一种能量利用率高的台阶爆破方法
文献发布时间：2023-06-19 16:11:11
技术领域
本发明属于台阶爆破施工技术领域，尤其涉及一种能量利用率高的台阶爆破方法。
背景技术
空气间隔装药技术被广泛地应用于台阶爆破施工，在爆破作用过程中，空气间隔装药技术不仅降低了爆压的峰值，避免了冲击波对围岩的粉碎作用，而且延长了爆压作用时间，获得了更大的冲量(爆压与爆压作用时间的乘积)，从而降低了炸药单耗和工程成本，提高了爆破的有效能量利用率。
常见的轴向空气间隔不耦合装药有三种：顶部空气间隔装药、中部空气间隔装药以及底部空气间隔装药。顶部空气间隔装药在孔口处经常产生大块；底部空气间隔装药在台阶底部极易产生大块或根底；中部空气间隔装药使岩体沿整个炮孔孔壁的破碎效果更均匀，既保证了上部岩体获得充分破碎，同时也控制了下部岩体不留根底，使得爆堆的平均块度保持适中。故三种空气间隔装药技术中，中部空气间隔装药的爆破效果最好，在台阶爆破施工中的应用也更为广泛。
使用中部空气间隔装药结构进行施工时，空气段长度的选取对于爆破能量利用率和爆破效果有着极其重要的影响。若空气段过长，就失去了空气间隔装药作为均衡孔壁压力的价值，使得大块率过高，无法达到既定的破碎效果；若空气段过短，孔内能量会过度集中，使得装药段附近过度破碎，造成炸药能量的浪费。因此，中部空气间隔装药结构存在一个使得整体爆破能量利用率和爆破效果最好的空气段长度。然而，现有的中部空气间隔装药爆破技术仅基于工程经验选取空气段比例，从而确定空气段长度，没有可以参照的根据台阶爆破工程现场实际情况来确定合理空气段长度和优化中部空气间隔装药结构的具体方法，更没有针对不同被爆岩体、钻孔及装药参数来确定最佳空气段长度和能量利用率最大化的中部空气间隔装药结构优化方法。因此亟待提出一种能量利用率高的中部空气间隔装药结构优化方法，使得中部空气间隔装药结构台阶爆破能量利用率最大化，从而进一步改善台阶爆破效果，实现低能耗、安全化和精准化爆破破岩的目的。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种能量利用率高的台阶爆破方法，利用该方法通过优化台阶爆破中部空气间隔装药结构，使得在进行台阶爆破施工时单孔装药量一定的情况下炸药能量利用率最大化，达到最好的爆破效果。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种能量利用率高的台阶爆破方法，所述台阶爆破方法采用优化的中部空气间隔装药结构进行爆破；所述中部空气间隔装药结构，按以下步骤进行优化：
第一步：确定岩体参数
现场对需要进行爆破的岩体进行取样，测量岩石密度ρ
第二步：确定炸药参数
根据被爆岩体的岩性选择炸药类型，获得炸药的比爆热W
第三步：根据预设的爆破粉碎区半径及裂隙区半径经验取值范围，确定孔壁压力上下限值；
第四步：根据孔壁压力上下限值作用在空气段中心位置时所对应的空气段长度，确定空气段长度范围l
第五步：根据爆破能量消耗在产生径向裂隙所耗散的能量占爆炸总能量的比率与消耗在产生爆腔区所耗散的能量占爆炸总能量的比率之比τ的最大值所对应的孔壁压力P
本发明一种能量利用率高的台阶爆破方法，所述最佳空气段长度按以下方案得到：在第四步确定的空气段长度范围l
本发明一种能量利用率高的台阶爆破方法，所述中部空气间隔装药结构是在爆孔中从下至上依次设有第一装药段、空气段、第二装药段、堵塞段；所述第一装药段与第二装药段的长度相等。
本发明一种能量利用率高的台阶爆破方法，第三步中：孔壁压力上下限值按以下方法得到：
1、孔壁压力上限值：
根据文献[1]【文献[1]：费鸿禄,洪陈超.应力波和爆生气体共同作用下裂隙区范围研究[J].爆破,2017,34(01):33-36+107.】可得出爆破粉碎区半径
式中，r
根据文献[2]，并结合实际所需爆破效果，可得出粉碎区的合理取值范围r
2、孔壁压力下限值
根据文献[3]【文献[3]：Xu,B.Y.,Liu,X.S.,1995.Applying Plasto ElasticityMechanical.Tsinghua University Press.】有裂隙区半径
式中，r
根据文献[2]，并结合实际所需爆破效果，可得出裂隙区的合理取值范围r
P
本发明一种能量利用率高的台阶爆破方法，空气段长度范围l
根据文献[4]【文献[4]：楼晓明,王振昌,陈必港,王作棠,俞缙.空气间隔装药孔壁初始冲击压力分析[J].煤炭学报,2017,42(11):2875-2884.DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0919.】有中间层空气段孔壁压力计算公式为：
式中，
x为计算点至空气段底端的距离；
l
n
d
δ为冲击波压力沿炮孔轴向的衰减系数，根据文献[5]【文献[5]：张晋红.柱状药包在岩石中爆炸应力波衰减规律的研究[D].中北大学,2005.】，一般取δ＝3；
K＝0.98
中部空气间隔装药结构炮孔内部孔壁压力最小值位于空气段中点，因此，式(5)中，取x＝0.5l
将第三步得到的孔壁压力上下限值代入公式(5)中，得到中部空气间隔装药结构中空气段长度l
本发明一种能量利用率高的台阶爆破方法，优化空气段长度按以下方案进行：
根据文献[6]【文献[6]：张峰涛.岩石在柱状耦合装药作用下的爆炸能量分布[D].华中科技大学,2007.】有冲击波产生径向裂隙所耗散的能量占爆炸总能量的比率：
式中，
λ为侧向压力系数，根据文献[6]，此处λ取1；
β为应力波衰减指数，
m为径向裂隙的条数，取m＝12；
E
同时，根据文献[6]有冲击波作用产生爆腔区所耗散的能量占爆炸总能量的比率为：
式中，R
冲击波产生径向裂隙所消耗能量比例与形成爆腔区所消耗能量比例的比值为：
在第四步确定的空气段长度范围l
参考文献
[1]费鸿禄,洪陈超.应力波和爆生气体共同作用下裂隙区范围研究[J].爆破,2017,34(01):33-36+107.
