CN115127416B - 硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于爆破技术领域，公开了有关于硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，包括以下步骤：使用钻机在硬岩上钻出炮孔；在炮孔底部放置非耦合聚能装药结构，非耦合聚能装药结构结构的上方设置第一填塞结构，进行第一次爆破得到药壶；将非耦合聚能装药结构设置在药壶中，所述药壶中填充水介质至浸没非耦合聚能装药结构，所述非耦合聚能装药结构的上方设置第二填塞结构，对药壶进行后续扩壶爆破。

Description

硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法

技术领域

本发明具体涉及一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，属于爆破开挖技术领域。

背景技术

现有技术对硬岩爆破开挖一般是使用钻机钻出钻孔，再向钻孔内填放炸药，由于装药孔通常直径较小，无法装填大的药量，需要布置多个装药孔，因此增加了爆破时间。而扩壶爆破可以容纳更多的炸药，实现更好的爆破开挖效果。

目前的扩壶爆破的爆破压缩对象主要为粘塑性的土壤，不需要考虑裂隙传播问题，而对于颗粒密度大、孔隙率小、装药埋深较小的坚硬岩石环境下，在爆破时容易产生纵向裂缝，由于扩壶所处位置浅，若后续扩壶时裂缝延伸至地面，容易造成药孔爆塌报废。

为了避免塌孔，目前的扩壶方式是采用多次装药，但是考虑到扩壶是埋药深度浅的硬岩中，现有技术中的多次递增式装药并不适用，因此，如何在埋药深度浅的硬岩中使用扩壶爆破方法对装药孔进行扩壶成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，通过第一次扩壶抑制纵向裂纹的产生，再通过后续扩壶，使扩壶方向向下部增大发展，达到快速扩壶的目的。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，包括以下步骤：

使用钻机在硬岩上钻出炮孔；

炮孔底部放置非耦合聚能装药结构，在非耦合聚能装药结构结构的上方设置第一填塞结构，进行第一次爆破得到药壶；

将非耦合聚能装药结构设置在药壶中，所述药壶中填充水介质至浸没非耦合聚能装药结构，所述非耦合聚能装药结构的上方设置第二填塞结构，对药壶进行后续扩壶爆破。

进一步的，所述非耦合聚能装药结构的装药量根据公式C＝Abh³及C₀＝K₀C确定，其中，A为土石抗力系数；b为装药作用指数的系数；h为最小抵抗线，单位m；C₀为非耦合聚能装药结构实际所需装药量，单位kg；K₀为扩爆系数；C为非耦合聚能装药结构预计装药量，单位kg。

进一步的，后续扩壶爆破中非耦合聚能装药结构实际所需装药量，以第一次爆破非耦合聚能装药结构实际所需装药量为基准，逐次增加不少于一倍。

进一步的，所述非耦合聚能装药结构包括内部设有雷管的外壳，所述外壳局部在垂直于炮孔深度的方向，向外凸出，形成多个纵向分布的圆盘型聚能罩，所述圆盘型聚能罩内部填充炸药，使用雷管起爆炸药，形成的高温射流从圆盘型聚能罩的中心向外延伸，在炮孔中构造出横向的裂隙。

进一步的，所述非耦合聚能装药结构的长与圆盘型聚能罩直径比不小于3。

进一步的，所述非耦合聚能装药结构与炮孔的非耦合系数范围为1.15-1.4。

进一步的，所述非耦合聚能装药结构设置在药壶底部，所述非耦合聚能装药结构的高度不超过药壶高度的二分之一，增大扩壶直径和径向裂隙，且有效控制爆破沿炮孔壁裂隙向上扩展。

