CN107631669B - 一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，包括如下步骤：1)确定掌子面上的最大主应力的方向和最小主应力的方向；2)根据最大主应力和最小主应力的方向设计菱形掏槽爆破孔，菱形的长对角线与最大主应力方向相同，菱形的短对角线与最小主应力的方向相同；3)根据菱形掏槽爆破孔的布置方式，在菱形面的中心设置有中心孔；4)起爆外部的掏槽孔，然后起爆空孔内的炸药，起到抛掷岩体的作用。本发明所达到的有益效果：通过掏槽孔和中心孔的设计克服高地应力下岩体掏槽爆破困难，并能够起到给深部岩体泄压作用，使得一些岩体内部能量能够过早的释放，能够有利于降低岩爆的发生机率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，属于深部岩体爆破技术领域。
背景技术
在水利水电、交通及采矿工程中都会遇到采用钻爆法开挖深部岩体，由于受到高地应力的作用，深部岩体在掏槽爆破开挖过程中，由于受到高地应力的作用，掏槽爆破开挖深部岩体会出现困难。根据已有的研究表明，地应力大小，以及最大主应力和最小主应力差引起的损伤各向异性是导致深部岩体掏槽爆破开挖困难的主要原因。由于深部岩体埋深大，除受自重应力外，还受到构造应力作用，通常情况下岩体受到非静水压力作用，此时，使得深部岩体掏槽爆破开挖出现困难。目前，在掏槽爆破开挖过程中，掏槽爆破开挖设计中，并没有考虑岩体在爆破开挖时，损伤的各向异性造成的掏槽爆破开挖困难。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，充分利用深部岩体掏槽爆破中掏槽炮孔之间的裂纹开裂方向以及规律，解决深部岩体掏槽爆破开挖困难的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，包括如下步骤：
1)确定掌子面上的最大主应力的方向和最小主应力的方向；
2)根据最大主应力和最小主应力的方向设计菱形掏槽爆破孔；所述菱形掏槽爆破孔包括四个掏槽孔；所述菱形掏槽爆破孔形成的菱形面中，菱形的对角线长度由数值模拟结果得到，菱形的长对角线与最大主应力方向相同，菱形的短对角线与最小主应力的方向相同；
3)根据菱形掏槽爆破孔的布置方式，在菱形面的中心设置有中心孔；所述中心孔的半径大于掏槽孔的半径，且中心孔的深度大于掏槽孔的深度；
4)起爆外部的掏槽孔，使得外部的掏槽孔起到泄压爆破作用，菱形内部压力得到释放，然后起爆空孔内的炸药，起到抛掷岩体的作用。
前述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述步骤3)中掏槽孔距离中心孔的距离由数值模拟软件模拟得到。
前述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述数值模拟软件采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件，并采用RHT模型模拟损伤结果得到。
前述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述掏槽孔和中心孔中从下而上均设置有炸药和黏土。
前述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述中心孔内部的炸药深度低于掏槽孔内部的炸药深度。
优选地，所述掏槽孔和中心孔均采用直孔布置方式。
优选地，所述掏槽孔的开挖深度为2米，炸药深度为1.5米，黏土深度为0.5米，中心孔的开挖深度为2.5米，炸药深度0.5米，黏土深度为2米。
本发明所达到的有益效果：本方法充分利用深部岩体掏槽爆破中掏槽炮孔之间的裂纹开裂方向以及规律，解决深部岩体掏槽爆破开挖困难的问题，通过掏槽孔和中心孔的设计克服高地应力下岩体掏槽爆破困难，并能够起到给深部岩体泄压作用，使得一些岩体内部能量能够过早的释放，能够有利于降低岩爆的发生机率。
附图说明
图1是本发明的主视剖面示意图；
图2是本发明的A-A方向上的剖面示意图；
图3是地应力对裂纹开裂方向作用机理图。
图中附图标记的含义：
1-掏槽孔，2-空孔，3-最大主应力，4-最小主应力，5-黏土，6-炸药。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
深部岩体需要进行爆破开挖施工，在爆破过程中由于高地应力作用，采用常规的掏槽爆破开挖深部岩体会出现困难，深部岩体高地应力作用和岩体破坏的各向异性是导致深部岩体掏槽爆破开挖困难重要因素，为了使得掏槽爆破能够进行顺利进行，需要进行解决该难题。
