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高地应力条件下的巷道崩落爆破参数.pdf

高地应力条件下的巷道崩落爆破参数

千载难逢
2011-11-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高地应力条件下的巷道崩落爆破参数pdf》,可适用于高等教育领域

©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet 第卷 第期爆炸与冲击Vol,No  年月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESMay, 文章编号:()高地应力条件下的巷道崩落爆破参数戴 俊,,钱七虎(解放军理工大学,江苏南京西安科技大学,陕西西安)  摘要:以柱装药爆破漏斗理论为基础,对高地应力巷道崩落爆破标准漏斗形成进行研究,导出了高应力条件下形成崩落爆破标准漏斗的判断准则,进而导出了相应条件的巷道崩落爆破参数计算式。结果表明,地应力的作用要求对巷道崩落爆破的现有参数计算进行修正,而且地应力越高,崩落爆破的最小抵抗线和炮孔间距减小越多,单位耗药量和循环炮孔数量增加越多。最后指出,选用较高爆速的炸药可减缓崩落爆破参数随地应力增大而改变的速率。  关键词:爆炸力学爆破参数崩落爆破爆破漏斗高地应力  中图分类号:OTD   国标学科代码:·   文献标志码:A 引 言  世界各国的采矿深度在不断增加,目前开采深度在km以上的矿井已有多个,而南非的瓦尔瑞富矿达到了km的世界采矿最大深度。采矿深度的不断增加引起巷道围岩地应力的不断增加,进而给巷道的掘进和支护带来了一系列新问题。目前的情况是,对围岩高地应力引起的巷道支护困难已受到了较多的重视,但对由此引起的巷道爆破掘进新问题却没有引起足够的重视,现有巷道掘进爆破参数设计中没有考虑地应力的影响,这造成巷道爆破效率不高,因而影响巷道施工的速度和效率。  研究表明,岩石的爆破是静态地应力和炸药爆炸产生的超动态应力共同作用的结果,地应力影响到爆破裂纹的起裂方向和扩展长度。地应力必将影响爆破的岩石破碎和爆破效率,当地应力较高时,这种影响很明显,因此爆破设计中考虑地应力对爆破参数的影响,是实现巷道爆破高效率的重要条件。  巷道掘进爆破由掏槽爆破、崩落爆破和周边轮廓爆破等部分组成,每部分的爆破条件不同,对它要求也不同,因而爆破参数设计也不同。掏槽爆破在只有个自由面的条件下进行,受地应力的影响最严重,爆破过程也最复杂,拟另文进行研究崩落爆破具有个自由面,由于现实中雷管起爆存在较大的反应时间漂移,难以做到同段炮孔可靠同时起爆,故可将崩落爆破看成是多个柱装药产生爆破漏斗的合成周边轮廓爆破以实现光面、最大限度保护围岩为目的,炮孔装药与间距设计以形成炮孔间贯通裂纹为原则,戴俊对周边轮廓爆破参数设计中的地应力影响研究进行了研究。  巷道崩落爆破采用柱装药,本文中将利用柱装药条件的爆破漏斗理论,分析高地应力条件下巷道崩落爆破的爆破漏斗形成,进而提出相应的巷道崩落爆破参数计算式。 高地应力条件下崩落爆破漏斗的形成  巷道崩落爆破采用柱装药结构,崩落爆破的破岩过程可看成多个柱装药爆破漏斗的形成与合成的过程,如图所示。其中σV、σH为地应力的垂直分量和水平分量β为计算点径向连线与水平地应力σH方向的夹角σsθ、σsr分别为静态切向和径向应力。柱装药条件下,不计地应力的作用,形成标准爆破漏收稿日期:修回日期:   基金项目:国家自然科学基金重大项目()中国博士后科学基金项目()       陕西省教育厅专项科研基金项目(JK)西安科技大学博士基金项目   作者简介:戴 俊( ),男,博士后,教授。©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet图高地应力条件下的巷道崩落爆破FigBreakblastingofaunderwayinrockwithhighresidualstress图地应力对标准爆破漏斗形成的影响FigEffectofresidualstressonformationofanormalblastingcrater斗的条件是在漏斗边缘处岩石中入射应力波产生的切向拉应力与反射应力波产生的径向拉应力之和等于岩石的抗拉强度,即σθiσrR=σt()式中:σθi为入射应力波产生的切向拉应力σrR为反射应力波产生的径向拉应力σt为岩石的抗拉强度σθi=pb(wrb)α()σrR=pR(wrb)α()p=ρeD(VcVb)γn()R=(tanθtanφ)(tanθtanφ)()θ=arcsinμ(μ)sinφ()式中:p为作用于炮孔壁的爆炸载荷b为侧向压力因数,b=μ(μ),μ为岩石的泊松比w为不考虑地应力时的装药最小抵抗线rb为炮孔直径α为爆炸应力波衰减指数,若忽略冲击波的作用,则α=bR为应力波反射因数ρe为炸药密度D为炸药的爆速Vc为装药体积Vb为炮孔体积γ为爆生气体产物绝热膨胀指数n为爆生气体产物碰撞炮孔壁引起的压力增大因数,n=~φ为应力纵波入射角和纵波反射角θ为应力横波反射角(图中未注出),如图所示。