进一步的，所述水介质的高度不超过药壶高度，所述第二填塞结构位于水介质的上方。

进一步的，所述第一填塞结构包括松土，所述松土使用聚乙烯薄膜包裹呈柱状，所述第一填塞结构的长度为20-30cm。

进一步的，所述第二填塞结构使用松土或爆炸药包填塞为20-30cm长度的柱状，

进一步的，所述爆炸药包的重量为50±5g。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明第一次爆破使用非耦合聚能装药结构，在炮孔中构造出横向的裂隙，得到药壶；第二次爆破采用水介质浸没非耦合聚能装药结构，在非耦合装药结构上方，使用松土或爆炸药包作为填塞结构，延长高压爆炸产物和气体作用时间，加大对岩石作用，达到更好的扩壶爆破效果；

本发明非耦合聚能装药结构包括内部设有雷管的外壳，外壳局部在垂直于炮孔深度的方向，向外凸出，形成多个纵向分布的圆盘型聚能罩，圆盘型聚能罩内部填充炸药，当其爆破时，会在岩石中构造出环形的裂缝，使爆炸的冲击波和气体向裂缝方向延伸，避免产生纵向裂缝；且通过构造出的环形裂缝，有利于后续扩壶扩大药壶的体积；

非耦合聚能装药结构设置在药壶底部，所述非耦合聚能装药结构的高度不超过药壶高度的二分之一，增大扩壶直径和径向裂隙，且有效控制爆破沿炮孔壁裂隙向上扩展。

附图说明

图1中，a为第一次扩壶爆破结构示意图，b为第二次扩壶爆破结构示意图，c为第二次扩壶爆破后药壶结构示意图；

图2是本发明实施例提供的装药结构示意图；

图3是非耦合聚能装药结构装药量与药壶空腔直径关系曲线图；

图4是本发明实施例提供的第一次扩壶后效果图；

图5是本发明实施例提供的第二次扩壶后效果图；

图中：10、炮孔；11、药壶；12、水介质；13、药壶上部；20、装药结构；21、外壳；22、圆盘型聚能罩；23、炸药；24、雷管；30、第一填塞结构；31、第二填塞结构。

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。

装药爆炸形成空腔，由于冲击波(或应力波)向外传播时产生的应力大于岩石强度后产生裂隙，到达自由面反射产生反射拉伸波，反射拉伸波超过岩石抗拉强度后在自由面形成震落。传统扩壶时药量与岩性匹配很难掌握，容易造成地表炸裂，炮孔爆塌而失败。

本发明提供一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，包括如下步骤：

首先，使用钻机在硬岩上钻出炮孔；

炮孔底部放置装药结构20，本发明装药结构20使用非耦合聚能装药结构，在非耦合聚能装药结构结构的上方设置第一填塞结构30，进行第一次爆破得到药壶11；

将非耦合聚能装药结构设置在药壶11底部，避免第二次形成的药壶11结构向上延伸，控制第二次形成的药壶11结构向下向外延伸，形成下部大上部小的药壶结构；在药壶11中填充水介质至浸没非耦合聚能装药结构，所述非耦合聚能装药结构的上方设置第二填塞结构31，对药壶11进行后续扩壶爆破。

本发明第一次扩壶的装药结构20采用非耦合柱状聚能装药结构，且在扩壶结构中构造出环形裂缝；第二次扩壶时，装药的药量是第一次扩壶时两倍及以上，水介质浸没装药结构20，且装药结构20的高度不超过药壶11高度的二分之一，第二次扩壶时，使用防水乳化炸药，并使用雷管引爆。

在第一次扩壶时使用第一填塞结构30进行填塞，其中第一填塞结构30包括聚乙烯薄膜以及松土，聚乙烯薄膜将松土包裹呈柱状，第二次扩壶时的的第二填塞结构31采用与第一次扩壶时使用相同的填塞结构30或爆炸药包填塞，其中爆炸药包的药量可选为50g±5g，本实施选用50g。

第一填塞结构30及第二填塞结构31的长度范围为20-30cm。

非耦合聚能装药结构包括内部设有雷管24的外壳21，其中有部分外壳21，在垂直于炮孔10深度的方向，向外凸出，形成多个纵向分布的圆盘型聚能罩22，圆盘型聚能罩22内部填充炸药23。

