CN113251879A - 一种爆破破岩能耗占比的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于爆破工程技术领域，特别是涉及一种爆破破岩能耗占比的分析方法，针对单孔爆破试验的实测爆速和波速，基于冲击波、应力波传播规律以及纵波波速‑岩石力学性质等相关理论和理论公式，分析得到冲击波破碎岩石和应力波致裂岩石所做的功，进一步得到炸药破岩能耗占比。本发明方法结合理论分析和数据分析，得到炸药破岩能耗占比更为符合实际炸药爆破，能够快速得到分析结果，为进一步优化爆破参数来提高炸药的能量利用提供参考意义。

Description

一种爆破破岩能耗占比的分析方法

技术领域

本发明属于爆破工程技术领域，特别是涉及一种爆破破岩能耗占比的分析方法。

背景技术

爆破技术在矿山的应用十分广泛，炸药爆破具有瞬时性和高效性，岩石爆破破坏机理通常有三种形式，一是爆炸应力瞬间集中在岩石上造成应力波反射拉伸破坏；二是爆生气体迅速膨胀破坏岩石；三是爆生气体和应力波共同作用在岩石上产生破坏，其主要是利用炸药爆破瞬时放出的大量热能和气体对外界做功，使其发生压裂、拉伸、变形的等破坏形式。爆破能量利用率在理论和实际应用中都是占比甚小，大部分能量都消耗在飞石、振动、粉碎等无用功上，提高爆破破岩能量利用率最有效的就是提高爆破破岩的能耗占比，更加准确快速的得到爆破破岩能耗占比，能够为提高爆破能量利用率、提高生产效率以及降低其他无用能耗创造有利条件。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种爆破破岩能耗占比的分析方法。

具体技术方案如下：

一种爆破破岩能耗占比的分析方法，针对单孔爆破试验的实测爆速和波速，基于冲击波、应力波传播规律以及纵波波速-岩石力学性质理论，分析得到冲击波破碎岩石和应力波致裂岩石所做的功，进一步得到炸药破岩能耗占比，具体包括如下步骤：

1)在裂隙区建立一个与炮孔a同水平的测试孔b；

2)在测试孔b内孔底处建立测试点，在炮孔a内与测试点b同水平位置建立测试点；

3)装药前把声波探头和换能器放到炮孔a底部，测试出岩石初始波速V_p0，准备爆破前将声波测试仪的探头和换能器放置在测试孔b的孔底，探头和换能器连接到声波仪显示器，用于监测爆破前后声波在岩石中的传播速度；

4)爆破前在有起爆弹雷管的炮孔底部放置电阻线探针，电阻线探针与爆速测试仪连接，用于测量孔内点a炸药初始爆速；

5)根据a点测出的爆速以及爆轰波传播规律、冲击波衰减理论，能够得到爆轰波初始压力P₀和峰值压力P_d；

式中：P₀为冲击波作用在孔壁岩石中的初始压力，Mpa；P_d为冲击波波阵面上的爆轰压力，Mpa；v_p和D分别为岩石中的声速和爆速，m/s；ρ和ρ₀分别为岩石和炸药的密度，kg/m³；γ为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般取γ为3；

冲击波粉碎岩石半径为R_a：

式中：σ_c为岩石单轴动态抗压强度；P为原岩应力；

冲击波的峰值压力随距离的衰减关系可近似表示为:

