岩石性质对于爆破参数的影响

杜 瑞，吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

本项目以淮北矿区为例,来进行研究。根据相关煤炭报告，我国煤炭的储存位居前列，而煤炭的使用量也是逐年增长。其中，火力发电，炼钢等重大工业项目对煤炭的需求量巨大[1]。但随着时间推进，我国的煤炭开采成本越来越高，也成为了制约我国工业发展的一个重要因素。现如今，在中国东部的浅层地区的煤炭面临枯竭，而在一千多米以下的煤层仍然存在大量煤矿[2]。所以，深部掘进开采技术成为了煤炭发展的重中之重。而在深部岩巷掘进中，爆破效果与技术直接影响到了煤炭开采。本项目以淮北矿区为实例进行分析，测量辅助眼与周边眼的爆破参数对于爆破效果的影响[3]。从而在以后的煤炭开采中实现更好的爆破效果，提高煤炭开采效率，减低煤炭成本，提高工程的效益。

1 爆破参数的确定

在煤炭掘进中,需要进行爆破。而爆破效果的好坏取决于所选择的爆破参数。而在本次实验中,所需要计算的爆破参数有炮眼排距、炮眼眼口间距、炮眼堵塞长度、炮眼直径、单孔装药量等。

2 爆破参数的计算

2.1 辅助眼爆破参数的计算

辅助眼起爆有两个自由表面。最明显的影响是开孔爆轰后形成的自由面与炮孔方向平行[4]。因为自由面的作用,单位体积下岩石消耗的相关的药量会减少，且其中的每个孔洞内放置的药的质量会增加，这就导致了炮眼之间的距离会相隔较远。因为自由面的作用,辅助眼炮眼深度比掏槽眼略浅,约为掏槽眼深度0.85倍-0.90倍,炮眼与掏槽眼的炮眼的直径大小是相同的，此外根据岩石类型和性质的不同，炸药与掏槽眼所用的炸药的类型也相同。

(1)炮眼之间的排距

目前的相关实验研究表明,当布眼方式为小排距宽孔距时，在这种状态下所产生的爆炸力的能量将被充分发挥于岩石中，且作用力均匀，其中关于炮眼的密集系数m:

(1)

式中：a表示炮眼之间的距离,m;b表示炮眼之间的排距,m。

当炮眼的密集系数达到m=1.0-2.0时,效果是最好的，目前的实际工程中，通常设定m=1.0-1.2。

(2)发生堵塞的炮眼的长度

根据文献[5],分析不同普氏系数f岩石下，其炮泥堵塞的长度,结合实际的工程作业,辅助眼的炮泥长度L2≈b,当岩石的普氏系数f≤4时,其堵塞的长度需要满足L2≥1.0 m的条件。

(3)单孔内装药的质量

单孔内装药的量可以通过下面的公式计算得出：

(2)

也可按公式(3)计算:

Q=abLq辅

(3)

式中：q辅为辅助眼单位体积消耗炸药的质量,kg/m3。

在自由面的存在情况下q辅=q标。由于岩石的性质的不同，其进行爆破时，单位体积下需要的药量也不同，辅助眼破单位体积下消耗药的质量与岩石的普氏系数间的关系如表1所示。

通过对炮眼的直径db、炮眼的深度Ls以及不同岩石下辅助眼单位体积下所消耗药的质量q辅,根据a=(1.0-1.2),L2=b，依据式(2)和式(3)把辅助眼之间的距离a、排距b以及炮泥堵塞的长度L2、单个孔洞的装药量Q进行确定。辅助眼的炮孔之间的距离与岩石的普氏系数间的关系如表2所示。

表1 辅助眼破单位体积下消耗药的质量与岩石的普氏系数间的关系

表2 辅助眼的炮孔之间的距离与岩石的普氏系数间的关系

2.2 周边眼爆破参数计算

井巷掘进爆破工程中,周边眼炮眼深度取与辅助眼相同值,起爆后要达到光面爆破效果,在进行相关结构的选择时必须充分考虑到相关的系数以及单孔装药量,从而确保在爆炸发生时,其作用力能够均匀,且炮眼壁不会产生被压碎的现象[6]；合理确定炮眼间距使炮眼连线方向由于拉应力而断裂;合理确定光爆层厚度及炮眼密集系数使周边眼沿炮孔连线方向断裂的同时,光爆层得到有效破碎。