图中,将oxyz坐标系绕z旋转°即得坐标系oxyz。  但是,在高地应力的巷道爆破条件下,地应力的存在使爆破漏斗边缘处岩石的应力状态由单向受拉变为向拉压应力状态,考虑到岩石的脆性破坏特性及巷道崩落爆破的具体条件,利用最大拉应变强度理论,形成爆破漏斗的条件应修改为σxμ(σyσz)E=εt=σtE()σx=σθiσrRσxcos°, σy=σxsin°, σz=σz()式中:σx、σz为oxyz坐标系中x、z方向的地应力σx、σy、σz分别为oxyz坐标系中x、y和z方向的应力分量μ为岩石的泊松比E为岩石的弹性模量εt为岩石的拉伸破坏极限应变。  将式()代入式(),得到(σθiσrRσxcos°)μ(σxsin°σz)=σt()  由于巷道崩落爆破存在个自由面,爆破炮孔深度不大(相对于巷道断面尺寸),可以认为沿炮孔轴线方向的地应力分量σz=,因此可将式()改写为σθiσrR=σtλ(μ)=δσt() 第期           戴 俊等:高地应力条件下的巷道崩落爆破参数©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet式中:δ称为地应力影响因数,反映地应力对爆破漏斗形成的影响程度λ称为岩石的地应力抗拉强度比,反映地应力的大小,表示为σx=λσt。  式()即是考虑地应力影响的巷道崩落爆破条件下,形成标准爆破漏斗的力学判据。由于在崩落爆破漏斗边缘处σx最大,且爆炸应力波传播距离最远,衰减也最多,形成爆破漏斗最不利,因此式()实际上也是形成标准爆破漏斗的充分必要条件。 高地应力条件下的崩落爆破参数  崩落爆破在掏槽槽腔形成后进行,这时在掏槽槽腔边岩石中作用有因槽腔形成引起的原岩应力重新分布后的次应力。根据圆形洞室周边弹性次应力的分布特点,巷道崩落爆破时,在标准爆破漏斗边缘处形成次应力σx=σV(cos(β))χ(cos(β)), σy=, σz=()式中:σV、σH为地应力的垂直分量和水平分量,β为计算点径向连线与水平地应力σH的夹角,如图所示χ=σHσV。  如果σV=σH,χ=,则σx=σV, λp=σxσt=σVσt。对χ≠,有λp=σxσt=(cos(β))χ(cos(β))σVσt()δp=μλp=(cos(β))χ(cos(β))μσVσt()式中:δp为崩落爆破的地应力影响因数λp为崩落爆破条件下的地应力抗拉强度比。  式()中,如果χ=,则δp=(μ)σVσt()  如果χ≠,则δp是β的函数。由于δpβ=(μ)(χ)sin(β)σVσt  令δpβ=,得β=,π为极值点,相应的极值为δpβ==(μ)(χ)σVσt()δpβ=π=(μ)(χ)σVσt()  因<β<π时,总有δpβ>(χ>)或δpβ<(χ<),故式()、()是最大值或最小值。  结合式(),可以看出,地应力的作用相当于提高了岩石的抗拉强度,因此必然影响到巷道的爆破参数。图kw与σVσt的关系FigRelationofkwandσVσt 炮孔的最小抵抗线  将式()、()代入式(),可得高地应力作用下,形成标准爆破漏斗的炮孔最小抵抗线w=(Rb)pδpσtαrb=wδαp=kww()kw=δαp()式中:w为高地应力条件下巷道崩落爆破的最小抵抗线w为没有地应力作用时的炮孔最小抵抗线kw为最小抵抗线修正因数,与地应力、岩石的泊松比和夹角β有关。  图所示是根据式(),且χ=时,得到的kw与σVσt的关系图。可见,χ=时,地应力的作用将使巷爆  炸  与  冲  击               第卷 ©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet道崩落爆破的炮孔最小抵抗线较没有地应力作用时小,而且地应力越大,形成标准爆破漏斗的炮孔最小抵抗线越小。  工程中应用时,针对具体的巷道条件,χ事先已确定。这样,只需计算得到β=和β=π时的δp和kw的值,而<β<π的任一处的δp和kw的值用近似插值方法求得。 炮孔间距  为了使爆破后岩石破碎块度均匀,炮孔间距与炮孔最小抵抗线之间必须满足m=wa()式中:m为炮孔密集因数,仍按不考虑地应力情况取m=~a为炮孔间距。  