本發(fā)明屬于工程爆破技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改善和控制中細(xì)?；◢弾r爆破塊度的方法。

背景技術(shù)：

底部間隔惰性介質(zhì)爆破技術(shù)是近年來發(fā)展比較迅速的一種爆破技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于巖石堅(jiān)硬和巖體完整花崗巖料場，常采用深孔臺階結(jié)合空氣間隔或水間隔的爆破方法，可有效提高炸藥單耗和改善爆破效果。從上實(shí)際七十年代，前蘇聯(lián)首先對炮孔孔底間隔爆破技術(shù)進(jìn)行了研究。隨后，其它一些國家也紛紛進(jìn)行了孔底間隔爆破技術(shù)的研究和應(yīng)用，他們一般以水或空氣為間隔介質(zhì)，均能受到良好的效果。我國八十年代也開始了對孔底爆破間隔技術(shù)的研究和應(yīng)用。東北大學(xué)在本鋼歪頭子山、鞍鋼齊大山鐵礦進(jìn)行的試驗(yàn)研究和鞍山鋼鐵學(xué)院在鞍鋼東鞍山、大孤山等幾個(gè)大型露天鐵礦進(jìn)行的研究均表明，炮孔孔底間隔爆破技術(shù)對改善爆破質(zhì)量和降低炸藥消耗，收效十分明顯。但是目前這種方案僅限于對爆破實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)摸索，欠缺系統(tǒng)的理論進(jìn)行實(shí)踐指導(dǎo)，此外并沒有提出對爆破塊度的控制方法，對后續(xù)的施工造成極為不利的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法，通過對藥孔底部間隔惰性介質(zhì)的高度參數(shù)設(shè)置，提高炸藥的能量利用率，減小炸藥單耗；改變藥柱與炮孔孔壁的接觸關(guān)系，降低沖擊波和爆轟氣體產(chǎn)物作用于孔壁的初始壓力，延長爆生氣體作用時(shí)間，改善塊度爆破效果，同時(shí)減小殘留根底或較小根底破壞，改善底板平整度。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法，包括以下步驟：

[1]根據(jù)爆炸目標(biāo)的巖性參數(shù)和炸藥技術(shù)參數(shù)，計(jì)算惰性介質(zhì)間隔炸藥的炸藥量，確定藥孔直徑、深度L以及超深H；

[2]根據(jù)超深H，計(jì)算得到惰性介質(zhì)間隔炸藥的最佳間隔深度h；

[3]調(diào)節(jié)伸縮式間隔器的高度為h，并進(jìn)行裝藥；

[4]采用微差爆破的起爆方式進(jìn)行起爆；

所述步驟[2]中最佳間隔深度h與超深H的關(guān)系是：當(dāng)惰性介質(zhì)為空氣時(shí)，h＝0.7H～0.8H；當(dāng)惰性介質(zhì)為水時(shí)，h＝0.75H～0.85H。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，當(dāng)惰性介質(zhì)為空氣時(shí)，h＝0.75H。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，當(dāng)惰性介質(zhì)為水時(shí)，h＝0.8H。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，起爆采用中間起爆形式，微差起爆的間隔時(shí)間為25～75ms。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，伸縮式間隔器包括頂部擋蓋、底部擋蓋和中間不少于兩層的間隔節(jié)，所述的間隔節(jié)為筒狀結(jié)構(gòu)，上一層間隔節(jié)的外圈密封套接在下一層的間隔節(jié)的內(nèi)圈上，爆破藥柱放在頂部擋蓋的上部。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，間隔器包括自下而上的第一間隔節(jié)、第二間隔節(jié)和附加間隔節(jié)，所述的第一間隔節(jié)與底部擋蓋通過螺紋聯(lián)接，所述的附加間隔節(jié)與頂部擋蓋通過螺紋聯(lián)接。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，間隔器中至少有一只間隔節(jié)上設(shè)置有若干限位凹槽，可通過卡扣對間隔器的長度調(diào)節(jié)。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，卡扣為前端開口的銷狀結(jié)構(gòu)。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，卡扣包括開口端和彈性端，開口端的端口采用倒刺結(jié)構(gòu)，彈性端為圓弧結(jié)構(gòu)。

