CN110207554A - 一种创造高密度深覆盖下岩塞爆破自由面的爆破空腔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种创造高密度深覆盖下岩塞爆破自由面的爆破空腔方法，属于水利水电工程采用水下岩塞爆破修建取水口的技术领域。包括确定水深和淤积厚度有关指标，确定炸药有关指标，确定爆破空腔范围，爆破空腔形成，爆破空腔形体及体积，爆破空腔药包A药量确定。优点是：通过在淤积覆盖层中爆破成腔，为岩塞爆破创造了人工自由面，岩塞爆破产生的爆炸应力波在空腔处得到有效反射，并为破碎岩石提供了移动或抛掷空间，本发明有效地解决了高密度厚淤积覆盖下岩塞成功爆破问题，开拓了在复杂条件下岩塞爆破新技术，填补了本项技术领域的空白。

Description

一种创造高密度深覆盖下岩塞爆破自由面的爆破空腔方法

技术领域

本发明属于引水工程、水利水电工程、排淤减淤工程、水生态环境工程等采用水下岩塞爆破修建取水口的技术领域，适用于取水口具有高密度厚淤积覆盖的水下岩塞爆破工程。

背景技术

为减少工程投资和加快工程进度，以岩塞爆破方式替代围堰修建水下取水口是当今较为理想、成熟的技术措施。

但在多泥沙的水环境下，有的取水口部位淤积很深，厚度多达几十米，密度达到似板结状。在此条件下进行水下岩塞爆破，具有相当大的技术难度和工程风险。目前，国内外还没有成熟的理论和可靠的方法解决此类问题。

以往的水下岩塞爆破多是在无淤积覆盖或淤积覆盖很薄的条件下进行的，在考虑水深或薄覆盖层对岩塞爆破影响时，一般将水深和覆盖层折算成抵抗线，增加岩塞体爆破药量来解决。但过多增加药量会对围岩产生不利影响。

处于深水、高密度、厚淤积覆盖的水下岩塞爆破，由于淤积覆盖的波阻抗(密度×波速)大，岩塞爆破时，爆破能量透射到淤积覆盖介质中的占比也较大，用于破坏岩塞部位的岩石的能量相对减少，而水压和厚淤积覆盖又极大地限制了爆破的抛掷作用，甚至没有抛掷。因此，采用增加药量的方法是难以解决具有高密度厚淤积覆盖的水下岩塞爆破问题。

发明内容

本发明提供一种创造高密度深覆盖下岩塞爆破自由面的爆破空腔方法，以解决深水、高密度、厚淤积覆盖对水下岩塞爆破产生影响的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)确定水深和淤积厚度有关指标：

通过勘测资料或现场测试，取得工程部位的水深H_水、淤积覆盖层厚度H_w及淤积覆盖层密度ρ_w；

(2)确定炸药有关指标：

通过厂家或炸药的性能试验取得炸药的爆热Q_c和爆热指数γ；

(3)确定爆破空腔范围：

依据用于爆破形成岩塞上开口的岩塞药包B的抵抗线W，来确定所需要的爆破成腔范围，爆破所形成的、在岩塞坡面上空腔范围应不小于标准抛掷爆破漏斗范围，即爆破空腔在岩面上的最小范围，不小于以岩塞轴线与岩面交点为中心，以r＝W为半径的圆面积，r为爆破空腔的半径，如图1所示；

(4)爆破空腔可由布置在靠近岩石表面部位的淤积覆盖层中的一个空腔药包A或N个空腔药包A形成；

(5)爆破空腔形体及体积：

由于岩石不可压缩，爆破空腔主要在淤积覆盖层中形成，单个空腔的形体可看作是半球体，其几何形体体积为：

式中：R为半球体的空腔半径，单位m，

(6)爆破空腔药包A药量：

1)处在淤积覆盖中的药包爆炸后，当爆破空腔内的压力降至药包处的静水压力时，单个空腔的体积为：

式中：V_s为降至静水压力时空腔体积，单位m³；P₀为空腔内初始压力，单位Pa；V₀为药包体积，单位m³；γ为爆热指数；P_s为药包处的静水压力，单位Pa，按岩塞上开口中心位置的静水压力计算；

