CN105509585A - 一种基于拉应力岩土爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拉应力岩土爆破方法，所用材料包括两部分：即大直径岩芯钻机和炸药。该方法包括以下步骤：(1)使用大直径取岩芯机，将岩芯钻头钻至指定深度；(2)撤出岩芯钻头，形成取芯圆环，即自由面；(3)将岩芯打孔，在岩心底部装药之后爆破取出岩芯，形成规整的大直径空孔；(4)以所成形的空孔自由面为基础，在其周边重复步骤(1)-(3)或在已成形空孔周边直接打孔装药爆破。利用冲击波在自由面反射产生拉伸波形成拉应力，从而破坏岩土。本发明操作简单，安全性好，可成形高质量的大直径空孔，减少炮孔数，降低炸药单耗，控制住爆破振动，提高岩土爆破效率，可满足城市地下工程的爆破施工。

Description

一种基于拉应力岩土爆破方法

技术领域

本发明属于岩土爆破领域，具体涉及一种基于拉应力岩土爆破方法。

背景技术

自从炸药问世以来，岩土爆破已经成为促进人类文明发展必不可少的技术之一。开山取矿，隧道开挖，岩巷掘进，修建地铁等无不需要进行岩土爆破。使用爆破手段破坏岩土效率之高更是机械手段所无法达到的，因此，实现经济文明的高速发展离不开岩土爆破。

但是，传统岩土爆破也存在着不少问题。首先，传统岩土爆破大多采用直接钻孔装药爆破方法，受到钻头尺寸及设备的制约，不能成型较大的空孔，降低了岩土爆破的效率；其次，传统岩土爆破是利用炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，气体处于高温高压的状态并急剧膨胀，这些膨胀气体以极高的压力作用于岩土上，形成压应力场，从而破坏岩体。由于岩土的动态抗压强度很高，因此需要使用很大的药量来进行爆破，由此带来资源的浪费及巨大的振动，而且还会对周边坏境带来破坏，埋下事故隐患。此外，中国东部人口稠密，地理条件复杂，高楼大厦繁多。在进行岩土爆破时，采用传统爆破方式容易造成岩体破裂形成松弛状态，随时有坍塌的危险，也可能影响周围地基，给人们生活带来影响甚至是危险。

综上所述，岩土爆破亟需寻找新技术以适应社会的不断发展。

人造金刚石问世之初，价格昂贵，普通机械设备消费不起，钻头材料大多使用高速钢及其他硬质合金，制约了钻头的强度。而目前，人造金刚石的成本已经大大降低，变得十分低廉，人造金刚石钻头已不再昂贵，使得本发明方法的大规模推广应用成为了可能。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出了一种基于拉应力破坏岩土的方法。由于岩土的动态抗拉强度远低于其动态抗压强度，一般抗拉强度比抗压强度小90％-98％。因此仅需要很少的药量即可破坏岩土。本发明操作简单，安全性好，可成形高质量的大直径空孔，减少炮孔数，降低炸药单耗，控制住爆破振动，提高爆破效率。

本发明的目的由以下技术方案实现：一种基于拉应力岩土爆破方法，该方法步骤如下：

步骤(1)、使用大直径取岩芯机，将岩芯钻头钻至指定深度；

步骤(2)、撤出岩芯钻头，形成取芯圆环，即自由面；

步骤(3)、将岩芯打孔，在岩芯底部装药之后爆破取出岩芯，形成规整的大直径空孔；

步骤(4)、以所成形的空孔自由面为基础，在其周边重复步骤(1)-(3)或在已成形空孔周边直接打孔装药爆破，利用冲击波在自由面反射产生拉伸波形成拉应力，从而破坏岩土。

其中，所述大直径岩芯钻机与传统打孔机不同，所述大直径岩芯钻机所使用的钻头为空心钻，不需要配备取芯工具，因此钻头尺寸可做的很大，可成型普通打孔机无法成型的大直径岩芯环且孔壁规整，质量高。