冲击波破碎岩石做功W₁为：

式中：P_c为冲击波峰值压力，Mpa；

为对比距离，

其中R为炮孔半径，R_a为粉碎区半径；

6)根据b点所测的声波速度，得到测点处岩石中的应力σ_b、纵波速度v_pb，达到岩石中峰值强度的传播距离x；

应力波作用在岩石中径向拉应力、切向拉应力随距离增大的衰减规律：

式中：σ_r为径向拉应力；σ_θ为切向拉应力；P_d为应力波初始径向峰值应力；b＝μ/(1-μ)，μ为岩石的泊松比；

式中：

为应力波传播相对距离

x为应力波传播半径；α为应力波衰减指数α＝2-μ/(1-μ)，μ为岩石的泊松比；σ₀为初始应力；

7)根据岩体开裂条件可以推出在应力波作用边缘的应力波波速v_pb1、v_pb2；

岩体出现开裂条件为：

σ_θ＝(1-2b²)σ_r…K_TS_T

式中：S_T为岩体的抗拉强度，MPa；K_T为动载时岩体的抗拉强度增大系数，K_T＝2；b为岩石中横波与纵波波速之比，b＝v_s/v_p；

式中：σ_c、σ_t分别为岩石单轴动态抗压强度和岩石单轴动态抗拉强度，R_c为应力波作用于岩石致裂半径；b＝μ/(1-μ)；

8)综合上述经验公式可以计算出冲击波破碎半径Ra、冲击波临界爆速、冲击波峰值压力Pc、应力波致裂半径Rc、应力波致裂临界点的波速vp；

9)应力波对裂隙区岩石做功W₂

式中：m为爆区岩体质量；V为爆区内应力波作用致裂岩体体积；

10)炸药爆炸所产生的的总能量E是根据炸药的爆热、重量以及热功当量决定；

E＝G·Q·427

式中：G为药包重量；Q为炸药的爆热；427为热功当量；

11)破岩能耗占比η可通过总破岩动能E_k与炸药总能量E的比值判断。

E_k＝W＝W₁+W₂

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

(1)不同于传统做法：利用现场实测的数据对炸药破岩能耗占比进行分析，前人对破岩能耗占比的分析通过炸药能量利用率体现，局限于三大能量利用率理论。本发明是结合理论研究与数据，通过实测的声波和爆速对计算出冲击波、应力波临界点的参数，对比炮孔内爆速得到炸药初始能量，从而得到炸药爆破破岩能耗占比。本发明基于单孔爆破进行试验，单孔爆破测试的数据在计算与炸药参数所匹配的数据时更加简便，对于单孔爆破所得出的冲击波、应力波作用范围以及炸药破岩能耗占比的研究是对整体爆破作业时分析炸药能量利用率最为基础的计算。本发明可利用实测的爆速和声波速度，分析炸药爆破破对岩石的能耗占比，对优化爆破参数提供参考，与传统炸药能耗的分析方法相比，利用实测数据，可以使最终的结果更加准确，能够在爆破作业后通过监测数据快速分析爆破破岩的能耗占比，改善爆破效果，具有实际应用的价值。

(2)本发明提供的分析方法操作简单，只需要爆速测试仪和声波测试仪就可以完成试验，推出单孔爆破破岩能耗占比情况，为进一步提高破岩能耗，从而实现爆破能量利用率的提高。

(3)本发明提供的试验方法基于理论公式得到粉碎区、裂隙区作用范围，数据与理论相结合，在分析炸药爆破破岩能耗占比时能够快速计算得出结果。

(4)本发明的分析方法对比常规的波阻抗匹配、全过程匹配、能量守恒定律分析炸药能量利用率的方法要更加好实现，分析过程和理论计算均具有先进性和可行性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为声波仪连接示意图；

图3为爆速测试仪连接示意图。

图中，1—声波测试仪；2—水；3—发射换能器a；4—发射换能器b；5—接收换能器a；6—接收换能器b；7—炮孔a；8—测试孔b；9—起爆弹；10—装药段；11—电阻线探针；12—导爆管雷管；13—探头a；14—探头b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。

实施例1

声波测试仪1中所述探头a13和探头b14分别由发射换能器a3、接收换能器a5和发射换能器b4、接收换能器b6组成，分别放置在炮孔a和测试孔b的孔底处，在炮孔a和测试孔b内注入水2用于探头耦合，实现声波在炮孔a—岩石—测试孔b内传播。

