CN111504747A - 一种单面环向切缝聚能药柱、室内试验测试与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单面环向切缝聚能药柱，包括药柱壳体和炸药，所述药柱壳体沿着轴向每隔2‑3倍药柱壳体内径的距离切割出一条环向切缝，所述环向切缝宽度为3‑6mm，所述环向切缝的角度为120‑180°，所述药柱壳体内部装填炸药。本发明还提供了单面环向切缝聚能药柱实验室测试方法与现场应用技术，所述实验室测试方法能够直观地观测单面环向爆破裂纹分布特征，可以准确测量单面环向爆炸应力场分布，并将单面环向切缝聚能药柱应用于巷道掘进爆破，结果表明该发明能够改善槽腔破碎效果，减少大块率，提高掏槽爆破抛掷效果，减小岩石所受地应力夹制作用，提高炮孔利用率和掘进进尺，缩短掘进作业时间，节约经济成本。

Description

一种单面环向切缝聚能药柱、室内试验测试与应用

技术领域

本发明涉及爆破技术领域，尤其涉及一种单面环向切缝聚能药柱、室内试验测试与应用。

背景技术

巷道掘进常用掏槽爆破，掏槽爆破中掏槽的好坏是决定整个断面爆破破岩效果及循环进尺的关键因素。从国内外坚硬岩石巷道掘进爆破以及巷道中深孔爆破的实例和理论分析来看，最常用的掏槽形式是楔形掏槽，它可以充分利用工作面这一唯一的自由面，使用较少的炮眼消耗和炸药消耗，获得较大的槽腔体积。随着矿产资源开发逐步走向深部，岩体受到初始地应力作用，岩石夹制作用增强，对于高地应力岩体巷道掘进爆破，传统的掏槽方法爆破存在炮眼利用率低、循环进尺小、大块率高等问题。鉴于此，人们又提出了多级楔形掏槽，以及在工作面中间增加中间孔等方法来改善掏槽效果，但这无疑进一步增加了钻孔难度、钻孔数量和炸药使用量。

轴向切缝聚能药柱定向爆破技术，是在具有一定强度的药柱壳体(常用有PVC管、钢管等)沿轴向切割出两条对称的轴向切缝，由于轴向切缝对爆炸能量具有导向作用，爆炸能量向轴向切缝处集中并优先从轴向切缝处释放，基于此特点，当轴向切缝对准预定破裂方向时可以对岩体初步切割以形成初始裂隙，随着爆轰产物的膨胀，初始裂隙在爆轰气体产物的气楔作用下继续扩展延伸。切缝聚能药柱的制作工艺简单、定向断裂效果好，近年来在控制爆破中被广泛使用。但是目前切缝聚能药柱定向爆破技术，都是将药柱壳体沿轴向切割出两条对称的轴向切缝，只能使其在沿预定破裂方向形成对称分布的两条裂隙，通常在周边孔控制爆破中应用，在掏槽中应用不是很多。

在实验室进行爆炸应力波和爆破裂纹扩展范围的研究时，主要是在采用适当比例和相似材料制成的与原型物理力学相似模型构件，并进行钻孔爆破。由于原岩中很难植入应力测试元件，植入过程中不可避免的引入界面，而室内浇筑水泥砂浆模型具有很好地重塑性和可塑性，能够使预制应变砖与材料紧密接触形成整体，减少界面效应，由于水泥砂浆属于类岩石材料，与岩石性质相似，在对试件实施爆破时，能够将实际爆破工程岩石爆破过程很好地再演，埋置的应变片和爆破破坏过程能够进行量化，将爆破过程再现。现有技术是采用树脂制成的透明岩石作为相似材料来制备试验所需模型，通过在透明岩石中爆炸来观察岩石爆破损伤破裂范围，由于所采用的相似材料与岩石性能相差较大，所以必然存在着误差。且所采用的树脂制成的透明岩石均为成品，难以在其中根据不同装药形式设置不同分布位置的传感器或应变片，较难测量其爆炸应力波。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种单面环向切缝聚能药柱室内试验测试与现场应用方法，本发明能够直观地观测爆破裂纹分布特征，可以准确地测量爆炸应力场分布情况，从而对单面环向切缝聚能药柱能够定量描述，进而将发明应用现场爆破，起到改善槽腔破碎效果，减少大块率，减小后续爆破的岩石夹制作用，提高炮孔利用率和掘进进尺，缩短掘进作业时间，节约经济成本。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种单面环向切缝聚能药柱，包括药柱壳体和炸药，所述药柱壳体沿着轴向每隔2-3倍药柱壳体内径的距离切割出一条环向切缝，所述环向切缝宽度为3-6mm，所述环向切缝的角度为120-180°，所述药柱壳体内部装填炸药。