2)空腔内的初始压力P₀为：

式中：Q_c—爆热，单位J/kg；Q—炸药质量，单位kg；

3)由式(2)和(3)得药量计算式：

在靠近岩面淤积覆盖中的爆破空腔，其形体可看作是半球体，即V_s＝V_半球，从而由式(4)计算出单个爆破空腔药包的药量；

(7)岩塞药包B起爆时间的确定：

岩塞药包B的起爆时间是由爆破空腔的形成过程决定的，爆破空腔的形成过程是一个复杂的脉冲过程，要历经多次的膨胀与收缩，再膨胀、再收缩的过程，岩塞药包B起爆时间应在爆破空腔运动到其内部的压力达到静水压力后至爆破空腔回缩破灭前起爆，由于淤积中的空腔回缩时间较缓慢，达到秒级以上，因此，对岩塞药包B最迟起爆时间不做要求，岩塞药包B起爆时间应大于由下式估算的时间：

式中：T为估算的岩塞起爆时间，单位s；H_水为淤积覆盖层以上水深，单位m；ρ_水为水的密度，单位kg/m³；H_w为药包上覆淤积厚度，单位m；ρ_w为淤积介质密度，单位kg/m³；ρ_e为炸药密度，单位kg/m³；r₀为空腔药包A半径，单位m；

本发明所述步骤(5)中，当布置一个空腔药包A时，R＝r；当布置N个空腔药包A时，由NπR²＝πr²，得：

本发明的优点是：以两相介质的爆炸应力波传播理论为基础，在具有高密度厚淤积覆盖的水下岩塞爆破中，首次提出在淤积覆盖层中采用爆破成腔，阻断来自岩塞爆破的应力波向淤积覆盖层介质的透射，并提供岩塞爆破时岩石的移动空间，以解决高密度厚淤积覆盖下岩塞爆破的可行性问题。

在淤积覆盖中放置空腔药包A，在岩塞药包B起爆前起爆空腔药包A，通过在淤积覆盖层中爆破成腔，为岩塞爆破创造了人工自由面，岩塞爆破产生的爆炸应力波在空腔处得到有效反射，并为破碎岩石提供了移动或抛掷空间，本发明有效地解决了高密度厚淤积覆盖下岩塞成功爆破问题，开拓了在复杂条件下岩塞爆破新技术，填补了本项技术领域的空白。

附图说明

图1是本发明岩塞体、覆盖层、药包、爆破空腔范围示意图；

图2a是本发明工程实例1覆盖层药包布置示意图；

图2b是图2a的A-A剖视图；

图3a是本发明工程实例2覆盖层药包布置示意图；

图3b是图3a的B-B剖视图。

具体实施方式

包括下列步骤：

(1)确定水深和淤积厚度有关指标：

通过勘测资料或现场测试，取得工程部位的水深H_水、淤积覆盖层厚度H_w及淤积覆盖层密度ρ_w；

(2)确定炸药有关指标：

通过厂家或炸药的性能试验取得炸药的爆热Q_c和爆热指数γ；

(3)确定爆破空腔范围：

依据用于爆破形成岩塞上开口的岩塞药包B的抵抗线W，来确定所需要的爆破成腔范围，爆破所形成的、在岩塞坡面上空腔范围应不小于标准抛掷爆破漏斗范围，即爆破空腔在岩面上的最小范围，不小于以岩塞轴线与岩面交点为中心，以r＝W为半径的圆面积，r为爆破空腔的半径，如图1所示；

(4)爆破空腔可由布置在靠近岩石表面部位的淤积覆盖层中的一个空腔药包A或N个空腔药包A形成；

(5)爆破空腔形体及体积：

由于岩石不可压缩，爆破空腔主要在淤积覆盖层中形成，单个空腔的形体可看作是半球体，其几何形体体积为：

式中：R为半球体的空腔半径，单位m，

(6)爆破空腔药包A药量：

1)处在淤积覆盖中的药包爆炸后，当爆破空腔内的压力降至药包处的静水压力时，单个空腔的体积为：

式中：V_s为降至静水压力时空腔体积，单位m³；P₀为空腔内初始压力，单位Pa；V₀为药包体积，单位m³；γ为爆热指数；P_s为药包处的静水压力，单位Pa，按岩塞上开口中心位置的静水压力计算；