[2]冷振东.岩石爆破中爆炸能量的释放与传输机制[D].武汉大学,2017.
[3]Xu,B.Y.,Liu,X.S.,1995.Applying Plasto ElasticityMechanical.Tsinghua University Press.
[4]楼晓明,王振昌,陈必港,王作棠,俞缙.空气间隔装药孔壁初始冲击压力分析[J].煤炭学报,2017,42(11):2875-2884.DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0919.
[5]张晋红.柱状药包在岩石中爆炸应力波衰减规律的研究[D].中北大学,2005.
[6]张峰涛.岩石在柱状耦合装药作用下的爆炸能量分布[D].华中科技大学,2007.
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所提出的台阶爆破方法，考虑了被爆岩体、钻孔及装药等参数，可以根据不同的实际工程优化出具体的最佳中部空气间隔装药结构，较经验方法具有显著的工程适应性和优越性。
(2)本发明重点考虑了能量利用率，求取冲击波产生径向裂隙所消耗能量比例与形成爆腔区所消耗能量比例的比值的最大值，可以在单孔装药量一定的前提下最大化地提高能量利用率，确保冲击波产生径向裂隙所耗散的能量占爆破总能量的比例达到最佳，有效提升破岩效果，从而降低炸药单耗和工程成本，提升经济效益。
附图说明
图1为本发明的中部空气间隔装药结构优化流程图；
图2为中部空气间隔装药结构示意图。
图2中：l
具体实施方式
实施例1：
一种能量利用率高的台阶爆破方法，所述台阶爆破方法采用优化的中部空气间隔装药结构进行爆破；所述中部空气间隔装药结构，按以下步骤进行优化：
第一步：确定岩体参数
某深孔台阶爆破开挖工程，岩体为细砂岩，岩体基本物理力学参数分别为：密度ρ
第二步：确定炸药参数
根据被爆岩体的岩性选择炸药类型为TNT炸药，得到炸药的比爆热W
第三步：根据预设的爆破粉碎区半径及裂隙区半径经验取值范围，确定孔壁压力上下限值；
3.1根据文献[1]【文献[1]：费鸿禄,洪陈超.应力波和爆生气体共同作用下裂隙区范围研究[J].爆破,2017,34(01):33-36+107.】可得出爆破粉碎区半径
式中，r
根据文献[2]，并结合实际所需爆破效果，可得出粉碎区的合理取值范围r
将第一步得到的岩体基本物理力学参数代入式(2)中，得出，孔壁压力上限值P
3.2根据文献[3]【文献[3]：Xu,B.Y.,Liu,X.S.,1995.Applying PlastoElasticity Mechanical.Tsinghua University Press.】有裂隙区半径
式中，r
根据文献[2]，并结合实际所需爆破效果，可得出裂隙区的合理取值范围r
P
将第一步得到的岩体基本物理力学参数代入式(2)中，得出孔壁压力下限值P
第四步：根据孔壁压力上下限值分别作用在空气段中心位置时所对应的空气段长度，确定空气段长度范围l
根据文献[4]【文献[4]：楼晓明,王振昌,陈必港,王作棠,俞缙.空气间隔装药孔壁初始冲击压力分析[J].煤炭学报,2017,42(11):2875-2884.DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0919.】有中间层空气段孔壁压力计算公式为：
式中，
x为计算点至空气段底端的距离；
l
n
d
δ为冲击波压力沿炮孔轴向的衰减系数，根据文献[5]【文献[5]：张晋红.柱状药包在岩石中爆炸应力波衰减规律的研究[D].中北大学,2005.】，一般取δ＝3；
K＝0.98
中部空气间隔装药结构炮孔内部孔壁压力最小值位于空气段中点，因此，式(5)中，取x＝0.5l
将第三步得到的孔壁压力上下限值代入公式(5)中，得到中部空气间隔装药结构中空气段长度l
第五步：根据爆破能量消耗在产生径向裂隙所耗散的能量占爆炸总能量的比率与消耗在产生爆腔区所耗散的能量占爆炸总能量的比率之比τ的最大值所对应的孔壁压力P
根据文献[6]【文献[6]：张峰涛.岩石在柱状耦合装药作用下的爆炸能量分布[D].华中科技大学,2007.】有冲击波产生径向裂隙所耗散的能量占爆炸总能量的比率：
式中，
λ为侧向压力系数，根据文献[6]的教导，此处λ取1；
β为应力波衰减指数，
m为径向裂隙的条数，取m＝12；
E
同时，根据文献[6]有冲击波作用产生爆腔区所耗散的能量占爆炸总能量的比率为：
式中，R
冲击波产生径向裂隙所消耗能量比例与形成爆腔区所消耗能量比例的比值为：
在第四步确定的空气段长度范围2.98m≤l
本实施例中空气段中心位置处的τ值为1.163，整个炸药柱的τ值实际大于1.163。而根据文献[6]，使用同一方法计算的类似工况、常规装药结构台阶爆破的τ值一般不超过0.3，说明所提台阶爆破方法显著提升了能量利用率，具有更好的经济性。