优选的，所述药柱壳体采用PVC管，所述PVC管表面喷涂防静电油漆。

优选的，所述的一种单面环向切缝聚能药柱的爆破裂纹与爆炸应力波实验室测试方法，包括以下步骤：

1)在大直径钢套筒中制备试验所需水泥砂浆试件，并在制备过程中埋置黏贴有应变片且涂有绝缘防水材料的应力砖，按照离炮孔的间距3倍，5倍，10倍对称布置炮孔两侧，且保证应变片在同一个平面内，养护28天；

2)制作单面环向切缝聚能药柱；

3)将单面环向切缝聚能药柱连同电雷管装填入炮孔，环向切缝与应变片埋置方向一致，未切缝处与另一侧应变片一致，且位于同一平面，在单面环向切缝聚能药柱和炮孔的间隙中加入显色物质，然后引出电雷管脚线，装填堵塞材料；

4)将应变片引出的绝缘导线连接到超动态应变仪和动态测试分析仪，检查无误后起爆，对正对切缝处与背对切缝处所采集得到岩石内部爆炸应力波进行处理分析；

5)随后采用高清内窥镜对爆破后的炮孔内部进行观测，并对爆破后的试件进行取芯，观察其显色物质的分布情况得到爆破裂纹扩展情况。

优选的，所述应变砖和水泥砂浆试件材料相同。

优选的，所述的一种单面环向切缝聚能药柱的掏槽爆破使用方法，包括以下步骤：

1)根据爆破设计方案进行钻孔作业，并清理炮孔；

2)制作单面环向切缝聚能药柱；

3)在掏槽孔中装填单面环向切缝聚能药柱，同时其他炮孔正常装药，所述单面环向切缝聚能药柱的环向切缝对准所要破坏的槽腔区域岩体；

4)连接起爆网路，确认人员及设备安全后进行起爆。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用显色物质在炸药爆炸后和爆生气体进行充分的混合，显色物质随着爆生气体一起在裂纹中传播，在爆轰压力作用下附着在裂隙侧壁上，将试件进行取芯切割以后，通过观察颜色分布即可得到裂纹扩展范围，避免了现有技术中采用相似材料进行观测所引起的误差，观测直观，且在试件内预置应变片，并将应变片绝缘导线连接到超动态应变仪，通过超动态应变仪测试系统，可以进一步研究爆破时试件中的爆炸应力场。

2)本发明中单面环向切缝聚能药柱，由于环向切缝对爆炸能量具有导向作用，爆炸能量向环向切缝处集中并优先从切缝处释放，基于此特点，环向切缝对准槽腔时在爆破初始阶段，优先从切缝处作用槽腔岩体，形成初始裂隙，在爆轰产物的膨胀作用下，初始裂隙在爆轰气体产物的气楔作用下继续扩展，进一步破坏槽腔岩体，由于背切缝侧受药柱壳体的约束作用，爆炸能量更多地作用于切缝方向岩体，改善槽腔的破碎效果，减少岩石的大块率，利于岩体的向外抛掷，形成很好地掏槽腔体，减小后续爆破时岩体的夹制作用，提高了炮孔利用率和掘进进尺，相比于现有的采用多级楔形掏槽、增加中间孔及增加掏槽孔数量等加强掏槽方法，能够降低多组倾斜炮孔带来的钻孔难度，降低了钻孔数量及炸药使用量，减少掘进作业时间，节约经济成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单面环向切缝聚能药柱结构示意图；