上述孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的爆破塊度控制方法中，彈性端底部的寬度比中部的寬度小。

本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：

一、本發(fā)明通過對藥孔底部間隔惰性介質(zhì)的高度參數(shù)設(shè)置，提高了炸藥的能量利用率，減小了炸藥單耗，改變了藥柱與炮孔孔壁的接觸關(guān)系，降低了沖擊波和爆轟氣體產(chǎn)物作用于孔壁的初始壓力，延長了爆生氣體作用時(shí)間，改善了塊度爆破效果，同時(shí)減小殘留根底或較小根底破壞，改善底板平整度。

二、通過改變孔底惰性介質(zhì)間隔改變藥柱與炮孔孔壁的接觸關(guān)系，降低沖擊波和爆轟氣體產(chǎn)物作用于孔壁的初始壓力，并使這種壓力的作用時(shí)間延長，使炮孔周圍不產(chǎn)生壓碎圈或壓碎圈明顯減小，從而在減少炮孔裝藥量的情況下，依靠炸藥能量有效利用率的提高，達(dá)到保證爆破破碎質(zhì)量的目的。

三、本發(fā)明的可伸縮間隔器，采用多節(jié)間隔節(jié)組成，間隔節(jié)上設(shè)置有若干限位凹槽，可通過卡扣對間隔器的長度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方便，通用性強(qiáng)。

四、本發(fā)明的可伸縮間隔器采用彈性卡扣嵌入至間隔器的限位凹槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)間隔器的長度調(diào)節(jié)，卡扣的端口設(shè)置有倒刺結(jié)構(gòu)，避免使用中松動(dòng)，卡扣的后端為圓弧的彈性結(jié)構(gòu)，且圓弧的底部寬度比中部有所減小，方便使用者通過手捏的方式將彈性卡扣嵌入至間隔器的限位凹槽內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

五、本發(fā)明的可伸縮間隔器最底端的間隔節(jié)中設(shè)置有重物，在采用水作為惰性介質(zhì)時(shí)，通過增加重物可將PVC材料的間隔器沉入鉆孔的底部，在工程中起到穩(wěn)定固定的作用。

六、本發(fā)明的可伸縮間隔器在頂部擋蓋的外圈設(shè)置有橡膠密封圈，一方面防止所裝炸藥與下面的水等惰性介質(zhì)接觸而受潮，另一方面防止裝藥通過間隔器與藥孔之間的間隙散落。

附圖說明

圖1為爆轟波的透射與反射原理示意圖；

圖2為空氣間隔的模擬結(jié)果；

圖3為水間隔的模擬結(jié)果；

圖4為本發(fā)明孔底惰性介質(zhì)間隔裝藥的原理示意圖；

圖5是本發(fā)明可伸縮式間隔器原理示意圖；

圖6是本發(fā)明第一間隔節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是圖6的側(cè)視圖；

圖8是本發(fā)明底部擋蓋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為圖8的俯視圖

圖10為本發(fā)明頂部擋蓋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是本發(fā)明第二間隔節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是本發(fā)明附加間隔節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是本發(fā)明多間隔節(jié)的間隔器裝配示意圖；

圖14是本發(fā)明雙間隔節(jié)的間隔器裝配示意圖；

圖15為本發(fā)明彈性卡扣的結(jié)構(gòu)圖。

圖中1—藥柱；2—藥孔；3—預(yù)期底板；4—間隔器；5—惰性介質(zhì)；6—頂部擋蓋；7—底部擋蓋；8—第一間隔節(jié)；9—第二間隔節(jié)；10—附加間隔節(jié)；11—重物；12—卡扣；13—限位凹槽；21—開口端；22—彈性端；23—倒刺結(jié)構(gòu)；31—水間隙時(shí)進(jìn)入巖石的能量比例系數(shù)；32—水間隙時(shí)y＝1.0的平衡線；41—空氣間隙時(shí)進(jìn)入巖石的能量比例系數(shù)；42—空氣間隙時(shí)y＝1.0的平衡線。

