CN115218725B - 自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置及爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置及爆破方法，该切缝药包包括药包、齿块、锯齿环、弧形外壳套和切缝管，药包上下两端固定锯齿环，上下两端的锯齿环外周圈啮合有多对相对设置的齿块，上下两端相对的齿块之间固定切缝管，弧形外壳套包裹在齿块和切缝管的外周圈并固定于上下两端的锯齿环上，形成一体化的切缝药包结构，相邻切缝管之间的缝隙，以及弧形外壳套之间的缝隙均为切缝口。本发明解决现有切缝管采用对称双切槽形式，无法灵活调整每个切缝角度的问题，以解决隧道开挖过程中的定向断裂问题。

Description

自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置及爆破方法

技术领域

本发明涉及爆破工程技术领域，具体为一种自主控制隧道岩体爆破能量释放的可调节切缝药包及其爆破方法。

背景技术

在隧道掘进爆破施工过程中，为使岩体爆破开挖后炮孔之间形成平整贯通裂缝，合理控制岩体的损伤程度，常利用切缝药包对爆破时药包释放出的能量进行聚能控制，使能量沿着切缝槽方向定向释放，以此达到定向断裂的效果，获得较好的爆破轮廓，改善超欠挖。

切缝药包是指在药包外包裹一层带有预制切缝槽的外壳，炸药起爆后，由于外壳有缺口，爆破所产生的能量在外壳缺口处方向上没有任何约束，爆生气体也会立即向切缝方向运动，使能量沿着切缝立即释放，会在切缝方向上产生一个聚能射流，致切缝处的孔壁岩石最先受到爆炸能量的冲击，产生尖劈作用，形成初始定向裂纹，在未设有切缝的方向上，由于受到外壳的限制而发生反射与透射现象并减缓了爆生气体作用于孔壁的时间，形成切缝附近岩石的应力集中与剪应力差，从而使切缝方向上孔壁受剪应力作用，加强切缝方向围岩的破坏，以此来控制爆炸能量的作用方向和强度，形成了爆炸能量的加强区和减弱区，进而控制岩石裂纹的产生和发展，最终在特定方向上形成断裂，完成相邻炮孔的贯通，提高爆破效果。

传统的切缝管常常采用对称双切槽形式，但是由于周边孔位置往往是分布在弧形的轮廓分布线上，导致每个炮孔对定向断裂方向的要求都具有细微的差异性，如爆破面墙角两侧的炮孔仅需要向上方和侧方向形成定向裂隙即可，而现存在的切缝技术切缝位置对称固定，无法灵活调整每个切缝的角度，常常会导致其它方向形成径直裂缝，造成周边围岩损伤，而底板孔与一些特殊孔常常需要多方向切缝，双切缝也不能满足其要求。

发明内容

发明目的：本发明提供自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置及爆破方法，其目的在于解决现有切缝管采用对称双切槽形式，无法灵活调整每个切缝角度的问题，本装置以解决隧道开挖过程中的定向断裂问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置，该切缝药包包括药包、齿块、锯齿环、弧形外壳套和切缝管，药包上下两端固定锯齿环，上下两端的锯齿环外周圈啮合有多对相对设置的齿块，上下两端相对的齿块之间固定切缝管，弧形外壳套包裹在齿块和切缝管的外周圈并固定于上下两端的锯齿环上，形成一体化的切缝药包结构，相邻切缝管之间的缝隙，以及弧形外壳套之间的缝隙均为切缝口。

进一步的，齿块、切缝管和弧形外壳套的弧形圆心角度数均为60度。

进一步的，齿块的数量为8块，切缝管的数量为4个，弧形外壳套的数量为4个。

进一步的，锯齿环为圆柱状结构，其外径与药包直径相同，锯齿环外壁均匀布有直角凹槽的锯齿结构，锯齿环中轴线处开设有内螺纹孔，锯齿环远离药包的端部设置有卡环结构，在卡环外周圈的四个方向均匀开设有四个槽孔，每个槽孔中设置1个复位弹性件，所述复位弹性件为月牙形复位弹簧。

进一步的，弧形外壳套为一段弧形板的两端垂直方向一体设置有扇形板的结构，两端的扇形板均固定于对应的锯齿环圆心处。

一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置的爆破方法，步骤为：

步骤一、利用绘图软件确定每个炮孔所需要的切缝角度，首先由绘图软件绘制出爆破面的炮孔分布图，在分布图中连接相邻周边孔圆心，连接线方向为所需的切缝口方向，从而确定每个炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度；