2)空腔内的初始压力P₀为：

式中：Q_c—爆热，单位J/kg；Q—炸药质量，单位kg；

3)由式(2)和(3)得药量计算式：

在靠近岩面淤积覆盖中的爆破空腔，其形体可看作是半球体，即V_s＝V_半球，从而由式(4)计算出单个爆破空腔药包的药量；

(7)岩塞药包B起爆时间的确定：

岩塞药包B的起爆时间是由爆破空腔的形成过程决定的，爆破空腔的形成过程是一个复杂的脉冲过程，要历经多次的膨胀与收缩，再膨胀、再收缩的过程，岩塞药包B起爆时间应在爆破空腔运动到其内部的压力达到静水压力后至爆破空腔回缩破灭前起爆，由于淤积中的空腔回缩时间较缓慢，达到秒级以上，因此，对岩塞药包B最迟起爆时间不做要求，岩塞药包B起爆时间应大于由下式估算的时间：

式中：T为估算的岩塞起爆时间，单位s；H_水为淤积覆盖层以上水深，单位m；ρ_水为水的密度，单位kg/m³；H_w为药包上覆淤积厚度，单位m；ρ_w为淤积介质密度，单位kg/m³；ρ_e为炸药密度，单位kg/m³；r₀为空腔药包A半径，单位m；

本发明所述步骤(5)中，当布置一个空腔药包A时，R＝r；当布置N个空腔药包A时，由NπR²＝πr²，得：

本发明涉及的基本原理：

设岩塞的岩石密度为ρ₁，弹性波速为c₁，其波阻抗为ρ₁c₁；岩塞口上覆介质密度为ρ₂，弹性波速为c₂，其波阻抗为ρ₂c₂，当爆破岩塞时，由爆炸应力波在两相介质传播理论可知：

透射系数反射系数

若上覆介质为气体，其密度ρ₂接近零，波阻抗ρ₂c₂→0，透射系数T→0，反射系数F→﹣1，这是自由表面反射，入射波基本被完全反射，爆炸能量绝大部分用于破碎岩石。

若上覆介质为沉积已久的淤泥，取岩塞体的岩石密度ρ₁为2600kg/m³，波速c₁为4000m/s，淤泥的密度ρ₂取2000kg/m³，弹性波速c₂取1550m/s，则透射系数T＝0.46；反射系数F＝﹣0.54。由此可见，应力波反射减少，透射较多，用于破坏岩石的反射卸载能力减弱，接近一半的爆破能量通过透射做了无用功。

在有自由面的岩体中爆破，爆炸初始应力波使临近药包的岩石破碎，当应力波传到自由面时，形成反射卸载使岩石产生初始裂隙，同时爆生气体的膨胀气楔作用使岩石进一步破碎，达到爆破目的。而处在深水厚淤积高密度覆盖的水下岩塞爆破，并没有这样的自由面条件，需要人为地在淤积覆盖层中放置药包，通过药包爆炸作用形成空腔，创造出自由面。鉴于此，考虑在接近岩塞上开口表面的覆盖层中放置药包，在岩塞爆破之前，起爆该药包，使覆盖层形成爆破空腔，即由爆破空腔取代覆盖层，降低其波阻抗ρ₂c₂，使岩塞爆破具备反射卸载和岩石鼓胀或抛掷条件，然后在爆破空腔膨胀到其内部压力处在静水压力后起爆岩塞药包，完成岩塞的爆破过程。

下面通过具体工程实例来对本发明作进一步说明。

工程实例1

某排沙扩机工程进水口采用水下岩塞爆破方式修建，设计岩塞呈倒截锥体，上开口近似椭圆，尺寸为21.60m×20.98m，下开口圆直径为10m，岩塞厚度12.30m，岩塞上主药室抵抗线为5.4m，岩塞上开口中心处于水深以下54.5m，其中淤积覆盖层厚24.5m，覆盖层密度2000kg/m³；岩塞部位的岩石为云母石英片岩，主要为弱风化岩石，见有少量微风化岩石，岩石强度较高，为坚硬岩，岩石较完整，属于Ⅱ类岩石。爆破采用高能乳化炸药，炸药密度1210kg/m³，爆热6.5×10⁶J/kg，爆热指数1.4；