图2为本发明单面环向切缝聚能药柱在切缝处的横向剖面图；

图3为本发明单面环向切缝聚能药柱爆破裂纹与爆炸应力波测试示意图；

图4为本发明应变砖示意图。

图中：1、药柱壳体，2、环向切缝，3、炸药，4、钢套筒，5、试件，6、应变砖，6-1、应变砖体，6-2、应变片，6-3、绝缘导线，7、炮孔，8、显色物质，9、电雷管，10、堵塞材料，11、电雷管脚线。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1-2，本发明实施例一种单面环向切缝聚能药柱，包括药柱壳体1和炸药3，所述药柱壳体1沿着轴向每隔2-3倍药柱壳体1内径的距离切割出一条环向切缝2，所述环向切缝2宽度为3-6mm，所述环向切缝2的角度为120-180°，所述药柱壳体1内部装填炸药3。

根据本发明的实施例，所述药柱壳体1采用PVC管，所述PVC管表面喷涂防静电油漆。

参照图1-4，本发明提供所述单面环向切缝聚能药柱爆破裂纹与爆炸应力波测试方法，包括以下步骤：

1)在大直径钢套筒4中制备试验所需试件5，并在制备过程中预置炮孔7和应变砖6；

2)制作单面环向切缝聚能药柱；

3)将单面环向切缝聚能药柱连同电雷管9装填入炮孔7，环向切缝与应变片埋置方向一致，未切缝处与另一侧应变片一致，且位于同一平面，在单面环向切缝聚能药柱和炮孔7的间隙中加入显色物质8，然后引出电雷管脚线11，装填堵塞材料10；

4)将应变片6-2引出的绝缘导线连接到超动态应变仪和动态测试分析仪，检查无误后起爆，将应变砖6引出的绝缘导线6-3连接到动态应变仪和动态测试分析仪，检查无误后起爆，对正对切缝处与背对切缝处所采集得到岩石内部爆炸应力波进行处理分析；

5)采用高清内窥镜对爆破后的炮孔7内部进行观测，并对爆破后的试件5进行取芯，观察其显色物质8的分布情况得到爆破裂纹扩展情况。

所述应变砖6由应变砖体6-1、应变片6-2和绝缘导线6-3组成，应变片6-2粘贴在应变砖体6-1上并连接绝缘导线6-3，所述应变片砖6-1材质和试件5相同。

本发明实施例提供所述单面环向切缝聚能药柱掏槽爆破方法，包括以下步骤：

1)根据爆破设计方案进行钻孔作业，并清理炮孔；

2)制作单面环向切缝聚能药柱；

3)在掏槽孔中装填单面环向切缝聚能药柱，同时其他炮孔正常装药，所述单面环向切缝聚能药柱的环向切缝对准所要破坏的槽腔区域岩体；

4)连接起爆网路，确认人员及设备安全后进行起爆。

实施例1

对单面环向切缝聚能药柱进行爆破裂纹与爆炸应力波测试，包括以下步骤：

1)将水泥、细砂和水按1：4：1比例搅拌均匀制得水泥砂浆，然后在直径600mm、高600mm的钢套筒4内加入水泥砂浆，当水泥砂浆浇筑到250mm高度时，在钢套筒4中间固定直径为25mm的PVC管以预留炮孔7，并提前将两组应变砖6紧贴炮孔放置，两组应变砖6分别正对设计的切缝位置和背对切缝位置，所述应变砖6中应变片载体所用的材料同样也是水泥、细砂和水按1：4：1比例制得，主要为了保证所测爆炸应力波能最真实反映应力波试件5中传递具有一致性，所述应变砖体6-1宽度为3cm、厚度为1cm、长度为30cm，所述应变砖体6-1沿着长度方向分布三个测点，分别距离炮孔5cm，10cm和20cm，每个测点粘贴应变片6-2，先浇筑水泥砂浆，然后在炮孔两侧对称放置好应变砖6以后，继续加入水泥砂浆，制备过程完成后养护28天得到试验所需试件5，取出预埋PVC管得到炮孔7；