步骤二、根据步骤一中确定的每个炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度，对应调节切缝药包的齿块和弧形外壳套，使相邻切缝管或者相邻弧形外壳套之间的切缝口满足对应炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度，之后将切缝药包放入到对应的炮孔内；

步骤三、使用炮泥对炮孔口进行密封堵塞，依次引爆药包，以此完成爆破工作。

进一步的，切缝宽度的计算公式为：

式中，𝐵为切缝管的切缝口宽度；𝜎_t为岩石的抗拉强度；𝑘为比例因子；p_c为炸药爆轰压力。

与现有技术相比，本发明结构设置合理，功能性强，具有以下优点：

1、安装锯齿环与齿块构成啮合联动，在对炮孔装药后，可根据不同炮孔对断裂方向的不同要求，自由扭动齿块，以此对切缝管聚能方向进行灵活调整。

2、在齿块外包裹一层同尺寸的可转动的弧形外壳套，利用齿块与外壳套的扭转配合来自由的调整切缝数量与切缝宽度，以满足实际工程需求。

附图说明

图1为切缝管结构整体图；

图2为药包顶端的锯齿环图；

图3为可滑动齿块图；

图4为可转动的弧形外壳套图；

图5为齿块与锯齿环局部啮合图；

图6为双切缝时齿块与外壳套分布图；

图7为三切缝时齿块与外壳套分布图；

图8为药包安装后掌子面整体及局部炮孔图；

图9为普通切缝药包爆破时应力云图；

图10为新型切缝结构调整切缝口后爆破时的应力云图；

图11为普通切缝药包爆破时裂隙扩展图；

图12为新型切缝结构调整切缝口后爆破时的裂隙扩展图。

图中标注：1、药包，2、齿块，21、第一齿块，22、第二齿块，23、第三齿块，24、第四齿块，3、锯齿环，31、复位弹性件，32、内螺纹孔，33、卡环，4、固定螺栓，5、锯齿，6、弧形外壳套，61、第一外壳套，62、第二外壳套，63、第三外壳套，64、第四外壳套，65、预制圆孔，7、切缝管，81、周边孔，82、内部间隙，83、第一切缝口，84、第二切缝口。

具体实施方式

以下结合说明书附图跟详细的说明本发明。

本发明提供了一种应用于光面爆破的新型切缝药包结构，其中包括轴向放置在岩石炮孔中的药包，沿所述药包外周壁上设有切缝管形成的纵向切缝口，切缝管外再包裹一层同尺寸的可转动弧形外壳套，利用齿块与外壳套的扭转配合来灵活调节切缝方向与数量。

根据岩石爆炸时裂纹的产生机理，由于岩石属于脆性介质，所以当药包爆炸后，会产生两种破坏状态，第一种破坏是由于环向拉伸应力所引起的拉伸破坏，而第二种则是由于径向的切应力作用而形成的剪断破坏。未安装切缝管的普通药包起爆后，爆轰波由内向外传播，冲击压缩炮孔内空气，使之形成冲击波，随后爆炸冲击波再次向外传播抵达至炮孔壁，从而周围岩石在炸药爆炸作用下呈均匀性的破坏，同时由于气体膨胀对岩石做功，导致围岩产生不同程度的径向位移，在岩石中形成剪切应力，当剪切应力大于岩石的抗剪强度，周边围岩便会产生损伤，由于普通药包爆破时对能量没有约束作用，使得炮孔内壁各方向受力相同，从而使炮孔壁各方向围岩产生相似损伤破坏。

安装切缝管的药包起爆后，由于切缝管的切缝口结构，在切缝方向爆轰产物不受切缝管阻碍，直接作用于空气，形成高速、高压气体射流，气体射流作用于切缝方向孔壁，使得此处围岩受到拉伸应力作用，拉伸应力的值大于岩石的动态抗拉强度，导致岩体发生拉伸破坏，在孔壁形成初始裂缝，随着能量进一步释放，所产生的爆生气体继续沿着初始裂纹进一步的扩展，岩石的损伤范围也逐渐增大。同时在非切缝方向，切缝管阻碍爆轰产物向外传播，爆破能量向切缝方向运动，导致切缝方向上能量集中，进一步加强切缝方向围岩的破坏作用，也使得非切缝方向上能量分散，对此方向上的围岩造成的损伤减小，保护了非切缝方向的岩石孔壁，使定向控制爆破的效果更加明显。

