STRESS AND ENERGY TRANSFER OF WATER COUPLING BLASTING

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冻结砂岩爆破破岩的能量耗散特性

为探究冻结岩体的冲击力学性能,并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗,针对寒区典型分布的砂岩,采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法,开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明:(1)冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升,而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果,相同物理参数下,砂岩的抗压强度差距不大,而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。(2)常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低,且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态,冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。(3)相同含水率下,冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态,在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。(4)将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合,得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型,可为寒区爆破工程提供参考。

不耦合装药下岩石爆破块体尺寸的分布特征

通过不同装药结构下立方体红砂岩小型爆破实验,分析了岩石的损伤程度和破坏模式,同时引入三参数极值分布函数量化岩石爆破块体尺寸分布特征。此外,根据岩样R1的爆破实验结果进行了有限元数值模型验证,基于验证的模型展开了岩石单孔爆破损伤破裂行为的模拟,讨论了径向、轴向不耦合系数和耦合介质对岩石破碎效果的影响。结果表明,三参数极值分布函数可以较好地表征岩石爆破后破碎块体尺寸分布特征,块体平均尺寸随着不耦合系数的减小呈线性降低趋势,且破碎块度趋于均匀。通过比较不同耦合介质装药时岩石内部的能量分布特征和破坏体积发现,水作为耦合介质时,爆炸能量的传递效率最高,其次分别是湿砂和干砂,空气的能量传递效率最低。结合等效波阻法计算的理论应力透射系数可以很好地反映不耦合装药时岩石的破碎程度。

基于能量传输效率控制的现场混装炸药与岩石匹配方法

炸药与岩石的匹配关系对于提高炸药能量利用率、提升爆破效果与降低成本至关重要。首先分析了钻孔爆破中爆破能量的分配规律,然后考虑现场混装炸药的非理想爆轰特性和岩石应变率效应对岩石钻孔爆破破坏分区计算模型进行了修正,在此基础上建立了基于能量传输效率控制的现场混装炸药-岩石匹配模型,最后结合现场试验对新的炸药-岩石匹配方法的合理性进行验证。结果表明:新方法综合考虑了现场混装炸药非理想爆轰特性和岩石应变率效应对爆破破坏分区范围的影响,可以直观地反映爆破破碎效果及能量有效利用率,更加科学合理。不同炸药-岩石匹配条件下的爆破块度试验证实了匹配结果与传统波阻抗理论并不总是一致,采用新的现场混装炸药-岩石匹配方法,爆破粉矿率较原有炸药参数有明显的降低,爆破大块率从6.7%下降至1%以下,进一步验证了新方法的合理性。

炸药与岩石的全过程匹配

本文从爆破过程能量分配和利用的角度出发,分析提高能量利用率的途径。通过研究认为,应力波能和气体能大小以及它们之间的比例将影响能量利用率的高低,而这些又受岩石、炸药和孔网参数等综合因素的制约,因此,在合理匹配炸药与岩石时,应考虑炸药与岩石相互作用全过程的能量传递关系,从而提出炸药与岩石全过程匹配的观点。

爆破破岩机理的实验研究

通过实验研究了在耦合装药及药包总爆炸能（Ｅ）大致相同的情况下，冲击能（Ｅｓ）与膨胀能（Ｅｂ）之间分配比例的变化，对爆炸应力波峰值及介质破碎质量带来的影响．实验结果表明，柱状药包爆炸时，在介质中先后产生原生爆炸应力波和次生爆炸应力波，前者与Ｅｓ的作用密切相关，后者与Ｅｂ的作用直接相关；介质破碎块度分布主要取决于这两个应力波共同作用的结果．据此，作者提出了原生爆炸应力波、次生爆炸应力波与介质中存在的缺陷共同作用的爆破破岩机理．