在本领域中，当两个炮孔同时起爆，炮孔周围岩石在冲击波作用下首先发生压破坏，随后岩石在应力波衍生的切向拉应力作用下发生拉破坏。在最大主应力方向上发生拉破坏的裂纹受到最小主应力的作用较小，而最小主应力方向的裂纹受到最大主应力的作用较大，使得裂纹开裂具有各向异性，且最大主应力方向的裂纹开裂长度要大于最小主应力方向的长度。深部岩体掏槽爆破开挖岩体时，会有多个炮孔同时起爆，此时由于高地应力作用，以及由于最大主应力和最小主应力的差导致的岩体损伤各向异性，会造成裂纹不按照炮孔之间的连线方向贯通，而是按照最大主应力方向扩展(如图3地应力对裂纹作用机理图)，从而导致掏槽孔之间的裂纹贯通出现困难。
为了解决深部岩体掏槽爆破开挖困难，充分利用深部岩体掏槽爆破中，掏槽炮孔之间的裂纹开裂方向及规律，从而可以有效的解决深部岩体掏槽爆破开挖困难。已有的研究表明最大主应力方向的裂纹开裂长度要大于最小主应力方向的裂纹开裂长度，因此爆破开挖设计中，应减小掏槽爆破开挖设计中最小主应力方向的掏槽孔距离最大主应力方向掏槽孔的垂直距离，适当增大最大主应力方向的掏槽孔距离最小主应力方向的掏槽孔的垂直距离。根据其规律进行掏槽爆破开挖设计。
因此，结合上述爆破原理以及思路，本方案具体实施如下：
1)确定掌子面上的最大主应力的方向和最小主应力的方向。
2)根据最大主应力和最小主应力的方向设计菱形掏槽爆破孔。菱形掏槽爆破孔包括四个掏槽孔。菱形掏槽爆破孔形成的菱形面中，菱形的长对角线与最大主应力方向相同，菱形的短对角线与最小主应力的方向相同。
3)根据菱形掏槽爆破孔的布置方式，采用岩石钻机在岩体中钻取掏槽孔1和中心孔2，在菱形面的中心设置有中心孔。
中心孔的半径大于掏槽孔的半径，且中心孔的深度大于掏槽孔的深度，掏槽孔距离中心孔的距离由数值模拟结果得到。
4)首先起爆外部掏槽孔，使得外部掏槽孔起到泄压爆破作用，使得菱形内部压力得到释放，在此开挖菱形内部岩体时，高地应力得到解除，此后起爆空孔内的炸药，起到抛掷岩体的作用。
此外，掏槽孔和中心孔中从下而上均设置有炸药和黏土。中心孔内部的炸药深度低于掏槽孔内部的炸药深度。
在本方案中，作为优选方案，掏槽孔和中心孔均采用直孔布置方式。
本实施例中，掏槽孔的开挖深度为2米，炸药深度为1.5米，黏土深度为0.5米，中心孔的开挖深度为2.5米，炸药深度0.5米，黏土深度为2米。
在本方案中将掏槽孔和中心孔形成菱形的诸多限定，能够充分利用损伤的各项异形，在爆破设计中，充分利用深部岩体掏槽爆破中掏槽炮孔之间的裂纹开裂方向以及规律，解决深部岩体掏槽爆破开挖困难的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，包括如下步骤：
1）确定掌子面上的最大主应力的方向和最小主应力的方向；
2）根据最大主应力和最小主应力的方向设计菱形掏槽爆破孔；所述菱形掏槽爆破孔包括四个掏槽孔；所述菱形掏槽爆破孔形成的菱形面中，菱形的对角线长度由数值模拟结果得到，菱形的长对角线与最大主应力方向相同，菱形的短对角线与最小主应力的方向相同；
3）根据菱形掏槽爆破孔的布置方式，在菱形面的中心设置有中心孔；所述中心孔的半径大于掏槽孔的半径，且中心孔的深度大于掏槽孔的深度；所述掏槽孔和中心孔中从下而上均设置有炸药和黏土；所述中心孔内部的炸药深度低于掏槽孔内部的炸药深度；
4）起爆外部的掏槽孔，使得外部的掏槽孔起到泄压爆破作用，菱形内部压力得到释放，然后起爆空孔内的炸药，起到抛掷岩体的作用。
2.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述步骤3）中掏槽孔距离中心孔的距离由数值模拟软件模拟得到。
3.根据权利要求2所述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述数值模拟软件采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件，并采用RHT模型模拟损伤结果得到。
4.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述掏槽孔和中心孔均采用直孔布置方式。
5.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下的掏槽爆破优化设计方法，其特征是，所述掏槽孔的开挖深度为2米，炸药深度为1.5米，黏土深度为0.5米，中心孔的开挖深度为2.5米，炸药深度0.5米，黏土深度为2米。
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