楊仁樹曹文俊，2高祥濤

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區(qū)，102471）

不同結構切縫藥包爆炸效應試驗研究*

楊仁樹1曹文俊1，2高祥濤1

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區(qū)，102471）

礦山掘進中，合理的切縫藥包結構參數(shù)對定向斷裂爆破技術有非常重要的作用。介紹了開展鉛柱中切縫藥包爆破試驗，運用正交設計法對切縫管材質、壁厚、切縫寬度、切縫長度以及切縫藥包在炮孔中的不耦合系數(shù)進行優(yōu)化，確定切縫管工業(yè)化生產(chǎn)合理的結構參數(shù)，并通過殉爆測試驗證了切縫方向的定向效果?，F(xiàn)場試驗表明，切縫藥包定向斷裂效果顯著，巷道周邊爆破的半眼痕率都在90%以上，大幅度減少超挖現(xiàn)象，提高了掘進速度。

定向爆破 切縫藥包 藥包結構 不耦合系數(shù) 爆炸效應

目前，我國巖巷掘進施工中鉆爆法仍然是主要的施工方法。巖巷周邊廣泛采用光面爆破技術，但由于光面爆破機理和光面爆破參數(shù)尚不能有效地指導實踐，加之光爆材料、光爆技術等因素的限制，至今仍普遍存在超挖、欠挖，圍巖松動破壞嚴重的現(xiàn)象，特別在軟巖掘進中尤為突出。

早在20世紀70年代就提出使用軸向切縫的管狀藥包在巖體中形成定向裂縫的方法。楊永琦等認為，不耦合系數(shù)k的合理取值范圍為1.33＜k＜1.7，當不耦合值一定時應變峰值隨比例距離增加而衰減。張志呈等分析了圓形炮孔爆破的成縫機理，得出在耦合裝藥條件下，爆生氣體使裂紋增長2～6倍可達到炮孔半徑的10～20倍。李彥濤認為，在切縫處會產(chǎn)生強應力集中，應力強度因子最大，在相同條件下切縫藥包爆破可增大炮孔間距和提高孔痕率。張奇等研究得出在外殼厚度等條件一定的情況下，當外殼外徑為32 mm，切縫寬4 mm時爆破效果最佳。王樹仁等指出，影響裂紋定向擴展的主要參數(shù)是切縫寬度和外殼厚度，得出了切縫寬度對裂縫長度和寬度的影響規(guī)律。戴俊、高全臣、付永春等也對切縫寬度和切縫外殼厚度做了大量的研究工作。

切縫藥包定向斷裂爆破效果顯著，合理的切縫藥包結構參數(shù)起了非常重要的作用，目前可以查閱到很多切縫管結構參數(shù)的研究文獻，但是不夠系統(tǒng)。本文運用正交設計法對切縫管結構參數(shù)進行優(yōu)化，開展切縫藥包鉛柱中爆破試驗，根據(jù)試驗結果的極差分析影響切縫藥包爆破的主要因素，找出切縫管工業(yè)化生產(chǎn)合理的結構參數(shù)。

1　切縫藥包結構參數(shù)正交試驗

正交試驗設計法是統(tǒng)計數(shù)學的重要分支，充分利用標準化的正交表來安排試驗方案，并對試驗結果進行分析，最終達到減少試驗次數(shù)，縮短試驗周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學計算方法。切縫藥包影響因子從兩個方面考慮，一是切縫藥包本身的結構，包括切縫管材質、壁厚、切縫寬度以及切縫長度；二是切縫藥包在炮孔中的不耦合系數(shù)。具體切縫藥包影響因子及水平見表1。

表1　切縫藥包影響因子及水平

表1列有5因素4水平，選擇L16（45）正交表。切縫寬度選用2 mm、3 mm、4 mm和5 mm；壁厚選用1 mm、2 mm、2.5 mm和3 mm；切縫長度選用200 mm、180 mm、150 mm和100 mm；材質選用PP材料、鐵管、PVC材料、紙質4種材質；不耦合系數(shù)選用1、1.5、1.75、2。具體切縫藥包正交表如表2所示。

表2　不同結構切縫藥包試驗設置

表2每一個橫行代表一個試驗方案，共16組試驗。共定制32個鉛柱，選擇鉛柱的原因是鉛材質各向均一，爆炸波在鉛柱中傳播規(guī)律性強，能夠如實反映不同結構切縫藥包的爆炸效果。不同材質、切縫寬度、壁厚、切縫長度的切縫管和鉛柱如圖1所示。鉛柱尺寸為?250 mm×320 mm。每個試驗所用藥包遵從正交表尺寸要求制作。將切縫藥包放置于鉛柱炮孔中，為確保軸向不耦合，在藥包徑向套一個環(huán)形硬紙殼以固定切縫藥包在炮孔中的位置。每個藥包用一發(fā)8號雷管起爆，每個炮孔用細砂加502膠水進行堵塞密實。為防止堵塞的細砂填充炮孔壁的不耦合空間，在藥包頂端加一個中間開有6 mm圓孔的圓形紙板。