2)采用PVC管作为药柱壳体1，所述PVC管外径20mm、壁厚2mm、长度为20cm，沿轴向方向每隔5cm切割出一条宽度3mm、180°的环向切缝2，共切割有三条环向切缝2，然后将炸药装填入药柱壳体1内；

3)将制作好的单面环向切缝聚能药柱和电雷管9放入炮孔，并在单面环向切缝聚能药柱和炮孔7之间的间隙中加入显色物质8，所述显色物质8优选为纳米级固体粉末状滑石粉，然后引出电雷管脚线11，装填炮孔堵塞材料10；

4)将应变探测头6引出的绝缘导线6-3连接到CS-1D动态电阻应变仪和TST3406动态测试分析仪，确认导线连接、仪器设备正常的情况下，将电雷管脚线11连接到发爆器进行起爆，发现切缝处爆炸应力波值明显大于无切缝处；

5)采用Y010-005型无线WIFI高清内窥镜对爆破后的炮孔7内部进行观测，并对爆破后的试件4进行取芯，观察其显色物质8的分布情况得到爆破裂纹扩展情况，发现环向切缝药包处的裂纹扩展深度明显大于未切缝处，且切缝宽度大于未切缝处。

实施例2

某地下800m砂岩巷道采用单面环向切缝聚能药柱的掏槽爆破方法，包括以下步骤：

1)采用液压钻车，2.6m长的钎杆，直径Φ42mm的钎头，按照爆破设计方案进行钻孔作业，采用楔形掏槽，掏槽孔外按顺序为一圈崩落孔、二圈崩落孔、三圈崩落孔和周边孔，设计掏槽孔深度(垂直工作面的深度)为2.4m，其它炮孔深度2.2m，掏槽孔左右对称的孔距1500mm，上下孔距450mm，紧挨掏槽孔的一圈崩落孔与掏槽孔孔口间距应严格控制在250mm左右，崩落孔间距和各圈崩落孔间的排距控制在600-650mm，炮眼密集系数控制在m＝0.8-1.2，周边孔采用光面爆破技术，严格控制周边孔间距在400mm左右，钻孔时稍微向外偏斜，炮孔开孔在轮廓线，孔底应落在巷道掘进轮廓线外100mm左右，以利于下一循环钻孔，钻孔作业结束后，必须将炮孔内的岩渣、泥水清理干净，保证能够连续装药到孔底；

2)将内径35mm、外径40mm的PVC管沿着轴向每隔100mm切割出一条环向切缝，环向切缝的宽度为4mm，环向切缝的角度θ＝180°，再在PVC管表面预先喷涂防静电油漆并晾干，待到装药现场将药卷直径为35mm的三级煤矿许用水胶炸药装入PVC管内，制得单面环向切缝聚能药柱；

3)在掏槽孔中装填单面环向切缝聚能药柱，注意环向切缝缝务必对准所要破坏的槽腔区域岩体，同时其他炮孔按照设计药量进行正常装药作业，且所有炮孔要用水炮泥与炮泥进行堵塞；

4)严格按设计的雷管段别和起爆顺序进行起爆网路连接，雷管段别为：掏槽孔Ⅰ段、一圈崩落孔Ⅱ段、二圈崩落孔Ⅲ段、三圈崩落孔Ⅳ段、周边孔Ⅴ段，起爆顺序为：掏槽孔→一圈崩落孔→二圈崩落孔→三圈崩落孔→周边孔，将人员与设备全部撤离到安全范围以外，确认人员及设备安全后进行起爆。

