CN111102893B - 一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础竖直孔爆破开挖方法 - Google Patents

一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础竖直孔爆破开挖方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础竖直孔爆破开挖方法，锥型能量调控装置外部管壁由聚丙烯制成，内部由下往上依次布置砂石缓冲层、能量切向调控结构、木屑类充填物、硬质牛皮纸。其中，能量切向调控结构为锥柱组合体，下部为圆柱体，上部棱锥体，所述棱锥体上设有为考虑能量反射方向而变化的倾斜反射面，所述倾斜反射面的倾角根据该炮孔底部剖面切线的水平夹角而定；本发明通过能量切向调控结构定向调控炮孔底部爆炸能量集聚方向，保证孔底能量集聚方向与炮孔底部开挖成型曲面切线方向平行，在有效降低孔底损伤的同时，改善曲面基础开挖成型效果，且通过竖直孔钻孔设计，提高施工效率。

Description

一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础竖直孔爆破 开挖方法
技术领域
本发明属于水利水电领域，涉及一种爆破开挖方法，具体涉及一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础竖直孔爆破开挖方法，尤其适用于水利水电工程、矿山工程中曲面基础的开挖成型。
背景技术
在水利水电工程、矿山工程、石化基地等大型工程建设中，通常面临大范围岩石基础的整体开挖成型，建基面爆破效果的好坏直接影响了水电站开挖建设、矿山生产、基础设施建设过程中的施工效率与安全稳定。针对工程中遇到的特殊岩石基础型式，尤其是复杂曲面基础开挖成型，现有技术中的水平孔孔深受到极大限制，已经越来越难以适应曲面基础工程施工进度的要求。传统方法采用保护层分层开挖、水平光面爆破或预裂爆破技术施工时，施工步骤繁琐且进度慢，各工序间干扰大，难以适应工程施工进度和质量的要求。
目前，考虑到竖直孔台阶爆破方案的开挖效率高，竖直孔爆破方法等到广泛应用。多个专利(CN201310170450.0、CN201410225182.2、CN201510110243.5、CN201710189621.2、CN201910226829.6)通过锥形、球形高波阻抗垫块对炮孔内部爆炸冲击波进行反射，在控制孔底岩石损伤深度及程度的同时，通过结构表面的冲击波反射进行水平向聚能，达到破碎岩石的目的。但是，上述能量反射主要关注岩石基础的水平向开挖，未对复杂曲面基础进行应用，如何提高曲面基础的高质量、高效率的爆破开挖效果成为急需解决的问题之一。
鉴于上述问题，发明一种既能有效降低孔底损伤、提高施工效率，又能改善复杂曲面基础开挖成型效果的爆破开挖方法具有重要现实意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础竖直孔爆破开挖方法，该方法能够定向调控爆炸能量的集聚方向，保证孔底能量集聚方向与炮孔底部开挖成型面切线方向平行，在有效降低孔底损伤的基础上，改善复杂曲面基础开挖成型效果，并通过竖直孔施工形式提高施工效率。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
一种用于曲面基础爆破开挖的锥型能量调控装置，其特征在于：包括管壳和设于管壳内由下往上依次布置砂石缓冲层、能量切向调控结构、木屑类充填物和硬质牛皮纸，所述能量切向调控结构由下部的圆柱体和上部的棱锥体组成，所述棱锥体上设有至少两对考虑反射方向的倾斜反射面。
作为改进，所述棱锥体上每对倾斜反射面与炮孔底部所处曲面基础的一个剖切面垂直且对应，该剖切面对应的炮孔底部所处曲面基础的剖面切线的水平夹角记为α，则调整棱锥体上与其对应的该对倾斜反射面的倾角，使得其中沿曲面向上侧的倾斜反射面的倾角为
Figure BDA0002358395750000021
沿曲面向下侧的倾斜反射面的倾角为
Figure BDA0002358395750000022
作为改进，所述管壳为聚丙烯管，聚丙烯管壁厚为2～3mm，直径较炮孔直径小10～15mm，砂石缓冲层厚度为8～12cm；能量切向调控结构高度约10～20cm，硬质牛皮纸厚4～5mm，能量切向调控结构和硬质牛皮纸的直径与聚丙烯管内径均相匹配。