非耦合柱状聚能装药结构整体呈柱状，当有临空面情况下，装药结构20上端埋深较小时，会破碎孔口岩石，形成可见漏斗，本发明设置非耦合柱状聚能装药结构的长与圆盘型聚能罩直径比不小于3，计算装药结构20埋深。

本发明中非耦合柱状聚能装药结构与炮孔10的非耦合系数为1.15—1.4。

实施例一：

根据C＝Abh³以及扩壶所需药量C₀＝K₀C确定一次扩壶的装药量并进行第一次扩壶；其中，A为土石抗力系数；b为装药作用指数的系数；h为最小抵抗线，单位m；C₀为非耦合聚能装药结构实际所需装药量，单位kg；K₀为扩爆系数；C为非耦合聚能装药结构预计装药量，单位kg。

表1为土石材料抗力系数A值

表1：

表2为扩爆系数K₀表2：

非耦合聚能装药结构实际所需装药量C₀＝9.7kg*0.1＝970g，本发明实施例实际选取时，第一次扩壶时装药量为200g，第二次扩壶时的装药量为700g。

考虑坚硬岩石快速开挖时间要求，实施扩壶爆破，二次扩壶爆破时仅在药壶11的底部采用非耦合聚能装药结构装药。

装药结构20装药的药量受到炮孔10的直径、岩石性质、以及与岩面距离的限制。本实施例中的炮孔10的直径为50mm，非耦合柱状聚能装药结构最大外径取45mm。

中等坚硬的页岩地表不炸裂、炮孔10不爆塌的最大药量理论计算值与分析，按照裂隙区半径计算公式

式中，P为孔壁初始压力，Mpa；r₀为装药半径，m；b为侧向应力系数， μ_d为岩石的动态泊松比，μ_d＝0.8μ，其中μ为岩石静态泊松比；K_d为岩石动态系数，其中石灰岩K_d取12，当岩石静态泊松比0.25，，μ_d＝0.2，b＝0.25，β＝1.75，σ_c为抗压强度，本申请实施例取100MPa，σ_t为抗拉强度，本申请实施例取12MPa，r₀为炮孔半径，r₀＝0.0225m，炸药按TNT计算，得出径向裂隙长度约0.22m。

根据C＝ABh³，对于石灰岩A取1.11，花岗岩取1.34，B取不形成漏斗的0.35，得到200g乳化炸药时，埋深h石灰岩1.136m、花岗岩0.997m。由此初步确定装药结构20离开地表的最小距离为1m。

根据装药结构20离开地表的最小距离，在相应的深度使用不同的扩壶药量进行试爆，得到药壶11药量与药壶11的空腔直径关系，如表3所示：

表3：

第一次扩壶所需药量C/g	100	150	200
				空腔直径/mm	58	68.3	132

观察装药结构20的装药量与药壶11空腔直径的关系曲线如图3所示，可以看出当/>时，药壶11空腔直径斜率较小，空腔直径增大效果不明显；当时空腔直径斜率明显增加，空腔直径增大明显。通过仪器观察空腔内状况发现当装药量为200g时，药壶11处形成网状裂隙，部分岩块脱落，散落壶底，判断200g装药量为孔深1.2m时最大扩壶药量，大于200g时，会出现炮孔10爆塌现象，导致扩壶失败。

因此，本发明首次扩壶装药结构20采用柱状装药，根据柱状装药爆炸后应力场的分布规律，端部裂隙区半径与径向裂隙长度相当。装药结构20的长度取20cm，乳化炸药约200g。

炸药在岩石中爆炸时，扩壶是爆炸应力波和爆生气体共同作用的结果。前者主要作用于孔壁，岩石受冲击波压缩后质点发生径向位移开始向外运动，使装药空腔扩大，同时产生的切向拉应力形成径向裂隙。与冲击波作用同时，爆轰气体也作用在炮孔10周围的孔壁上，在孔壁中形成准静态场，在爆破近区爆轰气体渗入岩石内部裂纹中，以气体驱动的模式扩展裂纹，产生“气楔效应”。所以在扩壶中，主要表现为壶体内表面的碎屑和径向裂隙。