工作原理：掏槽孔采用本发明单面环向切缝聚能药柱爆破，由于环向切缝对爆炸能量具有导向作用，爆炸能量向环向切缝处集中并优先从切缝处释放，基于此特点，当环向切缝对准槽腔时可以对槽腔内部的岩体初步切割以形成初始裂隙，在爆轰气体产物的气楔作用下继续扩展，进一步破坏槽腔岩体，未切缝侧由于药柱壳体的约束作用，使爆炸能量更多地作用于切缝方向岩体，改善槽腔的破碎效果，减少岩石的大块率；利于岩体的向外抛掷，能够为后续爆破形成良好的临空面，减小后续爆破时岩体的夹制作用，提高了炮孔利用率和掘进进尺，且相比于现有的采用多级楔形掏槽、增加中间孔及增加掏槽孔数量等加强掏槽方法，能够降低多组倾斜炮孔带来的钻孔难度，降低了钻孔数量及炸药使用量，减少掘进作业时间，节约经济成本。本发明利用显色物质在炸药爆炸后和爆生气体进行充分的混合，并随着爆生气体一起在裂纹中传播，在爆轰压力作用下附着在裂隙侧壁上，将试件进行取芯切割以后，通过观察颜色分布即可得到裂纹扩展范围，避免了现有技术中采用相似材料进行观测所引起的误差，观测直观，且在试件内预置应变探测头，并将应变探测头上应变片引出的绝缘导线连接到动态应变仪和动态测试分析仪，可以进一步研究爆破时试件中的爆炸应力场。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种单面环向切缝聚能药柱，包括药柱壳体和炸药，其特征在于：所述药柱壳体沿着轴向每隔2-3倍药柱壳体内径的距离切割出一条环向切缝，所述环向切缝宽度为3-6mm，所述环向切缝的角度为120-180°，所述药柱壳体内部装填炸药。

2.根据权利要求1所述的一种单面环向切缝聚能药柱，其特征在于：所述药柱壳体采用PVC管。

3.根据权利要求2所述的一种单面环向切缝聚能药柱，其特征在于：所述PVC管表面喷涂防静电漆。

4.一种权利要求1所述的单面环向切缝聚能药柱的爆破裂纹与爆炸应力波实验室测试方法，其特征在于：按以下步骤进行：

1)制备试验所需水泥砂浆试件，并在制备过程中埋置黏贴有应变片且涂有绝缘防水材料的应力砖，按照离炮孔的间距3倍，5倍，10倍对称布置于炮孔两侧，且保证应变片在同一个平面内，养护28天；

2)制作单面环向切缝聚能药柱；

3)将单面环向切缝聚能药柱连同电雷管装填入炮孔，环向切缝与应变片埋置方向一致，未切缝处与另一侧应变片一致，且位于同一平面，在单面环向切缝聚能药柱和炮孔的间隙中加入显色物质，然后引出电雷管脚线，装填堵塞材料；

4)将应变片引出的绝缘导线连接到超动态应变仪和动态测试分析仪，检查无误后起爆，对正对切缝处与背对切缝处所采集得到岩石内部爆炸应力波进行处理分析；

5)对爆破后的炮孔内部进行观测，并对爆破后的试件进行取芯，观察其显色物质的分布情况得到爆破裂纹扩展情况。

5.根据权利要求4所述的单面环向切缝聚能药柱的爆破裂纹与爆炸应力波实验室测试方法，其特征在于：所述应力砖和水泥砂浆试件材料相同。

6.根据权利要求4所述的单面环向切缝聚能药柱的爆破裂纹与爆炸应力波实验室测试方法，其特征在于：步骤5)采用高清内窥镜对爆破后的炮孔内部进行观测。

7.一种权利要求1所述的单面环向切缝聚能药柱的应用，其特征在于：按以下步骤进行：

1)根据爆破设计方案进行钻孔作业，并清理炮孔；

2)制作单面环向切缝聚能药柱；

3)在掏槽孔中装填单面环向切缝聚能药柱，同时其他炮孔正常装药，所述单面环向切缝聚能药柱的环向切缝对准所要破坏的槽腔区域岩体；

4)连接起爆网路，确认人员及设备安全后进行起爆。

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