平面药包抛掷爆破的漏斗特征解析

平面药包抛掷爆破的漏斗特征解析

刘先魁1,孙五继2,李　伟1,杨跃生1,张　峰1

(11黄河工程技术开发公司,郑州450003;21黄河水利职业技术学院,开封475001)

摘　要:根据惠州港通用码头陆域平面药包抛掷爆破的实爆堆积测量分析成果,结合药包设计的主要

参数,对平面药包产生的爆破漏斗的范围与形态、不同药包部位的残方比与抛掷率、药包的长抗比与圆柱体药包的应力波形演变关系予以解析,供硐室爆破的理论研究、模拟试验和总结条形药包特性时参考。

关键词:平面药包;抛掷爆破;漏斗特征;长抗比;应力波形中图分类号:TD235134　　　　文献标识码:A

ANAL YSIS ON THE CHARACTERISTICS OF EXPLOSION CRA TER

PRODUCED B Y THROW BLASTIN G WITH PLAN E CHAR GES

L IU Xian 2Kui 1

,S U N W u 2ji 2

,L I Wei 1

,YA N G Y ao 2sheng 1

,ZHA N G Feng

1

(11Yellow River Engi neeri ng Technical Development Co 1,Zhengz hou 450003,Chi na ;

21Yellow River Instit ute of hydraulic prof essional Technique ,Kaif eng 475001,Chi na )

ABSTRACT :Based on making a survey of real muckpile from throwout blasting with plane charges in Huizhou harbour ,Guangdong province ,and in the light of main designed charge parameters ,the relationship between range and shape of blasting crater ,and the ratio of remained rock and thrown rock at different parts of a charge were analyzed 1In addition ,the relationship between the length 2burden ratio of a charge and evolution of stress wave shape is studied 1The conclusion in this paper is available for reference in theoretical research ,model test and engineering practice on chamber blasting 1

KE Y WOR DS :Plane charge ;Throwout blasting ;Crater characteristic ;Length 2burden ratio ;Stress wave shape

收稿日期:2003-06-16

作者简介:刘先魁,副总经理,总工,教授级高工。孙五继,副院长,副教授。

1　引　言

　　平面药包是条形药包在已定爆破空间范围内组合成的一种布药形式。当条形药包出现多层布药结构时,把上下层条形药包按一定比例极限间距组合成一个布药平面同时起爆,此时上下层条形药包产生的圆柱形气体空腔,沿布药平面传播、扩散而形成一个拟平面的整体空腔(平面空腔),使爆破岩体沿拟平面的法线向临空面抛出,实现平面平行抛掷目的。

平面药包定向抛掷爆破技术的研究始于20世纪80年代初期,1985年首次在硐室大爆破工程中推广应用。史家土育先生曾根据研究应用成果,对平面药包的特点、爆破设计及实爆效果进行过论述〔1,2〕。随着硐室爆破技术的发展和条形药包的广泛应用,国内众多专家学者在理论研究和实践探讨条形药包(含平面药包)爆破机理方面,取得了很大的进展。本文在前人研究成果的基础上,对惠州港通用码头陆域平面药包爆破的漏斗特征予以解析。

2　工程及设计概况

惠州港通用码头爆破工程是根据码头设计方案,实现陆、岛对接,填平海峡的定向抛掷爆破工程。

第9卷　第3期2003年9月

　　　　　　　　　　　　　　工程爆破EN GIN EERIN G BLASTIN G 　　　　　　　　　　　　　　　Vol 19,No 13

September 　

2003

陆域爆区为单岸低山、沟梁相间地形。岩性为白垩纪砂岩,构造裂隙发育,表层风化严重,岩体呈非均质体。爆破山体走向近东西,自然坡角为28°～35°,海拔高程在70m以下。

爆破设计采用双层、双排小平面药包,最小抵抗线范围值为9～21m。抛掷堆积计算采用整体弹道法,用抛方单耗设定抛距,设计最大抛距为160m。陆域爆破平面药包布置见图1,典型药包抛掷堆积剖面见图2

。

图1　设计的药包布置

Fig11　Layout of designed

charges

图2　药包设计抛掷堆积剖面图

Fig12　Section view of designed throwing muckpile

3　爆破漏斗解析基本要素

　　爆破漏斗的形态和特征与药包装药量、药包装药结构、药包埋深及爆破特定的地形、地质条件等密切相关。爆破漏斗的形态和特征不仅要符合体积原理和几何相似律基本理论,而且也是爆破设计参数组合作用的结果。研究分析不同药包类型及不同装药结构等综合条件下的爆破漏斗特性,对发展爆破理论和指导试验研究均有重要现实意义。