本实施例为了降低径向裂隙的发展，第一次扩壶结构如图1中的a所示，装药结构20采用如图2所示结构，为非耦合柱状聚能装药结构，该结构呈柱状，其长径比大于等于3，且设置非耦合柱状聚能装药结构与炮孔10的非耦合系数为1.15—1.4。

在非耦合装药结构爆破时，能量以空气为介质，从爆源向岩石传递的过程中，会有一定的损失消耗，可降低爆破产生的纵向裂缝，控制装药结构达到预期爆破效果。

圆盘型聚能罩22内的炸药23被雷管24引爆时，会在环形凹槽的方向产生射流，在岩石中构造出环形的裂缝，通过构造出环形裂缝的方式，使爆炸的冲击波和气体向裂缝方向延伸，有效避免产生纵向裂缝；且通过构造出的环形裂缝，有利于二次扩壶时扩大药壶11的体积。

可实施的，多个圆盘型聚能罩22可以设置成在纵向方向堆叠，根据实际的药壶长度选取合适数量的圆盘型聚能罩22。

爆炸生成气体同样对爆腔有一定的扩胀作用，故在爆破的中远区，由爆腔的扩胀和宏观裂隙扩展所产生的膨胀应力波，对爆破中远区由爆炸冲击波所形的微裂纹有进一步的扩展作用，消耗着爆炸生成气体的能量。而且在爆破近区气体会渗入岩石内部的裂纹中，裂纹的扩展以气体驱动下的模式扩展。而在爆破中远区的微裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力作用下发生的，岩石中的微裂纹将在该静态压力场作用下产生二次扩展，使岩石损伤加剧。

为了防止能量从炮孔10中泄出，造成冲孔，在第一次扩壶时，在装药结构20的上方设置第一填塞结构30。第一填塞结构30包括聚乙烯薄膜以及松土，其中，聚乙烯薄膜将松土包裹呈柱状，第一填塞结构30的长度为20-30cm。松土可达到好的填塞效果，且不会造成岩石压缩、破裂和震动，本发明在装药结构20的上方设置第一填塞结构30，加大对岩石作用，增大扩壶效果。

第一次扩壶后的后续扩壶原理主要是：炸药爆炸后的冲击波对紧贴装药岩石的压缩破碎和爆生气体对前次扩爆裂隙的加宽伸长，虽然后续扩壶药量较首次药量加大，由于冲击波的衰减迅速对岩石进一步压碎效果不佳，首次爆破产生的硬岩径向和环向裂隙减少了冲击波(或应力波)向四周传递范围，对硬岩环向裂隙扩展作用也会受到限制。

实施例二：

第二次扩壶结构如图1中的b所示，石灰岩中乳化炸药首次扩壶空腔与孔径比约1.7左右，扩后直径约75mm，长度30cm，可装乳化炸药约1500g。本发明将装药紧贴药壶11的壶底设置，装药的药量取700g。

装药结构如图2所示，选用在药壶11下半部装药，第二次扩壶时，水介质12浸没装药结构20，且装药结构20的高度不超过药壶11高度的二分之一，药壶上部13形成空气耦合，因此第二次药壶11结构对上方岩石属于不耦合装药，对下半部属于耦合装药。

从图1中的c以及图5可知，第二次扩壶爆炸，有效增大扩壶的直径和径向裂隙，图1中的c与b相比，爆破之后的药壶11的体积明显增加。由于装药不接触壶体上部13，可以有效控制沿孔壁裂隙的扩展，即爆破底部扩宽扩深，形成葫芦型的药壶结构，相比于现有技术可减少扩壶爆破的次数，增加装药体积。

本发明通过水介质12填充药壶11可增加爆破冲击波传递效果，对于已形成的横向裂缝有扩展和压碎效果，进一步的提高扩壶体积，扩壶效果优于空气耦合装药，药壶11的空腔直径增大约1.3倍。