具體實(shí)施方式

在惰性介質(zhì)間隔裝藥用于巖石爆破工程應(yīng)用中，常將空氣、水等惰性介質(zhì)密封在間隔器中來實(shí)現(xiàn)爆破參數(shù)的優(yōu)化。如圖1所示，耦合裝藥時(shí)，爆轟波在炸藥內(nèi)從左向右傳播，到達(dá)炸藥巖石分界面時(shí)，發(fā)生透射和反射，透射波在巖石中繼續(xù)向右傳播，反射波則在爆轟產(chǎn)物內(nèi)向左傳播。

設(shè)炸藥的初始參數(shù)為：p₀、ρ₀、u₀＝0；爆轟波速度為D_V1，爆轟波即爆轟產(chǎn)物初始參數(shù)為：p₁、ρ₁、u₁；巖石的初始參數(shù)為：p_r、ρ_r、u_r＝0，巖石中的彈性波速度為C_P；反射波參數(shù)為：p'₂、ρ'₂、u'₂，波速為D'_V2；透射波參數(shù)為：p₂、ρ₂、u₂，波速為D_V2。在炸藥、巖石的分界面上有連續(xù)條件p'₂＝p₂，u'₂＝u₂。

根據(jù)聲學(xué)近似理論有：

$p_2=p_1\frac{2}{1+{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}/{\mathrm{\ρ}}_r{C}_P}=\frac{1}{4}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2\frac{2}{1+{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}/{\mathrm{\ρ}}_r{C}_P}---\left(1\right)$

空氣間隔裝藥時(shí)，爆炸中爆轟波首先壓縮裝藥與藥室壁之間間隙內(nèi)的空氣，產(chǎn)生沖擊波，而后再由沖擊波作用于藥室壁，對藥室壁巖石加載，爆生氣體在膨脹過程中，體積增大，密度減小，其音速也隨之降低，并由此引起其波阻抗發(fā)生變化。假定：(1)爆炸產(chǎn)物在間隙內(nèi)的膨脹為絕熱膨脹，其膨脹規(guī)律為PV³為常數(shù)，遇藥室壁激起沖擊壓力，并在巖石中引起爆炸應(yīng)力波。(2)忽略略間隙內(nèi)空氣的存在。(3)爆轟產(chǎn)物開始膨脹時(shí)的壓力按平均爆轟壓(瞬時(shí)爆轟)p_m計(jì)算，即有

$p_m=\frac{1}{2}{p}_1=\frac{1}{8}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2---\left(2\right)$

由以上假設(shè)，爆轟產(chǎn)物撞擊藥室壁前的炮孔內(nèi)壓力即入射壓力為：

$p_i=p_m{\left(\frac{V_c}{V_b}\right)}^3=\frac{1}{8}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2{\left(\frac{V_c}{V_b}\right)}^3=\frac{1}{8}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2{\left(\frac{l_c}{l_b}\right)}^3---\left(3\right)$

式中：V_c、V_b分別為炸藥體積和藥室體積，l_b和l_c分別為藥室長度(不含填塞部分)和藥包長度。引進(jìn)裝藥系數(shù)η＝l_b/l_c，(3)式改寫為：

$p_i=\frac{1}{8}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2{\left(\frac{l_c}{l_b}\right)}^3=\frac{1}{8}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2{\mathrm{\η}}^{-3}---\left(4\right)$

爆生氣體膨脹充滿整個(gè)炮孔時(shí)的密度為：

${\mathrm{\ρ}}_0^{\′}=\frac{4}{3}{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\η}}^{-1}---\left(5\right)$

聲速為：

$C_0^{\′}={\left(\frac{{\mathrm{kp}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_0^{\′}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

等熵絕熱指數(shù)k＝3，再根據(jù)彈性波理論、聲學(xué)近似理論確定巖石界面上的初始壓力為：

$p_2^o=p_i\frac{2}{1+{\mathrm{\ρ}}_0^{\′}{C^{\′}}_0/{\mathrm{\ρ}}_r{C}_P}=\frac{1}{4}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}^2{\mathrm{\η}}^{-3}\frac{1}{1+\frac{\sqrt{2}}{2{\mathrm{\η}}^2}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}/{\mathrm{\ρ}}_r{C}_P}---\left(7\right)$

