参数，其均匀度确定为1。

、对于各向异性岩体：

在球形药包设计中，各向异性岩体的标准爆能体为椭球体，因此必须对其在各向同性时确定的标准爆能体参数和布药参数进行修正。其修正方法为：把各向同性时的标准爆能体参数和布药参数在岩体走向、倾向和垂直层理面三个方向乘以修正系数。修正系数大小见标准爆能体的计算一节。

在条形药包（或炮眼爆破）设计中，由于爆能体的形状较为复杂，在实际工作中为了简化计算，可以把爆能体简化为平面上的椭圆。因此必须对其在各向同性时确定的标准爆能体参数和布孔参数进行修正。其修正方法为：把各向同性时的标准爆能体参数和布孔参数在岩体走向和垂直走向方向乘以修正系数。修正系数大小见标准爆能体的计算一节。

由于一般爆区均是由多个药包组成的，因此为了能够准确地计算整个爆区的能量分布均匀度，我们有必要把整个爆区划分成多个基本结构单元。通过先计算每个基本结构单元的均匀度值，再对所有的基本结构单元的均匀度值进行平均的方法而得出整个爆区的能量分布均匀度数值。对于球形药包空间布置方式的基本结构单元为四面体，条形药包平面布置方式的基本结构单元为三角形。因此每个基本结构单元的能量分布均匀度计算方法如下：

1）、球形药包空间布置时的绝对均匀度按下式计算：

J＝ ————————————（公式四）

式中：

J——为爆炸能量分布的绝对均匀度

V_圈进——为被正四面体（或修正的四面体）圈进的标准爆能体的体积。

注意：各项同性岩体用正四面体，各项异性岩体用修正的正四面体

V_正四面体——为与标准爆能体相切的正四面体体积（正四面体和修正的正四面体的体积相同）

2）、球形药包空间布置时的相对均匀度按下式计算：

J_相对＝

————————————（公式四）

式中：

J_相对——为爆炸能量分布的相对均匀度

注意：各项同性岩体用正四面体，各项异性岩体用修正的正四面体。

_相切——为相切的标准爆能体的体积（为标准爆能体的4倍）

3）、条形药包平面布置时的绝对均匀度按下式计算：

J＝ ————————————（公式五）

式中：

J——为爆炸能量分布的绝对均匀度

S_圈进——为被正三角形（或修正的正三角形）圈进的标准爆能体的投影面积。

注意：各项同性岩体用正三角形，各项异性岩体用修正的正三角形。

_△ABC——为与标准爆能体相切的正三角形（或修正的正三角形）面积

4）、条形药包平面布置时的相对均匀度按下式计算：

J_相对＝

————————————（公式五）

式中：

J_相对——为爆炸能量分布的相对均匀度

S_圈进——为被正三角形（或修正三角形）圈进的标准爆能体的投影面积。

_相切——为相切的标准爆能体的面积（为标准爆能体的面积3倍）

2.4、标准爆能体的概念：

为了能够更好地理解能量分布均匀度的计算，必须首先了解标准爆能体的概念及其计算方法。

爆能体是爆炸能量在岩体中各个方向传播的波阵面所构成的空间结构体。

标准爆能体是在标准布孔方式下，沿岩体走向方向相邻的两炮孔相切时的爆能体。所谓标准布孔方式就是孔向平行于岩体走向方向且标准爆能体空间利用率最大时的布孔方式。

对于各向同性岩石，球形药包的标准爆能体形状为圆球体；条形药包的标准爆能体形状为圆柱体与上下两个半球体的组合。对于各向异性岩石，球形药包的标准爆能体形状为椭球体；条形药包的标准爆能体形状为多个椭球体和椭圆柱体的组合。在实际工作中，对于孔眼爆破可以简化为圆形或椭圆形来进行计算。