一种自主控制隧道岩体爆破能量释放的可调节切缝药包，如图1所示，结构整体构造分别由药包1、齿块2、锯齿环3、弧形外壳套6和切缝管7组成，药包1为PVC塑料管内设置一个圆柱体雷管（炸药）的圆柱状结构，其上下两端固定有锯齿环3，上下两端的锯齿环3外周圈啮合有4对齿块2，分别为结构相同的一对第一齿块21、一对第二齿块22、一对第三齿块23和一对第四齿块24，将4片弧形切缝管7与上下两端的锯齿环3上啮合的一对齿块2粘接为一体并将其包裹在药包1外壁，4片弧形外壳套6包裹在4个齿块2与切缝管7的外周圈并固定于上下两端的锯齿环3上，形成一体化的切缝药包结构。包裹在药包1外的相邻切缝管7之间形成纵向切缝，四片切缝管7与对应的一对齿块2相连，使其成为一个整体，随着齿块2与齿轮环3的啮合联动来调节药包1外的切缝管7，切缝管7材料选用厚度为0.1cm的PVC塑料管。相邻切缝管7之间的缝隙，以及弧形外壳套6之间的缝隙均为切缝口。

图2为锯齿环3详图，锯齿环3为圆柱状结构，其外径与药包1直径相同，圆柱外壁均匀布有直角凹槽的锯齿5结构，圆柱中轴线处开设有内螺纹孔32，锯齿环3远离药包1的端部设置有卡环33结构，在卡环33外周圈的四个方向均匀开设有四个槽孔，每个槽孔中设置1个复位弹性件31，所述复位弹性件31为月牙形复位弹簧，齿块2可顺时针转动，逆时针转动时复位弹性件31将卡在锯齿环3外周的锯齿5凹槽内，以此来辅助调整切缝口角度。

图4为弧形外壳套6结构详图，弧形外壳套6为一段弧形板的两端一体设置有扇形板的结构，两端的扇形板均固定于对应的锯齿环3圆心处。此结构覆盖于齿块2与切缝管7上并与齿块2弧形尺寸相等，其弧形弧心角度数均为60度，弧心角大小直接影响弧形外壳套6与切缝管7的外径尺寸大小，过小将导致在扭动调整过程中，弧形外壳套6、切缝管7两结构在非切缝口方向错开，形成不闭合结构，使结构功能失效，尺寸过大时，弧形外壳套6或切缝管7中四片独立结构扭动时互相干扰，难以灵活扭动调节，可调节的切缝角度受限，综合考虑，弧形外壳套6与切缝管7采用60度弧心角时，可调整组合出更广泛的切缝角度，实际弧形外壳套6的弧形板纵向长度与药包1长度相同，在外壳套6扇形圆心位置设置预制圆孔65，螺栓穿过预制圆孔65拧进内螺纹孔32，使四个独立的扇形外壳套6均可以锯齿环3圆心为基点可独立自主转动，四个独立的扇形外壳套6分别为第一外壳套61、第二外壳套62与第三外壳套63、第四外壳套64，在控制切缝数量时可以扭动齿块2外的弧形外壳套6，相互接触使各个弧形结构闭合，与齿块2配合形成几个部分契合的半圆形整体，以此调控切缝数量，也可以根据实际工程需求自主调整切缝宽度。弧形外壳套6材料选用厚度为0.1cm的PVC塑料管。

固定螺栓5穿过弧形外壳套6上设置的预制圆孔65与内螺纹32固定连接，将弧形外壳套6以锯齿环3圆心为基点包裹在切缝管7外，并可以以固定点为圆心转动，将锯齿环3整体固定在药包1顶端和底端，在上下两个锯齿环3外设置四个与其适配的弧形齿块2结构，其弧形弧心角度数为60度，上下两端弧形齿块2与切缝管7粘接为一体并与药包1长度相等，圆弧凹面与药包1表面紧密贴合，将药包1固定包裹其中，形成切缝药包。且所述弧形齿块2上下两端与对应的锯齿环3啮合，构成啮合联动，详见图5为齿块2与锯齿环3局部啮合图，4个独立的齿块2结构均可独立自由滑动，锯齿环3外设有复位弹性件31与卡环33，使得齿轮在滑动到合适位置上时卡主，增加切缝管结构的整体稳定性。

图8为药包1安装后掌子面整体及局部炮孔图，切缝药包放置于周边孔81内，所述周边孔81主要作用为控制隧道断面的成形轮廓，采用不耦合装药方式，为一种药包直径小于炮孔直径的装药方式，在周边孔81内壁与药包1之间形成内部间隙82，根据实际工程需求将此切缝管结构扭转出第一切缝口83和第二切缝口84，爆炸过程中，爆轰波首先通过第一切缝口83和第二切缝口84附近的空气介质传播到孔壁岩石中，爆轰初始阶段时，内部间隙82中的气体将部分能量储存起来，削弱了作用于炮孔的初始压力峰值，而后由于受压将能量从气体中释放，以此延长了爆轰气体产物作用的时间，改善爆破效果。