爆速测试仪用于测试炮孔a7内炸药爆速，起爆弹7与装药段10用导爆管雷管12连接，爆速测试仪的电阻线探针11与导爆管雷管12一同放在炮孔a7的底部。

基本参数：炸药D₀＝4880m/s，ρ₀＝1170kg/m³，爆热5000KJ/Kg；岩石ρ＝2700kg/m³，E＝80Gpa，μ＝0.26，σc＝160Mpa，σt＝6Mpa，初始波速4500m/s，爆破后测得a点波速4000m/s，b点波速3600m/s。

在炮孔孔底设置测试点a，该孔为炮孔a7；距炮孔a7外5m处的岩体内垂直钻孔，孔径90mm，孔深1m，装药直径60mm，单孔药量2kg，在孔内的孔底建立测试点b，该孔为测试孔b8；确保测点a、b在同一水平位置。

装药前把声波测试仪1的探头a13放在炮孔a7的底部，与声波测试仪的显示器相连接，用于显示稳定、清晰地波形，声波测试仪连接示意图如附图2所示，测试出岩石初始波速v_p0，准备爆破前将探头a13和探头b14放在炮孔a7和测试孔b8的底部；

爆破前在有起爆弹9雷管的炮孔a7底部放置电阻线探针11，电阻线探针11与爆速测试仪连接，爆速测试仪连接示意图如附图3所示。

步骤1：通过测出的孔内初始炸药爆速，得到爆轰波初始压力P₀＝6966GPa和峰值压力P_d＝9478Gpa。

步骤2：根据冲击波压力衰减规律，计算得到冲击波粉碎半径R_a＝3.2m，冲击波峰值压力P_c＝7.8MPa；

步骤3：根据公式能够计算出冲击波粉碎岩石做功W₁；

步骤4：利用声波测试仪测出a、b点爆破前后岩石的声波速度，得到纵波速度，根据应力波衰减规律、岩体起裂条件计算出应力波致裂岩石的作用半径x≤3.9m；

步骤5：根据应力波衰减规律计算得到应力波致裂区内外边界的纵波速度v_pb1＝3751m/s、v_pb2＝3700m/s；

步骤6：根据机械能做功公式得到应力波致裂岩石做功W₂。

步骤7：由炸药爆热以及单孔药量得到炸药爆破总能量E₀＝4270KJ。

破岩能耗占比为冲击波粉碎岩石和应力波致裂岩石做功之和E_k与总能量E之比，即

实施例2

基本参数：炸药D₀＝3000m/s，ρ₀＝850kg/m³，爆热4200kJ/kg；岩石ρ＝2440kg/m³，μ＝0.24，σ_c＝175Mpa，σ_t＝10Mpa，初始波速2400m/s，爆破后测得a点波速2000m/s，b点波速1800m/s。

在炮孔孔底设置测试点a，该孔为炮孔a；距炮孔a外4m处的岩体内垂直钻孔，孔径90mm，孔深1m，装药直径60mm，单孔药量2kg，在孔内的孔底建立测试点b，该孔为测试孔b；确保测点a、b在同一水平位置。

爆破破岩能耗占比η＝9.1％。

实施例3

基本参数：炸药D₀＝4116m/s，ρ₀＝817kg/m³，爆热5200kJ/kg；岩石ρ＝2600kg/m³，μ＝0.24，σ_c＝150Mpa，σ_t＝5Mpa，初始波速3650m/s，爆破后测得a点波速3420m/s，b点波速3250m/s。

在炮孔孔底设置测试点a，该孔为炮孔a；距炮孔a外10m处的岩体内垂直钻孔，孔径90mm，孔深2m，装药直径60mm，单孔药量5kg，在孔内的孔底建立测试点b，该孔为测试孔b；确保测点a、b在同一水平位置。

爆破破岩能耗占比η＝4.6％。

实施例4

基本参数：炸药D₀＝5376m/s，ρ₀＝1100kg/m³，爆热5400kJ/kg；岩石ρ＝2980kg/m³，μ＝0.16，σ_c＝180Mpa，σ_t＝15Mpa，初始波速3500m/s，爆破后测得a点波速3280m/s，b点波速2900m/s。