作为改进，所述能量切向调控结构由高波阻抗材料制成。
一种利用上述锥型能量调控装置进行曲面基础竖直孔爆破开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据现场地形及拟定炮孔间排距，测量炮孔底部的曲面与水平面的主要夹角；以炮孔轴线为交线设置两个相互垂直的虚拟剖切面，所述主要夹角即为两个虚拟剖切面的剖面切线的水平夹角；
步骤2、根据测量所得的夹角预制锥型能量调控装置，按照设计要求钻设竖直孔；
步骤3、利用竹片牵引或重力作用将锥型能量调控装置布置于炮孔底部；
步骤4、按照爆破设计方案装药联网，填充堵塞段后起爆，完成曲面基础开挖。
作为改进，竖直孔钻设过程中超钻20～30cm。
作为改进，所述步骤4中，以中上部起爆方式装药联网。
本发明的有益效果是：
本发明采用竖直孔爆破施工，在有效降低孔底损伤的同时，提高现场钻孔施工效率。基于炮孔底部能量切向调控的曲面基础竖直孔爆破开挖方法，通过采用上述结构，定向调控炮孔底部爆炸能量集聚方向，有效降低孔底损伤；保证孔底能量集聚方向与炮孔底部开挖成型面切线方向平行，加强切向聚能破碎，改善曲面开挖成型效果。
本发明可广泛应用于露天条件下矿山、水利水电、交通等领域的大范围岩石基础爆破开挖工程，尤其适用于复杂曲面基础的开挖成型，应用前景广阔。
附图说明
图1为锥型能量调控装置；
图2为装药结构示意图；
图3为复杂曲面基础单个炮孔布置示意图；
图4为图3中剖面A示意图；
图5为图3中剖面B示意图；
图6为群孔爆破设计示意图(虚拟剖切面)；
图7为能量切向调控结构三维示意图；
图8为能量切向调控结构原理示意图(剖面A或B)；其中爆炸冲击波入射于能量调控结构表面，部分透射于结构内部的经结构本身及下方缓冲层削弱的能量传播，本次未画出。
附图中，1-聚丙烯管，2-硬质牛皮纸，3-木屑类充填物，4-能量切向调控结构，5-砂石缓冲层，6-装药段，7-起爆雷管，8-导火索，9-堵塞段，10-剖面A，11-交线a，12-剖面B，13-交线b，14-曲面基础，15-竖直炮孔，16-拟爆除台阶，17-水平线，18-切线a′，19-切线b′，20-炮孔轴线，21-倾斜反射面，22-圆柱体，23-棱锥体，24-锥型能量调控装置。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步说明。
如图1、7、8所示，一种锥型能量调控装置，包括聚丙烯管1和设于聚丙烯管1内由下往上依次布置砂石缓冲层5、能量切向调控结构4、木屑类充填物3和硬质牛皮纸2，所述能量切向调控结构4由下部的圆柱体22和上部的棱锥体23组成，所述棱锥体23上设有至少两对考虑反射方向的倾斜反射面21。
所述棱锥体23上一对倾斜反射面21与炮孔底部所处曲面基础14的一个剖切面垂直且对应，该剖切面对应的炮孔底部所处曲面基础14的剖面切线的水平夹角记为α，则调整棱锥体23上该对倾斜反射面21的倾角，使得即沿曲面向上侧的倾斜反射面21的倾角为
Figure BDA0002358395750000031
沿曲面向下侧的倾斜反射面21的倾角为
Figure BDA0002358395750000032
本实施例中，所述聚丙烯管1壁厚为2～3mm，直径较炮孔直径小10～15mm，砂石缓冲层5厚度为8～12cm；能量切向调控结构4高度约10～20cm，硬质牛皮纸2厚4～5mm，能量切向调控结构4和硬质牛皮纸2的直径与聚丙烯管1内径均相匹配。
作为一种较优的实施例，所述能量切向调控结构4由高波阻抗材料制成，保证爆破时不发生损坏。
利用上述锥型能量调控装置进行曲面基础14竖直孔爆破开挖实施例如下：
本实施例以某水电工程曲面基础14爆破开挖为例，对建基面保留岩体质量要求较高，采用上述的一种锥型能量调控装置及基于该装置的曲面基础14竖直孔爆破开挖方法。
如图2至图6所示，该次拟定爆区为曲面坝基中缓倾角部分，7m(长)、7m(宽)、3m(高)，即开挖面积约49m2，台阶高度3m，爆区底部切线转角中：0°≤α≤45°、β＝10°(即本次以较为常规的倾斜圆柱形曲面作为实施例说明)。根据坝基开挖成型质量要求与现场条件，布孔形式采用竖直孔，炮孔直径90mm，药卷直径32mm，间排距1.0m、1.0m，堵塞段1.2m；钻设炮孔时，超钻20～30cm，设置锥型能量调控装置，保证结构的椎柱过渡处(45°表面倾角理论过渡处)与建基面高程一致；能量切向调控结构4尺寸为：下部柱体直径75mm，上部的棱锥体23表面倾角依据切线转角αi(切线a′18与水平线的夹角)、βi(即切线b′19与水平线的夹角)确定，其中：(αi，βi)＝(45°,10°)、(38°,10°)(31°,10°)(24°,10°)(18°,10°)(12°,10°)(6°,10°)，分别对应各排炮孔底部切线转角。