一种自主控制隧道岩体爆破能量释放的可调节切缝药包的装配方法：

步骤一、采用直径与药包1内径相同的PVC塑料管进行切缝处理得到切缝管7，以便于PVC塑料管能够包裹药包1，成为一体，药包1不会轻易从PVC塑料管中滑出，切缝管7为将完整的塑料管切割得到的4个弧心角为60度的弧形结构，弧形结构分别与上下两端的齿块2粘接，即4个弧形结构分别与一对第一齿块21、一对第二齿块22、一对第三齿块23和一对第四齿块24的粘合，相邻切缝管7之间产生的缝隙即为切缝口，不同切缝口的宽度可以通过第一齿块21、第二齿块22、第三齿块23和第四齿块24的调节实现；

步骤二、利用PVC塑料管制作与齿块2弧心角度数相同的弧形外壳套6，将固定螺栓5穿过预制圆孔65拧紧，使弧形外壳套6上下两端的扇形板固定在齿轮环3中心的内螺纹孔32内，使弧形外壳套6包裹在齿块2表面，以固定螺栓5为基点可进行自由转动。

一种自主控制隧道岩体爆破能量释放的可调节切缝药包的爆破方法：

步骤一、利用CAD绘图软件确定每个炮孔所需要的切缝角度，首先由CAD绘制出爆破面的炮孔分布图，在分布图中连接相邻周边孔圆心，连接线方向即为所需的切缝口方向，从而确定每个炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度；

步骤二、根据步骤一中确定的每个炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度，对应调节切缝药包的齿块2和弧形外壳套6，使相邻切缝管7或者相邻弧形外壳套6之间的切缝口满足对应炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度，以便于快速调整出适合每一个炮孔的切缝药包；之后将切缝药包放入到对应的炮孔内；

纵向切缝宽度选取为0.5cm～1cm，纵向切缝长度与药包长度一致。

其中合理切缝宽度应为：

式中𝐵为切缝管的切缝口宽度；𝜎_t为岩石的抗拉强度；𝑘为比例因子，与岩石和炸药性质及炮孔半径有关；p_c为炸药爆轰压力。

但对于膨胀系数较大的柔性切缝外壳而言，考虑到爆生气体作用到孔壁前会先引起柔性外壳切缝处的膨胀，因此其切缝宽度的取值宜稍小于𝐵。

具体扭转调节方法：

通过调整第一齿块21、第二齿块22与第三齿块23和第四齿块24，以及第一外壳套61、第二外壳套62、第三外壳套63和第四外壳套64得到所需数量的切缝以及所需的切缝宽度与切缝角度；

双切缝结构时如图6所示，分别转动第一齿块21、第二齿块22与第三齿块23、第四齿块24至首尾相接，在不需要切缝的方向上闭合，使其连接成两个独立的整体，接下来扭动覆盖在齿块2上的弧形外壳套6，可手动调节切缝宽度与切缝角度，直至符合步骤三所测得的切缝角度。

三切缝结构时如图7所示，转动第一齿块21与第四齿块24使之闭合，分别转动第一外壳套61、第二外壳套62与第三外壳套63、第四外壳套64，在左右形成切缝，转动第二齿块22与第三齿块23，在上方形成切缝，以此形成三切缝。

同理参照上述方法，可依次扭转出单切缝结构与四切缝结构以满足实际工程需要。

步骤三、使用炮泥对炮孔口进行密封堵塞，避免爆炸过程中爆生气体泄漏，将药包1的起爆针外端连接导线，导线贯穿药包1后，使两组导线缠绕在一起与爆炸启动器连接，根据设置的延迟时间依次引爆药包1内部的雷管，以此完成爆破工作。

对本发明提出的切缝药包进行数值模拟，数值模型采用ANSYS进行建模，采用LS-DYNA Solver进行求解运算，使用LS-PrePost软件进行后处理，数值模拟中所有参数均统一使用cm-g-μs单位制。