于是,根据式()、(),则炮孔间距a=wm=wkwm=kwa()式中:a为不考虑地应力作用时的崩落爆破炮孔间距,a=wm。  可见,考虑地应力的影响后,巷道崩落爆破的炮孔间距将随地应力的增大而减小。 单位耗药量图ke与σVσt的关系FigRelationofkeandσVσt  对于柱装药爆破形成的标准爆破漏斗,其体积V=wL式中:L为炮孔长度。而炮孔装药量Q=π(rbkde)Lρe式中:kde为炮孔装药不耦合因数。  于是,崩落爆破的单位耗药量q=QV=π(rbkde)ρew()  将式()代入式(),得q=π(rbkde)ρe(wδαp)=qδαp=keq()ke=δαp()式中:ke为单位耗药量修正因数,与地应力和岩石的泊松比有关。  根据式()中ke的定义,且令χ=,则可得到单位耗药量修正因数随地应力σVσt的变化关系,如图所示。  工程应用时,χ≠时的ke的确定可按确定kw的方法进行。 工作面炮孔数目的估算  知道单位耗药量后,可计算出循环爆破的炸药消耗量Q=SLηq,其中S为巷道或隧道的掘进断面面积L为炮孔深度η为爆破的炮孔利用率。  如果将计算得到的循环爆破装药量∑Q平均分配到巷道或隧道掘进工作面的所有炮孔中,则可以近似估算出高地应力条件下巷道掘进所需要炮孔数量。由Q=SLηq=NLleme,得到N=Sηqleme=Nδαp=keN()式中:N和N分别有无地应力时的巷道或隧道爆破掘进的循环炮孔数le为炮孔装药长度因数me为单位长度炸药柱质量,me=πrcρe,rc为装药半径。  由式()得知,高地应力条件下,巷道爆破所需要的炮孔数大于不考虑地应力时的炮孔数,而且地应力越高,所需的炮孔数越多。  如图所示,巷道崩落爆破的单位耗药量和循环炮孔数量随地应力的增大以较大的速率增加。但如果改用较高爆速的炸药,提高炸药爆炸作用于炮孔壁岩石中的爆炸载荷值,则可以减缓单位耗药量和循环炮孔数量随地应力增大而变化的速率。前已述及,对形成爆破漏斗而言,地应力的作用相当于提高 第期           戴 俊等:高地应力条件下的巷道崩落爆破参数©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet了岩石的抗拉强度。这样,在高地应力条件下,采用较高爆速的炸药符合现有爆破破岩原理,对高强度岩石,宜采用较高爆速炸药的原则。  选用较高爆速的炸药后,先按式()计算出炸药的爆炸载荷值,而后将这一计算的爆炸载荷值代入相应的计算式,便可计算出相应的崩落爆破参数。 结束语  ()高地应力条件下,地应力的作用相当于增大了岩石的抗拉强度,因而使得形成标准爆破漏斗的难度增加。  ()巷道的崩落爆破在掏槽槽腔形成后进行,崩落爆破过程可看成多个标准爆破漏斗形成与合成的过程。此时,在标准爆破漏斗边缘处岩石中作用有重新分布后的次岩石应力。  ()在这种次应力作用下,巷道崩落爆破的最小抵抗线、炮孔间距、单位体积耗药量、循环炮孔数目等需要以不考虑地应力作用时的参数为基础,按照式()、()、()和式()进行修正,而且崩落爆破的最小抵抗线与炮孔间距具有同一修正因数,单位体积耗药量与循环炮孔数目具有同一修正因数。  ()在χ=的条件下,地应力越高,崩落爆破的最小抵抗线和炮孔间距越小,而单位体积耗药量和循环炮孔数目越多改用较高爆速的炸药可以减缓这种崩落爆破参数减小或增大的速率。  ()若χ≠,则修正系数kw和ke除与地应力状态、岩石的泊松比有关外,还将受炮孔所在位置的径向连线与水平地应力方向的夹角β的影响。工程应用时,可先确定β=和β=π处的炮孔最小抵抗线值,而后用近似插值方法确定其他中间位置的炮孔最小抵抗线值。  ()在高地应力条件下,选用较高爆速的炸药符合现有爆破破岩原理。参考文献: FallsSD,YoungRPAcousticemissionandultrasonicvelocitymethodsusedtocharacterizetheexcavationdisturbanceassociatedwithdeeptunnelsinhardrockJTectonophysics,,: EggerPDesignandconstructionaspectofdeeptunnelsJTunnellingandUndergroundSpaceTechnology,,(): 肖正学,张志成,李瑞明初始应力场对爆破效果的影响J煤炭学报,,():XIAOZhengxue,ZHANGZhicheng,LIRuimingTheeffectofinitialstressfieldonblastingresultsJJournalofChinaCoalSociety,,(): 