我国著名爆破专家冯叔瑜院士早在20世纪80年代就曾对延长药包爆破漏斗特性做了试验研究和理论分析〔3,4〕;90年代又对条形药包爆破作用特性和研究作了论述〔5,6〕,为理论研究和实践探讨不同药包类型条件下的爆破漏斗特征奠定了基础。311　平面药包结构特点

惠州港通用码头陆域爆区平面药包结构有如下特点:

(1)陆域平面药包布置根据实际地形、地质条件分成东、西两个小区,均采用双层、双排小平面布药结构。西区岩石相对完整、坚硬,表层风化厚度小,最小抵抗线W范围值为1010～1715m;东区岩石风化严重、断裂发育,W为9～21m。东、西两区间隔距离,在考虑两区药包前后排差条件下,各按端部药室最小抵抗线平均值的1倍预留,即预留25m。

(2)药包平面布设成直线,使上下层的双层、双排药包呈平行、对称型。药包抵抗线配置原则是:尽量保证药包正体(整体弹道法的药包单元体)抛射角相对均衡,符合平面效应原理。

(3)对同一药室不均等抵抗线的处理,采用等时性原理分配药量,间隔堵塞,按平面药包分段微差实施爆破。

(4)码头建基高程4m,底层药包高程3124～3152m,上部药室高程西区为1510～1815m,东区为1310～1718m。

(5)由于岩体非均质特性显著,各条形药包端部均未增加药量。

(6)平面药包的长抗比值L/W的范围(L为单个条形药室总长度,含分段堵塞长度;W为单个条形药包最小抵抗线的平均值):西区为218～612;东区为410～619。陆域爆区条形药包长抗比值见表1。

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3

4

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刘先魁等:平面药包抛掷爆破的漏斗特征解析

表1　陆域条形药包的长抗比值

Table 1　Length 2burden ratio of linear charges 条形药包

部　　位药室长度

/m 平均值

W /m

长抗比

备注西区底层前排751014125128平面药包西区底层后排751212126116西区上层前排401014102186平面药包西区上层后排411014192179东区底层前排681517114100平面药包东区底层后排801015105133东区上层前排791711166187平面药包东区上层后排761017144137东区单排

4910

1217

3186

单排单列

312　爆破漏斗解析基本条件

(1)根据实爆现场堆积测量成果绘制的陆域实

爆堆积平面图,见图3。

(2)根据设计与实爆成果绘制的爆破漏斗边缘线对比,见图1。

(3)根据药包不同部位(中心至端部)残留方量

计算剖面求解出的残方比、抛掷率,分别见图4和表2。

　　(4)根据平面药包底层前、后排药包抛掷堆积效果,分析不同药包部位在平面上的堆积分布形态,分别见图5、图6。

(5)根据平面药包设计参数,与抛掷堆积成果相结合进行综合解析,探讨特点与规律

。

图3　陆域实爆堆积平面图

Fig 13　Plan view of real muck

pile

图4　爆破漏斗残留方量计算典型剖面

Fig 14　Section views for calculation of remained rock in blasting

crater

图5　底层前排药包抛掷堆积平面效果图(11-11剖面)

Fig 15　Throwing muckpile from front 2row charges in bottom level (section11-11)

・

44・工　程　爆　破

图6　底层后排药包抛掷堆积平面效果图(12-12剖面)

Fig 16　Throwing muckpile from back 2row charges in bottom level (section12-12)

4　爆破漏斗特征解析

　　惠州港通用码头陆域爆区为单岸低山缓坡复杂

地形,爆区山体自然坡角仅28°～35°;药包W 大多为14～16m ,端部W 偏大一般为17～21m ,前排偏小为9～13m ;平面药包结构属典型的双层、双排、平行对称布药的小平面药包。此种地形条件下若采用单层多排条形布药结构,可以节省大量的硐室施工开挖量,但很难实现高效、远抛对接之目的,故采用小平面药包的设计是比较合理的。现对这种特定地形条件下的小平面药包结构产生的爆破漏斗特性做如下解析。411　爆破漏斗边缘线

由图1看出,设计漏斗边缘线与实爆形成的边缘线基本一致。首先,平面药包爆破漏斗边缘线的确定,已超出单个集中药包和单排条形药包所形成的漏斗边缘线范围。目前,单排条形药包的后破裂线基本是参照鲍氏公式加修正求得的,而平面药包的后破裂线在工程实践中是根据平面药包的平面角确定的。

根据黄河工程技术开发公司在惠州港、珠海港等地所实施的40多次硐室爆破工程经验,凡遇平面药包结构时,无论是抛掷还是松动爆破,后破裂线的确定均是以组成上下平面药包的垂直连线为基准,垂直连线与水平地面的夹角为平面角,一般在50°