在炮孔孔底设置测试点a，该孔为炮孔a；距炮孔a外6m处的岩体内垂直钻孔，孔径160mm，孔深3m，装药直径100mm，单孔药量3kg，在孔内的孔底建立测试点b，该孔为测试孔b；确保测点a、b在同一水平位置。

爆破破岩能耗占比η＝9.06％。

Claims (1)

1.一种爆破破岩能耗占比的分析方法，其特征在于，针对单孔爆破试验的实测爆速和波速，基于冲击波、应力波传播规律以及纵波波速-岩石力学性质理论，分析得到冲击波破碎岩石和应力波致裂岩石所做的功，进一步得到炸药破岩能耗占比，具体包括如下步骤：

1)在裂隙区建立一个与炮孔a同水平的测试孔b；

2)在测试孔b内孔底处建立测试点，在炮孔a内与测试点b同水平位置建立测试点；

3)装药前把声波探头和换能器放到炮孔a底部，测试出岩石初始波速V_p0，准备爆破前将声波测试仪的探头和换能器放置在测试孔b的孔底，探头和换能器连接到声波仪显示器，用于监测爆破前后声波在岩石中的传播速度；

4)爆破前在有起爆弹雷管的炮孔底部放置电阻线探针，电阻线探针与爆速测试仪连接，用于测量孔内点a炸药初始爆速；

5)根据a点测出的爆速以及爆轰波传播规律、冲击波衰减理论，能够得到爆轰波初始压力P₀和峰值压力P_d；

式中：P₀为冲击波作用在孔壁岩石中的初始压力，Mpa；P_d为冲击波波阵面上的爆轰压力，Mpa；v_p和D分别为岩石中的声速和爆速，m/s；ρ和ρ₀分别为岩石和炸药的密度，kg/m³；γ为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般取γ为3；

冲击波粉碎岩石半径为R_a：

式中：σ_c为岩石单轴动态抗压强度；P为原岩应力；

冲击波的峰值压力随距离的衰减关系可近似表示为:

冲击波破碎岩石做功W₁为：

式中：P_c为冲击波峰值压力，Mpa；

为对比距离，

其中R为炮孔半径，R_a为粉碎区半径；

6)根据b点所测的声波速度，得到测点处岩石中的应力σ_b、纵波速度v_pb，达到岩石中峰值强度的传播距离x；

应力波作用在岩石中径向拉应力、切向拉应力随距离增大的衰减规律：

式中：σ_r为径向拉应力；σ_θ为切向拉应力；P_d为应力波初始径向峰值应力；b＝μ/(1-μ)，μ为岩石的泊松比；

式中：

为应力波传播相对距离

x为应力波传播半径；α为应力波衰减指数α＝2-μ/(1-μ)，μ为岩石的泊松比；σ₀为初始应力；

7)根据岩体开裂条件可以推出在应力波作用边缘的应力波波速v_pb1、v_pb2；

岩体出现开裂条件为：

σ_θ＝(1-2b²)σ_r…K_TS_T

式中：S_T为岩体的抗拉强度，MPa；K_T为动载时岩体的抗拉强度增大系数，K_T＝2；b为岩石中横波与纵波波速之比，b＝v_s/v_p；

式中：σ_c、σ_t分别为岩石单轴动态抗压强度和岩石单轴动态抗拉强度，R_c为应力波作用于岩石致裂半径；b＝μ/(1-μ)；

8)综合上述经验公式可以计算出冲击波破碎半径Ra、冲击波临界爆速、冲击波峰值压力Pc、应力波致裂半径Rc、应力波致裂临界点的波速vp；

9)应力波对裂隙区岩石做功W₂

式中：m为爆区岩体质量；V为爆区内应力波作用致裂岩体体积；

10)炸药爆炸所产生的的总能量E是根据炸药的爆热、重量以及热功当量决定；

E＝G·Q·427

式中：G为药包重量；Q为炸药的爆热；427为热功当量；

11)破岩能耗占比η可通过总破岩动能E_k与炸药总能量E的比值判断。

E_k＝W＝W₁+W₂

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