、标准爆能体的结构参数计算：

2.5.1、球形药包空间布置：

a）、各向同性岩石：其标准爆能体形状为圆球体，球体半径按如下步骤计算：

第一步：根据炸药单耗和炸药量，求出空间正四面体布药时的孔距L₁、排距L₂和层距L₃

且L₂＝

L₁ L₃＝

L₁

第二步：计算标准爆能体的球半径，它为孔距L₁的一半即：

R＝

L₁

b）、各向异性岩石：其标准爆能体形状为椭球体，椭球体的三轴半径根据各向同性岩石的标准爆能体球半径R进行修正，修正参数按下列步骤计算：

第一步：实测爆区内岩体走向、倾向和垂直层理面三个方向的爆炸能量传播速度v₁、v₂和v₃的值。并按下式求出v＝的值。

第二步：按下列公式求出修正系数的值：

k₁＝

k₂＝ k₃＝

第三步：则修正后标准爆能体的结构参数为：

长轴半径a＝k₁R 中轴半径b＝k₂R 短轴半径c＝k₃R

修正后的正四面体参数为：

孔距＝k₁ L₁ 排距＝k₂ L₂ 层距＝k₃ L₃

2.5.2、条形药包平面布置：

在实际工作中，孔眼爆破可以简化为平面图形（爆能体为圆形或椭圆形），其标准爆能体的结构参数可以按下列步骤进行计算：

a）、各向同性岩石：其标准爆能体形状为圆形，园半径按下面两个步骤进行计算：

第一步：根据炸药单耗和炸药量，求出正三角形布孔时的孔距L₁和排距L₂

且L₂＝ L₁

第二步：计算标准爆能体的园半径，它为孔距L₁的一半即：

R＝

L₁

b）、各向异性岩石：其标准爆能体形状为椭圆，椭圆的长短轴半径根据各向同性岩石的标准爆能体圆半径R进行修正，修正参数按下列步骤计算：

第一步：实测爆区内平行岩体走向和垂直岩体走向两个方向的爆炸能量传播速度v₁和v₂的值。并按下式求出v＝的值。

第二步：按下列公式求出修正系数的值：

k₁＝

k₂＝

第三步：则修正后标准爆能体的结构参数为：

长轴半径a＝k₁R 短轴半径b＝k₂R

修正后的正三角形参数为：

孔距＝k₁ L₁ 排距＝k₂ L₂

2.6、能量梯度的确定：

2.6.1、能量梯度的定义及计算：

能量梯度的定义：所谓能量梯度就是指爆炸能量密度在单位距离上的变化量。

爆炸能量密度的定义：所谓爆炸能量密度就是指被爆岩体单位体积内所储存的爆炸能量。

爆炸能量密度的计算：

U＝kσε ————————————（公式六）

式中：U——为爆炸能量密度

K——为系数，弹性体为

。

σ——为爆炸能量在岩体中产生的爆炸应力，为时间的函数。

ε——为爆炸能量在岩体中产生的爆炸应变，为时间的函数。

能量梯度的计算：

T＝

————————————（公式七）

式中：T——为能量梯度

△U——为两相邻炮孔在同一爆炸瞬间能量密度的差值

L——为炮孔间距

2.6.2、爆炸能量密度的变化曲线：

在爆炸过程中每个炮孔的爆炸能量密度都经历如下变化过程：在炮孔刚开始起爆时，随着炸药的爆轰药包空间内的爆轰气体压力迅速升高，直至炸药爆轰完毕膨胀压力达到最大，随着爆轰气体膨胀压力的升高同时引起临近炮孔周围岩石的能量密度迅速升高，直至炸药爆轰完毕时达到最大。伴随能量密度的升高在岩体中同时产生爆炸应力波，爆炸能量以爆炸应力能和爆炸气体膨胀压力能的形式迅速向外传播，随着能量的向外传播，炮孔处的岩石能量密度也迅速下降，当爆轰气体从最小抵抗线方向释放出去后，爆炸能量密度达到最低出现负值（为了能够更好地表述这个问题，我们把向外膨胀的能量规定为正，而向内收缩的能量规定为负），同时炮孔开始产生反向拉伸应力，岩石开始大量破碎。其爆炸能量密度的变化规律见能量密度变化曲线图。

、相对能量梯度的计算：

为实际孔网参数下的能量梯度与标准孔网参数下的能量梯度比值，按下式计算：

T_相对＝

————————————（公式八）

式中：T_实际——为实际孔网参数相邻炮孔的综合能量梯度值

T_标准——为标准孔网参数相邻炮孔的综合能量梯度值

2.6.4、合理微差间隔时间的确定：

在起爆顺序安排中，合理微差间隔时间的确定最为重要，国内外有很多计算方法。但是我们认为这些方法都不能精确指出相邻炮孔何时起爆能使岩石达到最佳破碎状态。因此我们认为应当根据最优化爆破原理进行计算，其方法就是依据相邻炮孔综合能量梯度最大化原则和炮孔爆炸能量密度曲线来计算爆破合理微差间隔时间。

为了更好地说明这个问题，我们先把爆区划分成由四边形组成的基本结构单元。

根据最优化岩石爆破原理，合理微差间隔时间按如下原则和步骤进行计算：

1)、遵循相邻炮孔的综合能量梯度最大原则。

综合能量梯度按下式计算：

T_综合＝＝T₁₂＋T₁₃＋T₁₄＋ T₂₃＋ T₂₄＋T₃₄

————————————（公式九）

式中：T_综合——为爆区基本结构单元相邻炮孔的综合能量梯度

T_ij——为炮孔i与炮孔j之间的能量梯度，按T_ij＝计算

△U_ij——为炮孔i与炮孔j之间的能量密度差

L_ij——为炮孔i与炮孔j之间的距离

2）、在爆区基本结构单元中两个后起爆的炮孔（炮孔2和炮孔3）的爆炸能量密度峰值同时传播到达先起爆炮孔1的原则。

对于各向异性岩体爆炸能量的传播速度在各个方向是不同的，在实际应用中我们只要测定v₁₂和v₁₃的数值即可。v₁₂是炮孔1和炮孔2的连线方向爆炸能量的传播速度，v₁₃是炮孔1和炮孔3的连线方向爆炸能量的传播速度。然后根据此数值计算出炮孔2和炮孔3的起爆间隔时间差值△t。△t按下式计算：