～70°之间〔1〕

(与地形、岩性、药包组合有关)。而侧

向漏斗边缘点的确定是取端部药室1倍W (无论端部是否加药)。这种应用已被大量工程实践证明无较大误差。

从本次设计与实爆漏斗边缘对比看出,9、10号剖面附近,由于受药包后排后破裂线附近的冲沟地形影响,山体单薄,W /H 值偏大,故产生了抛体上扬堆积,增大了堆积范围。除此之外,其余剖面的堆积总体形态基本一致。局部轮廓线微差,也是由微地形变化、非均质性岩体造成的。412　残方比与抛掷率

在东、西两爆区平面药包中心,分别向药包端部等距切取5个典型剖面,分析平面药包不同部位的残方比和抛掷率,典型剖面布设见图3、图5、图6,分析结果见表2。

表2　平面药包不同部位抛掷堆积方量计算成果表

Table 2　Calculated muckpile volume thrown at different parts of a plane charge

爆区剖面

编号抛掷堆积参数实方

V /m

3

残留虚方

V 1/m

3

残留实方

V 2=V 1/η(η=113)

残方比

V 2/V 抛掷率(1-V 2/V )×100%

备注西区183712850144

56

药包端部西区21080527405013862西区3947285219012377药包中心西区41149575442013862西区5508290223014456药包端部东区68275365014456药包端部东区71262217167011387断层部位东区81208V 1　228

V 扬　48212011882药包中心

东区91392V 1　321V 扬　155366012674东区10

1674

V 1　548V 扬　234

601

0136

药包端部

　　V 扬为扬弃方量,m 3

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54・刘先魁等:平面药包抛掷爆破的漏斗特征解析

(1)自平面药包中心至端部,抛掷率逐步降低;药包端部的抛掷率除10号剖面受扬弃方量影响外,其它药包端部抛掷率均相等,即抛掷率均为56%。

(2)西爆区在没受扬弃方量影响的情况下,抛掷率自药包中心向端部减弱呈显著的对称性。

(3)东爆区7号剖面附近抛掷率偏高,是沿断层滑坡带集中冲逸所致。从实爆录相资料看出,该股抛体最大前沿冲逸距超350m。

(4)在图5、图6基础上,根据体积原理和几何相似律理论,初步得出:平面药包长抗比在218～619范围内(本次平面药包的长抗比范围),可近似将中部1/3段作为相对均衡段;将两侧各1/3段作为线性变化段,端部最低。

(5)抛掷率分析结果符合圆柱体应力波阵对称性、柱部应力大于端部、端部应力最弱的研究成果〔6〕。

413　漏斗形态与特点

在单岸山体地形条件下,平面药包(或条形药包)所形成的平面投影漏斗形态总体显示还是椭圆形,只不过是在抛掷(自由面)方向开口而已,空间形态形似椭圆形开口簸箕,长轴与布药长度平行,短轴受布药宽度。所形成的爆破漏斗坑(最低部位)中心是平面药包的中间部位,抛掷方向是平面药包的法线方向,以平面药包中心形成堆积轴线(见图7),符合条形药包具有定向性的论述〔6〕。

漏斗体积在长轴方向应是药包布药剖面的集合体,近似三角形柱体(不对称型或近似对称型)。

在抛掷(自由面)方向的两端部前沿,开口堆积梁比较明显(特别是西区端部,见图3、图4),端部开口梁堆积不仅进一步说明了条形药包的端部挟持作用,而且是条形药包端部开口的一个显著特征(端部未增加药量时)。众多工程实践证明,条形药包的端部加药(在端部无侧向临空面时),其目的是增强端部药包抵抗线方向的爆破能量,其作用是克服开口堆积梁和加大前沿开口的扩散程度,对侧向漏斗范围影响甚微。

414　药包长抗比效应

黄河工程技术开发公司自19年以来,在众多硐室爆破工程中,均是以药包长抗比判别药包类型〔7,8〕,即把L/W>1的药包作为条形药包,而将L/W≤1的药包作为集中药包。根据本次爆破药包长抗比效应看出,当药包长抗比达到某一比例范围时,将条形药包视为一个理想的圆柱体,并将抛掷率作为能量和应力作用的结果,它反映了圆柱体内能量与应力分布方面的3个1/3关系,即中间1/3属相对均等的高值区,两侧面两个1/3属变化低值区,端部最弱

。

图7　条形药包的定向性示意图

Fig17　Schematic diagram showing the directional

property of a linear charge

5　结　语

(1)本文根据设计参数和实爆堆积效果,从不同部位抛体堆积分布形态入手,利用残方比、抛掷率、长抗比等计算数据,参照体积原理、几何相似律理论,对平面药包抛掷爆破漏斗形态特征予以解析。