1)岩塞上开口中心部位的水深H_水＝30m，覆盖层厚度H_w＝24.5m，覆盖层密度ρ_w＝2000kg/m³，其静水压力：

P_s＝P_气+ρ_水H_水+ρ_wH_w

＝101325+(1000×9.8×30)+(2000×9.8×24.5)

＝875525(Pa)

由于每个药包的静水压力差别不大，为方便起见，计算时统一采用岩塞上开口中心位置的静水压力；

2)厂家给出炸药密度ρ_e＝1210kg/m³，炸药爆热Q_c＝6.5×10⁶J/kg，爆热指数γ＝1.4；

3)确定需要的爆破空腔范围。靠近淤积覆盖层的岩塞药包B抵抗线W＝5.4m，爆破空腔在岩表上最小范围应以r＝5.4m为半径的圆面积；

4)淤积覆盖层中的爆破空腔药包布置。以岩塞轴线为中心，采用套管法在靠近岩石表面部位的淤积覆盖层中梅花形布置7个药包，如图2a、图2b所示，每个药包爆炸后需要产生的半球体空腔半径应为：

5)由公式(1)计算需要的爆破空腔体积为：

6)计算单个药包药量，由式(4)计算药量：

因：V_s＝V_半球＝8.71m³，P_s＝875525Pa，γ＝1.4，Q_c＝6.5×10⁶J/kg，代入药量计算式，得：Q＝13.94kg；

7)岩塞起爆时间

将炸药的密度看成是药包的密度，药包体积为：

按球形药包考虑，药包半径为：r₀＝0.1401m，即r₀＝14.01cm，

将Q_c＝6.5×10⁶J/kg；Q＝13.94kg；γ＝1.4；r₀＝0.1401m，H_水＝30m；H_w＝24.5m；ρ_水＝1000kg/m³；ρ_w＝2000kg/m³；ρ_e＝1210kg/m³；P_s＝875525Pa代入式(5)，计算得：T＝0.049897(s)，即T＝49.90ms。

岩塞的起爆时间应在爆破空腔药包起爆49.90ms后起爆，工程实践表明，由于采用爆破空腔这一技术措施，岩塞圆满成功爆通。

工程实例2

某工程进行现场岩塞爆破试验，岩塞体中心上方水深为59m，其中上覆淤积层厚度为29m，密度1800kg/m³，设计岩塞下开口为圆形，内径7m，上开口尺寸11.96×12.63m，近似椭圆，岩塞最小厚度9.80m，岩塞进口轴线与水平面夹角72度，爆破采用高能乳化炸药，炸药密度1210kg/m³，爆热6.5×10⁶J/kg，爆热指数1.4；

1)岩塞中心部位的水深H_水＝30m，覆盖层厚度H_w＝29m，覆盖层密度ρ_w＝1800kg/m³，静水压力：

P_s＝P_气+ρ_水H_水+ρ_wH_w

＝101325+(1000×9.8×30)+(1800×9.8×29)

＝906885(Pa)