分析比較公式(1)和(7)，得：

耦合裝藥：$p_2=p_1\frac{2}{1+{\mathrm{\ρ}}_0{D}_{V1}/{\mathrm{\ρ}}_r{C}_P}---\left(8\right)$

空氣間隔裝藥：

當(dāng)時(shí)，與p₂相當(dāng)；當(dāng)間隔距離較遠(yuǎn)，時(shí)，顯然要遠(yuǎn)低于p₂。說明空氣間隔一定距離時(shí)，可以減緩爆生氣體對巖石的直接作用，降低沖擊波和爆轟波對巖石的初始壓力。

礦山爆破過程中，炸藥爆炸后首先在周圍形成壓碎圈，壓碎圈內(nèi)巖石塊度過小，無法投入工程應(yīng)用，因此壓碎圈的產(chǎn)生，標(biāo)志著炸藥能量的浪費(fèi)。

產(chǎn)生最大空腔時(shí)所需能量E₁為：

$E_1=2\mathrm{\π}{\∫}_{R_0}^{R_{\max }}R\left(t\right)P_x\left(t\right)dR---\left(10\right)$

其中：R_max為最大空腔半徑；R(t)為瞬時(shí)空腔半徑；P_x(t)為瞬時(shí)孔壁壓力。

由公式(10)知P_x(t)初始值減小，E₁會隨之減小。由此說明，孔底間隔達(dá)到一定距離時(shí)，作用于巖石的P_x(t)的初始值更小，適當(dāng)?shù)目椎组g隔可以降低炸藥消耗在壓碎圈的能量，進(jìn)而使更多能量得以進(jìn)入壓碎圈以外的巖石內(nèi)部，增強(qiáng)對巖石的破碎作用。

下面采用LS-DYNA有限元分析軟件對空氣間隔裝藥和水間隔裝藥以及基本模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬中設(shè)計(jì)炮孔直徑90mm，超深H＝1m，表示爆炸后預(yù)期底板與炮孔最底端的距離，h為介質(zhì)間隔長度，超深比例x＝h/H從0.1-1.0變化時(shí)，計(jì)算得到進(jìn)入巖石的能量比例y，其中y表示含有介質(zhì)間隔時(shí)進(jìn)入巖石的能量除以介質(zhì)間隔為零時(shí)進(jìn)入巖石的能量，y大于1，且y值越大,表示介質(zhì)間隔相對于不加間隔時(shí)產(chǎn)生的效果越明顯。

表1和圖2為空氣間隔的模擬結(jié)果。圖中X軸表示超深比例x＝h/H，Y軸表示能量比例y。圖中42為y＝1.0的平衡線，41表示進(jìn)入巖石的能量比例曲線。

表1空氣間隔裝藥進(jìn)入巖石的能量

表2和圖3為水間隔的模擬結(jié)果。圖中X軸表示超深比例x＝h/H，Y軸表示能量比例y。圖中32為y＝1.0的平衡線，31表示進(jìn)入巖石的能量比例曲線。

表2水間隔裝藥進(jìn)入巖石的能量

從中可以得到以下結(jié)論：

一、深孔孔底為空氣間隔情況下，隨著間隔長度的增加，進(jìn)入巖石的總能量逐漸增加，當(dāng)間隔長度占超深75％時(shí)，效果最好，繼續(xù)增加間隔長度進(jìn)入巖石的總能量轉(zhuǎn)而逐漸下降。

二、深孔孔底為水間隔情況下，間隔長度占超深25％以下時(shí)，爆炸進(jìn)入巖石的能量反而比耦合裝藥小，在運(yùn)用孔底間隔爆破技術(shù)時(shí)，這種情況應(yīng)予以高度重視，運(yùn)用不當(dāng)會造成相反的效果。間隔長度占超深50％時(shí)情況開始好轉(zhuǎn)，80％左右效果最佳。

下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)仿真和實(shí)驗(yàn)對象皆為中細(xì)?；◢弾r，其力學(xué)條件如表3所示。工程中遇到其它巖石，可以通過力學(xué)性能等效成中細(xì)?；◢弾r方量進(jìn)行計(jì)算。