炸药性能与岩石匹配的试验研究

为了探究炸药和岩石的匹配关系,以寻求最优的匹配效果,最终将大块率控制在合理范围以内,创造良好的经济效益和社会效益。在江西德兴铜矿爆破施工中,采用岩块投影的最大面积和周长作为衡量矿岩块度的标准几何特征参量,并运用AutoCAD二次开发VB编程进行数据处理,采用回归分析法探讨炸药和岩石的匹配关系,最后得到最优匹配区的匹配系数为2.50~2.58。

论炸药和岩石的能量匹配

论述了炸药和岩石的阻抗匹配、全过程匹配和能量匹配的基本原理。传统的阻抗匹配以阻抗为基础，要求炸药阻抗等于或近似等于岩石的波阻抗。全过程匹配要求弹性摸量大、泊松比小的坚硬、致密岩石选用高威力炸药；松软、塑性大、强度低的岩石选用爆速低、爆热高的炸药。从能量匹配原理可知，破碎岩石所做功的能量应与炸药爆破产生的能量相等或基本相等，因此可通过增减装药量来调整作药爆破能量，以适应破碎岩石的需要。

炸药爆轰性能变化对破岩效果影响的实验研究

在耦合装药条件下 ,通过两组对比爆破破碎实验 ,研究了炸药爆轰性能变化对破岩效果的影响。第一组实验 ,采用相同的冲击能 (Es)与膨胀能 (Eb)比值的柱状药包 ,爆破破碎不同波阻抗的混凝土介质 ;第二组实验 ,采用不同的冲击能 (Es)与膨胀能 (Eb)比值的柱状药包 ,分别爆破破碎相同的混凝土介质。实验结果表明 ,随着炮孔孔壁上产生的透射应力波峰值 (Pt)的增大 ,第一组实验的小尺寸破碎块度的产出量 (MSF)随之上升 ,而第二组实验的MSF随之下降。分析结果表明 ,药包爆轰性能的改变 ,使得Es 和Eb的加载水平发生相应的变化 ,进而影响到MSF的变化趋势。MSF取决于Es 和Eb 加载的共同作用结果。这表明除Es 冲击加载外 ,Eb 动态加载在爆破破岩过程中起了积极作用。

混装炸药的能量与岩石性质匹配研究

炸药与岩石的合理匹配可以有效提高炸药的能量利用率,改善爆破效果。为研究炸药与岩石匹配关系对爆破效果的影响,在新疆某露天煤矿采集了不同平台的岩石试样,通过开展岩石静态力学试验,获得了不同岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和抗拉强度。通过开展SHPB岩石动态冲击试验,获得了不同冲击荷载对岩体应力应变及岩体破坏特征的影响规律。基于混装乳化炸药不同组分配比的调整,通过混装乳化炸药爆速测试和密度测试,获得了5种不同性能的混装乳化炸药配方。基于炸药与岩石能量匹配理论,建立了基于BP神经网络的炸药与岩石能量匹配模型,通过测试样本对训练好的PSO-BP神经网络进行测试,三组预测的平均误差分别为5.09%、7.26%和4.79%。最后,将炸药与岩石能量匹配模型在新疆某露天矿1252西平台、1228东平台和1180西平台进行了工程应用。结果表明:相比传统的炸药配方和爆破参数,通过混装炸药能量与岩石性质匹配关系选择的炸药不仅能够降低炸药单耗,同时大块率、后裂距离等爆破效果指标也得到了有效改善。

调整炸药岩石匹配爆破试验研究

在研究过程中测量油母页岩岩石、岩体弹性纵波速度,确定选取炸药类型,采用BP神经网络和经典炸药岩石匹配理论相互论证炸药性能的数据调整方案、在相同爆破参数条件下进行油母页岩炸药和岩石匹配爆破试验,采用Split-Desktop软件分析试验后岩石块度分布以验证匹配效果。在试验后分析了油母页岩岩石块度分布,发现尾矿率升高,试验结果不理想。通过对爆破试验设计的分析,排除孔网参数、装药结构等的可能性;总结出岩体节理裂隙、节理面与自由面交角、爆破延期时间3方面原因。