其中，所述岩芯钻机在工作过程中需要不断加水进行润滑与降温，因此工作过程中没有粉尘产生，有效地保护了工人的生命健康。

其中，所述岩芯钻头为人造金刚石薄壁钻头，价格低廉，可应用在大理石，红砖，甚至钢筋混凝土的打孔，钻头硬度高，能满足钻削岩土的要求。

其中，所述爆破工艺是利用冲击波在岩芯壁自由面反射产生拉伸波形成拉应力破坏岩土，由于岩土的动态抗拉强度大大低于其动态抗压强度，因此爆破效果极佳。

其中，所述爆破工艺仅在岩芯底部装药，将岩芯炸断取出即可，因此所需药量少，振动低。

其中，所述爆破工艺是将要爆破的岩土与周边岩土用空气域隔离开来，由于空气域对冲击波有极大的衰减作用，因此爆破过程不会对周边岩土产生影响，对周边环境起到了很好的保护作用。

其中，步骤(3)中炸药爆破过程可分为两个阶段，第一个阶段为炸药产生的冲击波传入岩土内部，并在岩土中衰减，第二个阶段为冲击波在岩芯壁面上反射产生拉应力将岩心破坏。

其中，步骤(3)中岩芯孔底部装药量Q的确定如下：

以球形药包耦合装药为例，所用炸药密度为ρ，波速为D，C-J爆轰压力为Pcj；岩芯钻头的半径为r_a，所爆破的岩石密度为ρ_岩，波速为C_岩,动态抗拉强度为σ_b，动态抗压强度为σ_bc，取用于岩土的爆破的拉应力为σ，应有：

σ_b<σ<σ_bc

作用于岩石界面上的初始冲击波压力P_m为：

设药包的半径为r_b，则由公式：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{P_m}{r^3}$

式中： $r=\frac{r_a}{r_b}$

可得药包半径为： $r_b=\sqrt[3]{\frac{{r_a}^3\mathrm{\&sigma;}}{P_m}}$

装药量为： $Q=\frac{4}{3}{{\mathrm{\&pi;r}}_b}^3\mathrm{\&rho;}.$

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)使用拉应力破坏土岩，爆破效果好，效率高；

(2)炸药使用量少，有效减少爆破振动；

(3)爆破过程中不会对周边岩土产生影响，不会带来次生灾害；

(4)爆破过后可一次性取出岩芯，炮孔利用率高，有效解决根底问题；

(5)功耗低，岩芯钻只需去除岩芯环处的岩土，而传统打孔则需要取出整个孔的岩土。

附图说明

图1为岩芯钻头准备钻入所需爆破岩土示意图；

图2为岩芯钻头撤出岩土过程图；

图3为在所成型的岩芯上打炮孔并装药示意图；

图4是本发明的爆破状态图；

附图中的标记为：1-大直径岩芯钻，2-岩土，3-炸药，4-拉应力。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，但不作为对本发明的限制，

实施例：

大理岩的爆破，如附图1—图3所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤(1)、在岩土2上使用大直径岩芯钻1钻至指定深度；该指定深度是指所要爆破岩土的循环进尺深度；钻进过程中岩芯钻头1处需要接通细水管不断加水润滑，因此没有粉尘的产生。

步骤(2)、撤出岩芯钻头1，形成取芯圆环，即自由面；钻头撤出过程中无法将岩芯取出但不会影响周围岩土。取芯圆环的大小取决于钻头尺寸与壁厚，取芯圆环宽度越大，则后续降振效果越明显。

步骤(3)、将岩芯3打孔，在岩芯底部装炸药4之后爆破取出岩芯3，装药量的大小可由公式推导得出，形成规整的大直径空孔；

步骤(4)、以所成形的空孔自由面为基础，如果所需爆破岩土断面较大，则在其周边重复步骤(1)-(3)，不断成型更多的大直径空孔，然后再在其周边打小孔装药爆破；如果断面小，则直接在已成形空孔周边直接打小孔装药爆破。利用冲击波在自由面反射产生拉伸波形成拉应力，从而破坏岩土。