具体施工步骤为：
(1)根据现场地形及拟定炮孔间排距，测量炮孔底部的曲面与水平的主要夹角α，以炮孔轴线为交线设置两个相互垂直的虚拟剖切面，即剖面A 10和剖面B 12，剖面A 10与曲面基础14下表面的交线为交线a 11，交线a 11在竖直炮孔15底部处的切线为切线a′18，剖面B 12与曲面基础14下表面的交线为交线b 13，交线b 13在竖直炮孔15底部处的切线为切线b′19，所述主要夹角即切线a′18和切线b′19的水平夹角αi与βi；
(2)基于沿曲面上、下侧的倾斜反射面21的倾角为
Figure BDA0002358395750000041
或
Figure BDA0002358395750000042
计算倾斜反射面21的对应倾角，见表1；预制能量切向调控结构4，组装锥型能量调控装置，按照设计要求钻设竖直孔，超钻20～30cm；
表1能量切向调控结构的反射面倾角计算结果(单位：°)
Figure BDA0002358395750000043
(3)利用竹片牵引或重力作用将锥型能量调控装置布置于炮孔底部；
(4)按照爆破设计方案装药联网，单个炮孔装药方式如图2所示，以中上部起爆方式装药联网，填充堵塞段后起爆，在保证药量不变条件下，加强底部曲面切向岩石破碎，避免底部加强装药。
爆破过程中，如附图8所示，部分爆炸冲击能量于锥球组合能量调控结构表面透射至能量调控结构内部，再传播至缓冲层进行逐步削弱；而能量调控结构表面处的反射冲击能量则被引导至炮孔底部曲面切向，有效控制了孔底岩体损伤，且保证了曲面基础14的开挖成型效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种用于曲面基础爆破开挖的锥型能量调控装置，其特征在于：包括管壳和设于管壳内由下往上依次布置砂石缓冲层、能量切向调控结构、木屑类充填物和硬质牛皮纸，所述能量切向调控结构由下部的圆柱体和上部的棱锥体组成，所述棱锥体上设有至少两对考虑反射方向的倾斜反射面；
所述棱锥体上每一对倾斜反射面与炮孔底部所处曲面基础的一个剖切面垂直且对应，该剖切面对应的炮孔底部所处曲面基础的剖面切线的水平夹角记为α，则调整棱锥体上与其对应的该对倾斜反射面的倾角，使得其中沿曲面向上侧的倾斜反射面的倾角为
Figure FDA0002692276040000011
沿曲面向下侧的倾斜反射面的倾角为
Figure FDA0002692276040000012
2.如权利要求1所述用于曲面基础爆破开挖的锥型能量调控装置，其特征在于：所述管壳为聚丙烯管，聚丙烯管壁厚为2～3mm，直径较炮孔直径小10～15mm，砂石缓冲层厚度为8～12cm；能量切向调控结构高度约10～20cm，硬质牛皮纸厚4～5mm，能量切向调控结构和硬质牛皮纸的直径与聚丙烯管内径均相匹配。
3.如权利要求1所述用于曲面基础爆破开挖的锥型能量调控装置，其特征在于：所述能量切向调控结构由高波阻抗材料制成。
4.一种利用权利要求2所述锥型能量调控装置进行曲面基础竖直孔爆破开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据现场地形及拟定炮孔间排距，测量炮孔底部的曲面与水平面的主要夹角；以炮孔轴线为交线设置两个相互垂直的虚拟剖切面，所述主要夹角即为两个虚拟剖切面的剖面切线的水平夹角；
步骤2、根据上述的夹角计算对应的倾斜反射面的倾角，预制锥型能量调控装置，按照设计要求钻设竖直孔；
步骤3、利用竹片牵引或重力作用将锥型能量调控装置布置于炮孔底部；
步骤4、按照爆破设计方案装药联网，填充堵塞段后起爆，完成曲面基础开挖。
5.如权利要求4所述曲面基础竖直孔爆破开挖方法，其特征在于：所述步骤2中，竖直孔钻设过程中超钻20～30cm。
6.如权利要求4所述曲面基础竖直孔爆破开挖方法，其特征在于：所述步骤4中，以中上部起爆方式装药联网。
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