2)厂家给出炸药密度ρ_e＝1210kg/m³，炸药爆热Q_c＝6.5×10⁶J/kg，爆热指数γ＝1.4；

3)确定需要的爆破空腔范围，靠近淤积覆盖层的岩塞药包B抵抗线W＝3.0m，爆破空腔在岩石坡面上的最小范围应以r＝3.0m为半径的圆面积；

4)淤积覆盖层中的爆破空腔药包布置，采用套管法在靠近岩石表面部位的淤积覆盖层中菱形布置4个药包，如图3所示，每个药包爆炸后需要产生的半球体空腔半径应为：

5)由公式(1)计算需要的爆破空腔体积应为：

6)计算单个药包药量，由式(4)计算药量：

因：V_s＝V_半球＝7.07m³，P_s＝906885Pa，γ＝1.4，Q_c＝6.5×10⁶J/kg，代入药量计算式，得：Q＝10.78kg；

7)岩塞起爆时间

将炸药的密度看成是药包的密度，药包体积为：

按球形药包考虑，药包半径为：r₀＝0.1286m，即r₀＝12.86cm，

将Q_c＝6.5×10⁶J/kg，Q＝10.78kg，γ＝1.4，r₀＝0.1286m，H_水＝30m，H_w＝29m，ρ_水＝1000kg/m³，ρ_w＝1800kg/m³，ρ_e＝1210kg/m³，P_s＝906885Pa代入式(5)：

计算得：T＝0.04856(s)，即T＝48.56ms。

岩塞起爆时间应在爆破空腔药包起爆48.56ms后起爆，由于在覆盖层中采用爆破空腔技术，试验岩塞爆破成功。

Claims (2)

1.一种创造高密度深覆盖下岩塞爆破自由面的爆破空腔方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)确定水深和淤积厚度有关指标：

通过勘测资料或现场测试，取得工程部位的水深H_水、淤积覆盖层厚度H_w及淤积覆盖层密度ρ_w；

(2)确定炸药有关指标：

通过厂家或炸药的性能试验取得炸药的爆热Q_c和爆热指数γ；

(3)确定爆破空腔范围：

依据用于爆破形成岩塞上开口的岩塞药包B的抵抗线W，来确定所需要的爆破成腔范围，爆破所形成的、在岩塞坡面上空腔范围应不小于标准抛掷爆破漏斗范围，即爆破空腔在岩面上的最小范围，不小于以岩塞轴线与岩面交点为中心，以r＝W为半径的圆面积，r为爆破空腔的半径，如图1所示；

(4)爆破空腔可由布置在靠近岩石表面部位的淤积覆盖层中的一个空腔药包A或N个空腔药包A形成；

(5)爆破空腔形体及体积：

由于岩石不可压缩，爆破空腔主要在淤积覆盖层中形成，单个空腔的形体可看作是半球体，其几何形体体积为：

式中：R为半球体的空腔半径，单位m，

(6)爆破空腔药包A药量：

1)处在淤积覆盖中的药包爆炸后，当爆破空腔内的压力降至药包处的静水压力时，单个空腔的体积为：

式中：V_s为降至静水压力时空腔体积，单位m³；P₀为空腔内初始压力，单位Pa；V₀为药包体积，单位m³；γ为爆热指数；P_s为药包处的静水压力，单位Pa，按岩塞上开口中心位置的静水压力计算；

2)空腔内的初始压力P₀为：

式中：Q_c—爆热，单位J/kg；Q—炸药质量，单位kg；

3)由式(2)和(3)得药量计算式：

在靠近岩面淤积覆盖中的爆破空腔，其形体可看作是半球体，即V_s＝V_半球，从而由式(4)计算出单个爆破空腔药包的药量；

(7)岩塞药包B起爆时间的确定：

岩塞药包B的起爆时间是由爆破空腔的形成过程决定的，爆破空腔的形成过程是一个复杂的脉冲过程，要历经多次的膨胀与收缩，再膨胀、再收缩的过程，岩塞药包B起爆时间应在爆破空腔运动到其内部的压力达到静水压力后至爆破空腔回缩破灭前起爆，由于淤积中的空腔回缩时间较缓慢，达到秒级以上，因此，对岩塞药包B最迟起爆时间不做要求，岩塞药包B起爆时间应大于由下式估算的时间：

式中：T为估算的岩塞起爆时间，单位s；H_水为淤积覆盖层以上水深，单位m；ρ_水为水的密度，单位kg/m³；H_w为药包上覆淤积厚度，单位m；ρ_w为淤积介质密度，单位kg/m³；ρ_e为炸药密度，单位kg/m³；r₀为空腔药包A半径，单位m。

2.根据权利要求1所述的一种创造高密度深覆盖下岩塞爆破自由面的爆破空腔方法，其特征在于，所述步骤(5)中，当布置一个空腔药包A时，R＝r；当布置N个空腔药包A时，由NπR²＝πr²，得：