谢源高应力条件下岩石爆破裂纹扩展规律的模拟研究J湖南有色金属,,():XIEYuanModellingresearchofthelawoncrackextensionbyblastinginrockwithhighstressJHunan’sJournalofNonferrousMetal,,(): 刘殿书,王万富,杨吕俊初始应力条件下爆破机理的动光弹实验研究J煤炭学报,,():LIUDianshu,WANGWanfu,YANGLujunStudyonblastingmechanismtakingtheinitialstressintoconsiderationbydynamicoptionelasticexperimentsJJournalofChinaCoalSociety,,(): 戴俊深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数研究J爆炸与冲击,,():DAIJunThecontrolledcontourblastingtechniqueanditsparametersdeterminationforrocktunnelatdepthJExplosionandShockWave,,(): 戴俊高原岩应力条件下岩石定向断裂控制爆破的理论分析C∥第八届全国工程爆破会议论文集郑州,: 钮强岩石爆破机理M沈阳:东北工学院出版社,: 王文龙钻眼爆破M北京:煤炭工业出版社,: 沈明荣岩体力学M上海:同济大学出版社,: 戴俊爆破工程M北京:机械工业出版社,:爆  炸  与  冲  击               第卷 ©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinetBreakblastingparametersfordrivingaroadwayinrockwithhighresidualstressDAIJun,,QIANQihu(PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu,ChinaXi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi,China)Abstract:TheformationofanormalblastingcraterforthebreakblastingofaroadwayinrockwithhighresidualstresswasinvestigatedbasedonthetheoryofcylindricalblastingcraterThecriterionontheformationofanormalblastingcrater,andtheparametersofstopingblastingfordrivingaroadwayinrockwithhighresidualstressaswell,werededucedItisconcludedfrominvestigationthattheparametersofbreakblastingneedtobemodifiedduetotheeffectofresidualstress,andthatthehighertheresidualstressis,thesmallertheburdenandtheblastholeseparationare,thelargerthespecificchargeandthenumberofroundblastholesareFinally,itispointedoutthathighexplosivecanbeusedtodecreasetherateatwhichtheparametersofbreakblastingfordrivingaroadwaychangeduetotheeffectofhighresidualstressKeywords:mechanicsofexplosionblastingparameterbreakblastingblastingcraterhighresidualstress 第期           戴 俊等:高地应力条件下的巷道崩落爆破参数Correspondingauthor:DAIJun   Emailaddress:daisohucom      Telephone:

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