如图8所示，选择爆破面左侧墙角处炮孔进行模拟，此炮孔对聚能方向的要求为上方和左侧，而传统的切缝管切缝口对称，无法自由调节切缝方向以满足实际聚能要求，安装过程中只能水平或垂直放置，以此满足一侧聚能方向要求，而另一侧则在爆破过程中容易对轮廓线之外岩石造成损伤，影响爆破后掌子面整体轮廓，对后续工程进度产生影响，利用本发明的切缝药包，根据扭转调节方法，调整至图8方向所示，第一切缝口83和第二切缝口84分别为两切缝口方向，分别调整至上方与左侧，以满足实际工程需求，如图9、10分别为普通切缝药包与经过调整的新型切缝药包爆破时的应力云图，爆炸能量首先从切缝口向外释放，可看出爆破瞬间切缝口附近应力明显增大，本发明提出的新型切缝结构经过切缝口角度调整后，爆破应力聚集在炮孔的上方与左侧，聚能效果与普通切缝药包效果相同，但可在普通切缝药包基础上可自由调节聚能方向，凸显了本结构优势，进一步满足了工程需求。

图11、12分别为普通切缝药包与经过调整的新型切缝药包爆破时裂隙扩展图，裂隙的初始萌发主要是粉碎区边界上的岩石遭到了强烈的径向压缩和切向拉伸，尤其是切向拉伸是导致岩体裂隙形成的主导原因，产生的爆生气体在裂隙中产生气楔作用，从而促使裂隙不断径向扩展与岩体抛出，通过对两种不同切缝药包爆破后炮孔周边损伤及裂隙扩展情况可明显看出，本发明提出的新型切缝管结构对定向断裂方向的改变效果显著，裂隙顺着上方与左侧两个切缝方向分别向外延伸，形成主裂隙，裂隙长度约为炮孔直径的38.77倍，在非切缝方向，部分能量作用于切缝管，减小爆破对非切缝方向岩石损伤程度，产生的次生裂隙平均为炮孔直径的12.74倍，虽然伴随部分次生裂隙产生，但切缝方向的损伤范围明显大于非切缝方向，定向控制爆破效果明显。

本发明提供的一种可自主调节切缝方向与数量的切缝管结构，以此提高定向断裂技术的精准性，优化爆破轮廓，使爆破后所产生合适的碎裂块度，便于爆破能量的合理利用与后期的清理工作，以满足实际工程需求。

Claims (7)

1.一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置，其特征在于：该切缝药包装置包括药包（1）、齿块（2）、锯齿环（3）、弧形外壳套（6）和切缝管（7），药包（1）上下两端固定锯齿环（3），上下两端的锯齿环（3）外周圈啮合有多对相对设置的齿块（2），上下两端相对的齿块（2）之间固定切缝管（7），弧形外壳套（6）包裹在齿块（2）和切缝管（7）的外周圈并固定于上下两端的锯齿环（3）上，形成一体化的切缝药包结构，相邻切缝管（7）之间的缝隙，以及弧形外壳套（6）之间的缝隙均为切缝口。

2.根据权利要求1所述的一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置，其特征在于：齿块（2）、切缝管（7）和弧形外壳套（6）的弧形圆心角度数均为60度。

3.根据权利要求2所述的一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置，其特征在于：齿块（2）的数量为8块，切缝管（7）的数量为4个，弧形外壳套（6）的数量为4个。

4.根据权利要求1所述的一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置，其特征在于：锯齿环（3）为圆柱状结构，其外径与药包（1）直径相同，锯齿环（3）外壁均匀布有直角凹槽的锯齿（5）结构，锯齿环（3）中轴线处开设有内螺纹孔（32），锯齿环（3）远离药包（1）的端部设置有卡环（33）结构，在卡环（33）外周圈的四个方向均匀开设有四个槽孔，每个槽孔中设置1个复位弹性件（31），所述复位弹性件（31）为月牙形复位弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置，其特征在于：弧形外壳套（6）为一段弧形板的两端垂直方向一体设置有扇形板的结构，两端的扇形板均固定于对应的锯齿环（3）圆心处。

6.一种如权利要求1所述的自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置的爆破方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、利用绘图软件确定每个炮孔所需要的切缝角度，首先由绘图软件绘制出爆破面的炮孔分布图，在分布图中连接相邻周边孔圆心，连接线方向为所需的切缝口方向，从而确定每个炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度；

步骤二、根据步骤一中确定的每个炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度，对应调节切缝药包的齿块（2）和弧形外壳套（6），使相邻切缝管（7）或者相邻弧形外壳套（6）之间的切缝口满足对应炮孔所需爆破的切缝数量、切缝宽度与切缝角度，之后将切缝药包放入到对应的炮孔内；

步骤三、使用炮泥对炮孔口进行密封堵塞，依次引爆药包（1），以此完成爆破工作。

7.根据权利要求6所述的自主控制隧道爆破能量释放的切缝药包装置的爆破方法，其特征在于，切缝宽度的计算公式为：

式中，𝐵为切缝管的切缝口宽度；𝜎_t为岩石的抗拉强度；𝑘为比例因子；p_c为炸药爆轰压力。