本实施例中，首次扩壶后的第二填塞结构31采用50g的爆炸药包。

实施例三

根据二次扩壶的效果确定是否进行第三次扩壶，同样是在药壶11的下半部装药。

以上实施例中，在岩石地段扩壶时，应先用风管吹出孔内石粉，多次扩爆时，下一次扩爆需要待药壶11冷却至壶内温度低于40℃进行，且本发明由于第二次扩壶添加水介质12，可有效减少冷却时间。

可实施的，在实施过程中扩爆后若炮孔10被堵塞，应将其再次钻通。

以上实施例中，还可以在岩石地段进行钻孔时，对药壶11的底部预留一段空腔，用于收集扩壶爆破后的碎渣，方便后期在扩壶结构中装填炸药时可填充更多的炸药量。

综合以上实施例，本发明第一次爆破采用非耦合聚能装药结构进行第一次爆破得到药壶11，后续将非耦合聚能装药结构设置在药壶11中，上层形成非耦合装药结构，有利于增大药壶11直径和径向裂隙，同时由于非耦合聚能装药结构不接触药壶上部13，可以有效控制沿孔壁裂隙向上的扩展。药壶11中填充水介质12至浸没非耦合聚能装药结构，非耦合聚能装药结构的上方设置第二填塞结构31，对药壶11进行后续扩壶爆破，延长高压爆炸产物和气体作用时间和加大对岩石作用，达到更好的扩壶效果。

本发明设置圆盘型聚能罩22，当圆盘型聚能罩22爆破，会在岩石中构造出环形的裂缝，通过构造出环形裂缝的方式，使爆炸的冲击波和气体向裂缝方向延伸，避免产生纵向裂缝，且通过构造出的环形裂缝，有利于二次扩壶的扩大药壶的体积。

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 (7)

1.一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用钻机在硬岩上钻出炮孔；

炮孔底部放置非耦合聚能装药结构，在非耦合聚能装药结构的上方设置第一填塞结构，进行第一次爆破得到药壶；

将非耦合聚能装药结构设置在药壶底部，所述非耦合聚能装药结构的高度不超过药壶高度的二分之一，所述药壶中填充水介质至浸没非耦合聚能装药结构，所述水介质的高度不超过药壶高度，所述非耦合聚能装药结构的上方设置第二填塞结构，对药壶进行若干次后续扩壶爆破，所述第二填塞结构位于水介质的上方；

所述非耦合聚能装药结构包括内部设有雷管的外壳，所述外壳局部在垂直于炮孔深度的方向向外凸出，形成多个纵向分布的圆盘型聚能罩，所述圆盘型聚能罩内部填充炸药；

所述后续扩壶爆破中非耦合聚能装药结构实际所需装药量，以第一次爆破非耦合聚能装药结构实际所需装药量为基准，逐次增加不少于一倍。

2.根据权利要求1所述的一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，所述非耦合聚能装药结构的装药量根据公式及/>确定，其中，A为土石抗力系数；b为装药作用指数的系数；h为最小抵抗线，单位m；C为非耦合聚能装药结构预计装药量，单位kg；/>为非耦合聚能装药结构实际所需装药量，单位kg；/>为扩爆系数。

3.根据权利要求1所述的一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，所述非耦合聚能装药结构的长与圆盘型聚能罩直径比不小于3。

4.根据权利要求1所述的一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，所述非耦合聚能装药结构与炮孔的非耦合系数范围为1.15-1.4。

5.根据权利要求1所述的一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，所述第一填塞结构包括松土，所述松土使用聚乙烯薄膜包裹呈柱状，所述第一填塞结构的长度为20-30cm。

6.根据权利要求1所述的一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，所述第二填塞结构使用松土或爆炸药包填塞为20-30cm长度的柱状结构。

7.根据权利要求6所述的一种硬岩浅层环向聚能装药爆破扩壶方法，其特征在于，所述爆炸药包的重量为50±5g。