圖1　正交試驗設計用切縫藥包與鉛柱

2　正交試驗結果與分析

鉛柱中切縫藥包爆破試驗后結果見圖2。

圖2　鉛柱爆后剖面圖

檢驗炸藥作功能力的一個標準方法就是鉛柱擴孔法，炸藥置鉛柱炮孔內(nèi)，爆后用水填充其膨脹體積，用此參數(shù)來衡量炸藥作功能力。由于方案中隨不耦合系數(shù)變化，各鉛柱炮孔直徑預制的大小不同，用填充水含量來衡量切縫處的做功能力不具有可比性。因此需定義一個比例因子衡量切縫藥包做功能力，比例因子的計算如下:

式中:δ——比例因子；

a——爆后切縫方向鉛柱外徑，mm；

b——爆后垂直切縫方向鉛柱外徑，mm。

鉛柱爆破試驗結果以衡量切縫藥包切縫方向做功能力的比例因子為考察指標。切縫藥包爆破后，用游標卡尺量取a和b的值，由式（1）得到δ填入正交表中。

切縫寬度、壁厚、切縫長度、切縫管材質和不耦合系數(shù)各因數(shù)對爆破效果的影響試驗結果，如圖3所示。

圖3（a）顯示切縫寬度并不是越大越好，存在一個極限值，當超過此極限值，爆破效果反而下降。

圖3（b）顯示切縫管壁厚對爆破效果呈遞增趨勢，壁厚越大，爆破效果越好，壁厚從1 mm向2.5 mm變化過程中，爆破效果變化明顯，當壁厚繼續(xù)增大時，δ值增幅趨緩。

圖3（c）為切縫長度對爆破效果的影響，在所研究的各因素中，為影響因素最小的。這有可能是由于切縫藥包在爆炸的瞬間，高爆轟壓力在切縫處產(chǎn)生的高應力集中對軸向切縫快速擴展?？赡芘c炸藥爆速有密切關系，爆速越高，切縫長度影響越小，因為爆速決定了炸藥的猛度，高爆速對切縫管切縫處的局部破壞能力強，切縫長度的影響就小。

圖3（d）為切縫管材質對爆破效果的影響，這是影響切縫藥包爆破效果最主要的影響因素，圖中顯示，鐵管爆破效果最好，紙管爆破效果最差，PP和PVC材質對爆破效果影響大抵相當。鐵管約束能力強，鐵管的特征阻抗大于炸藥的特征阻抗，在切縫處產(chǎn)生的應力集中程度強，同時鐵管能夠穩(wěn)定爆轟波的傳播，阻礙側向稀疏波對軸向爆轟波傳爆的削弱，提高了切縫藥包的爆轟速度，從而增大了切縫處的爆轟壓力。鐵管還能夠對爆生氣體的徑向膨脹起到一定的限制作用，使得爆生氣體在裝藥空間內(nèi)保留的時間相對延長，從而延長了爆生氣體對孔壁的作用時間。

圖3（e）為不耦合系數(shù)對爆破效果的影響，完全耦合裝藥條件下，無論切縫管結構如何變化，由于爆生氣體在切縫處沒有足夠的空間和時間對炮孔壁優(yōu)先作用，定向爆破效果不甚明顯，隨著不耦合系數(shù)的增大，定向爆破效果顯著。

圖3　切縫藥包各參數(shù)效應曲線圖

由圖3可以看出，各影響因素中使得比例因子值最大的為最優(yōu)，因此最佳方案應為A3B4C1D2E4，也就是切縫寬度為4 mm，壁厚為3 mm，材質為鐵管，切縫長度為200 mm時，在不耦合系數(shù)為2.0的條件下，定向斷裂爆破效果最佳。這個參數(shù)可以作為工業(yè)化生產(chǎn)合理的結構參數(shù)，但綜合考慮各方面的因素，能夠滿足工程需求、所選材質來源廣泛、價格合理、現(xiàn)場操作方便，最終選擇了PP材質代替鐵管的切縫管用于現(xiàn)場試驗。

3　優(yōu)化后切縫藥包殉爆距離測試

炸藥的殉爆是衡量炸藥爆轟性能非常重要的參數(shù)之一。炸藥的殉爆是由殉爆距離來表征的。切縫藥包由于其特殊的裝藥結構，其殉爆距離的測試至今沒有文獻報道。共設置了5種放置方式的PP材質切縫藥包進行殉爆試驗，5種放置方式見圖4、不同殉爆距離d的測試結果見表3。