表3巖石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

(2)實(shí)驗(yàn)在花崗巖料場開展，采用臺階爆破，垂直鉆孔，臺階高度為12m，底盤抵抗線為3m。填塞深取2.7m，底部超深1m。堵塞物料鉆孔時(shí)排出的巖碴或表面山皮土。采用巖石硝銨炸藥進(jìn)行微差間隔爆破，微差間隔時(shí)間Δt＝25～75ms，爆破形式為中間起爆形式。各實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果如表4～6所示。

表4底部全裝藥試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表5孔底部空氣間隔試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表6孔底部水間隔試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

將表5和表6的數(shù)據(jù)與表4相比可知，采用介質(zhì)間隔器可有效降低了單耗，并減小了粉石率，說明適當(dāng)?shù)目椎组g隔可以降低炸藥消耗在壓碎圈的能量，進(jìn)而使更多能量得以進(jìn)入壓碎圈以外的巖石內(nèi)部，增強(qiáng)對巖石的破碎作用，實(shí)現(xiàn)爆破塊度的控制。

為了便于爆破施工，本發(fā)明提出了一種間隔可調(diào)的間隔器，下面進(jìn)行介紹。

圖4是常見的間隔器的組成原理圖，間隔器4設(shè)置在預(yù)期底板3下的深孔中，惰性介質(zhì)5如水或空氣等可以自由進(jìn)入間隔節(jié)中。間隔器4上放有藥柱1，并留有藥孔2。在工程爆破中為了對爆炸的根部平整度進(jìn)行控制，需要對間隔器的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而常規(guī)的固定式結(jié)構(gòu)難以滿足要求。

如圖5-14所示，本實(shí)用新型提出了一種可伸縮式間隔器，包括頂部擋蓋6、底部擋蓋7和中間不少于兩層的間隔節(jié)，間隔節(jié)為筒狀結(jié)構(gòu)，上一層間隔節(jié)的外圈密封套接在下一層的間隔節(jié)的內(nèi)圈上，爆破藥柱放在頂部擋蓋6的上部，間隔節(jié)中裝有水或空氣等惰性介質(zhì)5。其中頂部擋蓋6、底部擋蓋7、間隔節(jié)均采用PVC材料制成。

如圖5、13、14所示，間隔器包括自下而上的第一間隔節(jié)8、第二間隔節(jié)0和附加間隔節(jié)10，所述的第一間隔8與底部擋蓋7通過螺紋聯(lián)接，附加間隔節(jié)10與頂部擋蓋6通過螺紋聯(lián)接。頂部擋蓋6的外圈設(shè)置有橡膠密封圈，一方面防止所裝炸藥與下面的水等惰性介質(zhì)接觸而受潮，另一方面防止裝藥通過間隔器與藥孔之間的間隙散落。底部擋蓋7的蓋板上設(shè)置有若干通孔，便于進(jìn)水和空氣。

如圖5所示，為了對間隔器起到穩(wěn)定放置的作用，在最底層也就是第一間隔節(jié)8的底部裝有重物11，在工程中起到穩(wěn)定固定的作用。

如圖7和圖13、14所示，至少有一只間隔節(jié)上設(shè)置有若干限位凹槽13，可通過卡扣12對間隔器的長度調(diào)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用中，由于上層間隔節(jié)的外徑尺度小于下層間隔節(jié)的外徑，因此在下層間隔節(jié)的頂部放置卡扣12，并將卡扣12嵌入在間隔器的限位凹槽13內(nèi)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)間隔器的長度調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用方便的效果。

圖15給出了彈性卡扣的結(jié)構(gòu)圖，其為前端開口的銷狀結(jié)構(gòu)，包括開口端21和彈性端22，開口端21的端口采用倒刺結(jié)構(gòu)23，彈性端22為圓弧結(jié)構(gòu)，為增加彈性，彈性端22的底部寬度比中部有所減小。使用時(shí)用手捏住彈性端22，使得開口端21的開口減小，將開口端21伸入至間隔器的限位凹槽13內(nèi)后松開彈性端22，則開口端21依靠倒刺結(jié)構(gòu)23固定在限位凹槽13的內(nèi)部，這種固定方式具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于多次工程爆破中。