岩芯孔装药量Q的确定如下：

以太安炸药球形药包耦合装药为例，所用炸药密度ρ为1.69g/cm³，波速D为8400m/s，C-J爆轰压力Pcj为29.81GPa；岩芯钻头的半径r_a为200mm，所爆破的大理岩石密度ρ_岩为2.7g/cm³，波速C_岩6275m/s,动态抗拉强度σ_b为30MPa，动态抗压强度σ_bc为150MPa，取用于岩土的爆破的拉应力σ为40MPa，满足σ_b<σ<σ_bc，可将大理岩破坏。

作用于岩石界面上的初始冲击波压力P_m为：

求得P_m＝33.18GPa。

设药包的半径为r_b，则由公式：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{P_m}{r^3}$

式中： $r=\frac{r_a}{r_b};$

可得药包半径为：求得r_b＝21mm；

装药量为：求得Q＝65.5g；

由计算可得，爆破所用药量极少，减药降振效果明显。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所用材料包括两部分：即大直径岩芯钻机和炸药，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、使用大直径岩芯钻机，将岩芯钻头钻至指定深度；

步骤(2)、撤出岩芯钻头，形成取芯圆环，即自由面；

步骤(3)、将岩芯打孔，在岩心底部装药之后爆破取出岩芯，形成规整的大直径空孔；

步骤(4)、以所成形的空孔自由面为基础，在其周边重复步骤(1)-(3)或在已成形空孔周边直接打孔装药爆破，利用冲击波在自由面反射产生拉伸波形成拉应力，从而破坏岩土。

2.根据权利要求1所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所述大直径岩芯钻机与传统打孔机不同，所述大直径岩芯钻机所使用的钻头为空心钻，不需要配备取芯工具，因此钻头尺寸可做的很大，可成型普通打孔机无法成型的大直径岩芯环且孔壁规整，质量高。

3.根据权利要求2所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所述岩芯钻机在工作过程中需要不断加水进行润滑与降温，因此工作过程中没有粉尘产生，有效地保护了工人的生命健康。

4.根据权利要求2所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所述岩芯钻头为人造金刚石薄壁钻头，价格低廉，可应用在大理石，红砖，甚至钢筋混凝土的打孔，钻头硬度高，能满足钻削岩土的要求。

5.根据权利要求1所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所述爆破工艺是利用冲击波在岩芯壁自由面反射产生拉伸波形成拉应力破坏岩土，由于岩土的动态抗拉强度大大低于其动态抗压强度，因此爆破效果极佳。

6.根据权利要求5所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所述爆破工艺仅在岩芯底部装药，将岩芯炸断取出即可，因此所需药量少，振动低。

7.根据权利要求1所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：所述爆破工艺是将要爆破的岩土与周边岩土用空气域隔离开来，由于空气域对冲击波有极大的衰减作用，因此爆破过程不会对周边岩土产生影响，对周边环境起到了很好的保护作用。

8.根据权利要求1所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：步骤(3)中炸药爆破过程可分为两个阶段，第一个阶段为炸药产生的冲击波传入岩土内部，并在岩土中衰减，第二个阶段为冲击波在岩芯壁面上反射产生拉应力将岩心破坏。

9.根据权利要求1所述的基于拉应力岩土爆破方法，其特征在于：步骤(3)中岩芯孔底部装药量Q的确定如下：

以球形药包耦合装药为例，所用炸药密度为ρ，波速为D，C-J爆轰压力为Pcj；岩芯钻头的半径为r_a，所爆破的岩石密度为ρ_岩，波速为C_岩,动态抗拉强度为σ_b，动态抗压强度为σ_bc，取用于岩土的爆破的拉应力为σ，应有：

σ_b<σ<σ_bc

作用于岩石界面上的初始冲击波压力P_m为：

设药包的半径为r_b，则由公式：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{P_m}{r^3}$

式中： $r=\frac{r_a}{r_b}$

可得药包半径为： $r_b=\sqrt[3]{\frac{{r_a}^3\mathrm{\&sigma;}}{P_m}}$

装药量为： $Q=\frac{4}{3}{{\mathrm{\&pi;r}}_b}^3\mathrm{\&rho;}.$