(1)装药结构

炮孔内的炸药发生爆炸以后,当其产生的冲击波经过逐渐消减成为压应力波时,该波将会在岩石上形成径向上的压应力以及切向方向上的拉应力。需要注意的是岩石的抗拉的能力较低,因此在径向上很容易因为拉力作用而产生裂痕。其中岩石所受到的切向应力和径向应力的大小可以表示为:

(4)

式中：σr为径向应力，MPa；r为距离药包中心的距离，m；P为炮孔壁上的冲击应力，MPa。

σQ=m5σr

(5)

σQ为切向应力，MPa；m5=σQ/σr，其中

(6)

进行装药处理时，炮眼壁所产生的冲击压力为:

(7)

式中：dc为药卷直径，m；db为炮眼直径，m；m6为表示在出现轰爆时，其产物在产生撞击时对受力物体的压力增大的系数。

当岩石没有出现破碎的情况时，表明其抗压强度比此时所受到的冲击力要小，可表示为：

σr≤m7[σ压]

(8)

式中:m7为岩石动态抗压强度增加系数，m7=4.0-5.0；[σ压]为表示静态状态下岩石的抗压强度，MPa。

在实际的工程作业中，一般情况下我们把n轴的取值控制在3.0-4.0,n径的取值则在1.2-1.5之间。硬岩应取较小值。

(2)单孔装药量

根据相关数据以及系数的大小，可推算出单孔装药量的值是：

(9)

工程中一般按下式计算单孔装药量：

Q=q线L

(10)

式中：q线为炮孔装药量与长度的比值，150 kg/m-250 kg/m。

(3)炮眼间距

周边孔间距的计算方法有很多种，但大多是基于爆炸应力波理论和爆轰气体的综合作用。其中岩石的能够承受的拉力较小，压力较大，因此由于爆孔线在其切线方向处有产生拉应力，因此岩石上容易出现裂纹。

岩石在力σQ下使得其出现裂纹的条件是:

σQ≥St

(11)

式中：σQ为切向方向上的拉应力，MPa。

岩石动抗拉的强度用字母St来表示，MPa。

提出的公式(4)和公式(5)所展现的内容，可以通过计算得出单孔裂隙半径大小可表示为：

(12)

式中：rk来表示为单孔裂隙半径，m。

当多个空洞之间发生相互作用时，其出现的裂隙的半径应该随着应力的集中而出现的更大，根据相关实验研究，之所以周边眼出现了相邻炮孔贯穿的现象，是因为爆炸后的爆生气体进入了裂缝中，使裂缝延伸后贯通[7-8]。但为了确保裂缝之间贯通，要求应力波作用使裂缝贯通基础上，爆生气体使裂隙宽度进一步加大。为此，必须满足：

Padb=(a-2rk)St

(13)

(14)

(15)

在实际工程作业中，一般情况下，周边的眼炮之间的距离设置在300 m-500 m之间，根据岩石性质的不同，a的大小也会有所不同，当岩石为硬岩时，a取最大值，如果是软岩则取值情况完全相反。关于a的取值大小，周边眼炮之间距离与岩性普氏系数的关系如表3所示。

表3 周边眼炮之间距离与岩石岩性普氏系数的关系

(4)光爆层厚度

光面爆破的效果会受光面爆破层得厚度影响。超过一定厚度的光面爆破层会导致岩石无法被破碎，不能向下切割。相反,如果平滑层的厚度过小,并因为围岩裂缝反射波的作用 ,将影响围岩的稳定性,甚至导致围岩下降,超挖和不均匀壁隧道光面爆破层的合理厚度可以根据电装药决定[9-11]。

周边眼装药量可按下式计算：

(16)

式中：q标为标准抛掷爆破单位体积耗药量，kg/m3；w周用来表示光爆层的厚度，m；a表示眼炮之间双眼之间的距离，m；n为爆破作用指数，对于周边眼光面爆破，采用弱抛掷，取n=0.75。

工程中一般根据炮眼间距和炮眼密集系数：

(17)

式中：m为炮眼密集系数，可取m=0.7-0.9。

依据以上分析可以估算炮眼间距a、光爆层厚度w周及单孔装药量Q。

3 结 语

(1)周边眼的炮眼间距在不同的岩性普氏系数的增长量大致相同，较为平缓。

(2)辅助眼单位体积消耗炸药的药量随着岩石普氏系数的增加而增长，在f=2-10时增长缓慢，而在f=10-12时增长较大。

(3)在爆破时，关于相关参数的选择，其中最主要的影响因素就是岩石的性质，当在实际的工程作业中对周边眼以及辅助眼的相关参数进行确定时，需要对岩石的普氏系数先进行研究。