圖4（a）型為軸向切縫藥包殉爆距離最小為8 cm，原因是主發(fā)裝藥爆轟波陣面與被發(fā)裝藥接觸面積小所致。

圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）、圖4（e）型均為側向殉爆，圖4（b）型為切縫方向對切縫方向，是所有殉爆距離中最大的，這是由于切縫管切縫方向的能量集中所致。

表3　殉爆距離測試結果

圖4（c）垂直切縫方向平行放置是側向殉爆距離中最小的，這是由于兩個方面的原因，一是炸藥爆轟波優(yōu)先從切縫處釋放，造成能量在垂直切縫方向減弱，從而殉爆距離變小，二是由于垂直切縫方向有一定厚度的切縫管材質間隔，也能造成殉爆距離的減少。

圖4（d）和圖4（e）的差別主要在于主發(fā)裝藥的確定，但是兩者的殉爆距離差別很大，圖4（d）型是以切縫方向的裝藥為主發(fā)裝藥殉爆一定距離處相對應的垂直切縫方向的被發(fā)裝藥，其距離比圖4（e）的要大，這也充分說明了切縫方向的定向效果。需要說明的是殉爆距離受很多因素影響，如炸藥種類的不同，同一種裝藥密度的變化等因素都會造成殉爆距離的變化。

圖4　殉爆試驗切縫管位置圖

4　現(xiàn)場應用

定型生產(chǎn)的切縫藥包在京煤集團大臺煤礦、長溝峪煤礦進行了初步應用，并與傳統(tǒng)的光面爆破效果進行了對比，效果非常明顯。圖5為兩個煤礦中切縫藥包爆破后巖巷周邊成型效果。

圖5　切縫藥包爆破后巖巷周邊成型效果圖

巖巷周邊炮孔采用切縫藥包的定向斷裂爆破技術與傳統(tǒng)的光面爆破技術相比，在兩個指標上具有更好的效果。

（1）技術指標。采用切縫定向斷裂控制爆破技術后，炮眼數(shù)減少，周邊眼由原來的26個減少到15個，整個斷面炮眼數(shù)由原來的65個減少到50個；節(jié)省炸藥、雷管用量，每循環(huán)比原來節(jié)省炸藥5.51 kg，節(jié)省雷管15個；周邊半眼痕率大大提高，半眼痕率可達90%以上，半眼痕長度可達1.2～1.4 m，為炮孔長度的80%以上；嚴格控制周邊超欠挖量，周邊超欠挖量由原來的200 mm左右控制到50 mm以內(nèi)；巷道圍巖的破壞程度大大降低，從而降低了巷道的支護難度。

（2）經(jīng)濟指標。礦山煤礦巷道每進尺90 m，炸藥費用節(jié)省6900元，雷管費用節(jié)省1656元，噴料費用節(jié)省15900元，排矸及釬頭費用節(jié)省1500元。以上4項共計25956元，節(jié)約費用平均為288.4元/m。

5　結論

（1）根據(jù)工業(yè)炸藥爆轟理論，運用正交設計法確定了切縫管結構，該結構能夠實現(xiàn)切縫藥包可靠傳爆、穩(wěn)定爆轟。切縫藥包結構參數(shù)優(yōu)化設計為切縫藥包定型生產(chǎn)打下了良好的基礎。

（2）切縫藥包現(xiàn)場應用定向斷裂效果顯著，巷道周邊爆破的半眼痕率都參考文獻：

在90%以上，大幅度減少超挖現(xiàn)象，巷道成型質量大大改觀，實現(xiàn)了理論成果技術化，技術成果產(chǎn)品化。

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Experimental study on explosion effect of slotted cartridge with different structure

Yang Renshu1，Cao Wenjun1，2，Gao Xiangtao1
（1.School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Beijing Jingmei Chemical Industry Co.，Ltd.，F(xiàn)angshan，Beijing 102471，China）

The reasonable structure parameters of slotted cartridge played a very important role in orientation fracture blasting technology in mine tunnelling.The slotted cartridge blasting tests in lead blocks were carried out.By the orthogonal design method，the slotted pipe material，pipe wall thickness，slot width，slot length and decouple coefficient of slotted cartridge in blasthole were optimized，the slotted pipe's reasonable structure parameters for the industrial production were determined.Then the orientation effect of slot direction was verified by induced detonation tests.Field tests showed that the directional fracture effects of slotted cartridge were remarkable，and the rates of half-hole marks of blasting around roadway were above 90%，which reduced sharply the over excavation phenomenon and increased the tunnelling speed.

directional blasting，slotted cartridge，structure of cartridge，decouple coefficient，explosion effect

TD235

A

楊仁樹（1963-），男，安徽和縣人，教授，博士生導師。

（責任編輯 張毅玲）

國家自然科學基金重點項目（51134025）；高等學校博士學科點專項科研基金（20110023110018）