△t＝－

——————————（公式十一）

式中：L₁₂和L₁₃——分别为炮孔1和炮孔2及炮孔1和炮孔3之间的距离。

3）、根据△t的值和每个炮孔的爆炸能量密度波峰与波谷的时间t值来计算合理微差间隔时间t₁与t₂的值。

t₁＝t－

Figure 187390DEST_PATH_995285DEST_PATH_IMAGE023

————————————（公式十二）

t₁——为炮孔1和炮孔2之间的合理微差间隔时间

t₂＝t＋

Figure 104530DEST_PATH_565944DEST_PATH_IMAGE023

————————————（公式十三）

t₂——为炮孔1和炮孔3之间的合理微差间隔时间

t₁＋t₂——为炮孔1和炮孔4之间的合理微差间隔时间。

具体实施方式：

第一步：根据岩石的物理力学性质和爆破工程要求确定炸药单耗、钻孔孔径和单孔药量等参数。

第二步：根据炸药和单孔药量等参数确定各向同性岩石状态下的标准孔网参数。

第三步：现场实测爆区岩体顺着岩层走向和垂直岩层走向的爆炸能量传播速度v₁和v₂的值，根据此数值求出修正系数k₁和k₂的值。

第四步：根据修正系数k₁和k₂的值对各向异性岩体（实际岩体）的标准爆能体参数和标准布孔参数进行修正，得出实际岩体的标准爆能体参数和标准布孔参数。

第五步：现场布置头排炮孔孔位和边孔控制线的位置，把这些位置标注到爆破设计图上。

第六步：根据修正后的标准爆能体相切的原则布置炮孔，并得出炮孔坐标。

第七步：把炮孔坐标反到实际现场，从而完成布孔工作

第八步：测定实际岩体的炮孔的爆炸能量密度波峰与波谷的间隔时间t值。

第九步：计算爆区所有炮孔的孔向空间和排向孔间的距离平均值L₁₂和L₁₃。

第十步：根据L₁₂、L₁₃、v₁₂和v₁₃的数值计算出相邻两排长边对角线两孔间的起爆间隔时间差值△t。

第十一步：根据△t的值和t值计算孔向合理微差间隔时间t₁与排向合理微差间隔时间t₂的值。

第十二步：根据t₁与t₂的值来合理安排起爆顺序。

第十三步：根据实际孔深、水深等情况，计算每孔实际用药量、装药品种和装药结构等，从而完成全部爆破设计，然后根据此设计进行爆破施工。

附图说明：

图1、各向同性岩体能量分布均匀度的计算原理示意图

图2、各向异性岩体能量分布均匀度的计算原理示意图

图3、爆炸能量密度变化曲线图

图4、爆区起爆基本单元及各炮孔的微差间隔时间示意图

图5、炮孔合理微差间隔时间计算原理图

Claims

1.一种爆破岩石的方法，其特征包括以下步骤：使爆区的爆炸能量分布均匀度和相邻炮孔的综合能量梯度值均达到最大化。

2.根据权利1所述的方法，其特征在于：依据岩石的最优化爆破设计原理，在爆破设计阶段通过计算相对爆破效果指数的数值来预先判断针对此爆区的各种爆破设计方案的优劣，从而选出最优的爆破设计方案。

3.根据权利1所述的方法，其特征在于：在药包布置阶段使爆区的爆炸能量分布均匀度达到最大化。

4.根据权利1所述的方法，其特征是使相邻炮孔的综合能量梯度值达到最大化。

5.根据权利2所述的方法，其特征是使爆区的爆炸能量分布均匀度和相邻炮孔的综合能量梯度值均达到最大化。

6.根据权利3所述的方法，其特征是在布置药包过程中使标准爆能体的空间利用率达到最大，实施中以标准爆能体相切的原则去布置药包位置。

7.根据权利4所述的方法，其特征是在计算合理微差间隔时间的过程中，通过以下步骤得以实施：

（1）、测绘炮孔围岩的爆炸能量密度变化曲线图，得出炮孔围岩的爆炸能量密度波峰与波谷的间隔时间t值；

（2）、根据岩体在孔向孔间和排向孔间的爆炸能量传播速度及相邻炮孔的孔向间距和排向间距，计算出相邻两排长边对角线两孔间的起爆间隔时间差值△t；

（3）、根据△t的值和t值，计算出孔间相邻炮孔合理微差间隔时间t₁值与排间相邻炮孔合理微差间隔时间t₂的值，然后根据t₁和t₂来安排爆区的起爆顺序。