(2)平面药包的平面角、圆柱体效应(含条形药包)已超出鲍氏单个集中药包理论的范畴。

(3)平面药包所反映的应力波阵对称性,柱部(中间)应力大于端部,端部最弱及定向特征,与空间(或无限)介质中及平地模拟试验单列条形药包的研究成果对比,其总体效应基本吻合。

(4)单岸山体条件下,平面药包的圆柱体效应,与药包的长抗比有关,当长抗比达到某一范围时,可以解析出3个1/3对应关系。这种对应关系从总体上反映了柱部中间应力最高,逐步向端部呈线性减弱的趋势。

(5)单岸山体条件下的平面药包,其柱状应力波形的分布,与空间(或无限)介质、平地药包试验虽有许多吻合之处,但前者主要是线性变化到端部最弱,而后者是相对均衡扩展到端部,端部最弱。它反映了不同药包埋置条件下,其柱状应力波形的演变趋势。

(6)本文关于药包长抗比所呈现出的圆柱体效应,能否将其结果扩展到L/W>1附近(本次最小

(下转第61页)

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6

4

・工　程　爆　破图4　起爆网路图Fig14　Priming circuit

孔间段差”形式。图中炮孔及雷管旁边的数字为雷管段位数,括号内的数字为该炮孔起爆时间。从图中可以看出,有许多对炮孔同时起爆。

4　对非电毫秒雷管名义延期时间修改的建议

　　根据上面的分析,结合工程实际,现行非电毫秒雷管名义延期时间的修改应遵循以下原则:

(1)适当提高各段位的名义延期时间;

(2)适当加大各相邻段位名义延期时间之间的差值;

(3)6段(含)以上的任意两个段位雷管的名义延期时间的差值不能是5段(含)以下任何一个段位雷管的名义延期时间的整数倍。

根据以上原则,笔者建议将现行非电毫秒雷管的名义延期时间调整为如表2所示的数值。

　　如果能将表中的雷管用于上述网路中,问题就解决了。

　　我们知道,毫秒延期雷管的延期装置是延期药,

表2　推荐的1～15段雷管的名义延期时间

Table2　Recommended nominal delay intervals of

detonators No1～15

段别12345678

名义延期时间/ms0265590130180240315段别9101112131415

名义延期时间/ms39549059571586010151185

延期药反应时气体生成量很少,反应过程中压力变化也不大,所以反应速度比较稳定,延期时间也比较精确。从生产工艺上讲,可以通过改变延期药的成分、配比、药量及压药密度,便可以生产出不同延期时间的非电毫秒雷管。

参考文献:

〔1〕中国力学学会工程爆破专业委员会1爆破工程[M]1北京:冶金工业出版社,19921

〔2〕吴腾芳,等1爆破材料与起爆技术[M]1南京:工程兵工程学院,19911

〔3〕叶序双1爆炸作用基础[M]1南京:工程兵工程学院, 19961

(上接第46页)

为218),L/W>1附近能否作为集中药包和条形药包的相对界区;两侧部的1/3线性变化段值,能否根据对称性的抛掷特征和线性斜率变化关系,用能量、应力理论进一步加以论证,这些问题还有待今后结合工程实践、理论研究、模拟试验进一步探讨。

参考文献:

〔1〕史家土育1多排平面药包定向抛掷大爆破[A]1工程爆破文集选编(第五辑)[C]1武汉:中国地质大学出版社, 19931

〔2〕史家土育1双排平面药包毫秒微差定向抛掷爆破的研究[J]1爆破11985,4(2):12-171〔3〕冯叔瑜1延长药包爆破漏斗特性的试验研究[A]1冯叔瑜爆破论文集[C]1北京:北京科学技术出版社,19941〔4〕冯叔瑜1延长药包爆破漏斗特性[A]1冯叔瑜爆破论文集[C]1北京:北京科学技术出版社,19941

〔5〕冯叔瑜1条形药包爆破作用特性的研究[A]1冯叔瑜爆破论文集[C]1北京:北京科学技术出版社,19941

〔6〕冯叔瑜,杨年华,张志毅1条形药包爆破技术研究[A]1工程爆破文集(第六辑)[C]1深圳:海天出版社,19971〔7〕刘先魁,杨保东1群条药包的应用与实践[J]1工程爆破, 1996,2(4):85-1

〔8〕刘先魁,李　伟,鲁志承,刘义恒1条形药包松动爆破参数与堆积前沿距分析[A]1工程爆破文集(第六辑)[C]1深圳:海天出版社,19971

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杨享衢:关于非电毫秒雷管名义延期时间的讨论