（安全技术及工程专业论文）炮孔堵塞机理与试验.pdf

a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fb l a s t h o l es t e m m i n g ，i t sm e c h a n i s ma n d e f f e c tr u l eo nb l a s t i n gr e s u l t sw e r es t u d i e db ys t e e lt u b es i m u l a t i o nt e s t ，b l a s t i n g v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n dc a v i t ye x p a n s i o nt e s tf o rs o i lm e d i u ma n db la s t i n g d a m a g et e s to nc e m e n tm o r t a rm o d e l s i m u l a t i o nt e s to nl a t e r a lp r e s s u r ee f f e c tw a sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r a t f i r s t ，t h ea u t o rf i n i s h e dt h ea x i a ll o a d i n gt e s t so ns t e m m e dm a t e r i a l sb yu n i v e r s a l t e s t i n gm a c h i n e ，s i m u l a t i o no fc o m p r e s s i v ee f f e c to fq u a s i - s t a t i cp r e s s u r e o n s t e m m e dm a t e r i a l sw h i l ea ne x p l o s i o nh a p p e n si nah o l ea n dm e a s u r e m e n to f c h a n g el a w so fw a l ls t r a i nw i t ht h el o a d i n gp r o c e s sa n ds t e m m e dm a t e r i a l so f d i f f e r e n tp r o p e r t i e s t h et e s tr e s u l t s ：t h es t e m m e dm a t e r i a l sh a v eo b v i o u s l y l a t e r a le f f e c to nt u b ew a l lu n d e ra x i a lc o m p r e s s i o n ；t h el a t e r a le f f e c tv a r i e sw i t h p r o p e r t yo fd i f f e r e n ts t e m m e dm a t e r i a l s t h e nt h ea u t o rf i n i s h e dt h es i m u l a t i o n o fb l a s t h o l es t e m m i n gt e s tb ys t e e lt u b e ，a n dd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ew a l l s t r a i no fs t e m m i n gs e g m e n tf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e n d e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fw a t e rc o n t e n t ，a n df i n a l l yd e f i n e dt h eo p t i m a lw a t e rc o n t e n tr a n g e o fs t e m m i n gw h i l et h e1 a t e r a ls t r a i nr e a c h i n gt h em a x i m u m 。 t h eb l a s t i n gd a m a g ee f f e c tt e s to nc e m e n tm o r t a rm o d e lw a sc u n d u c t e di n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a n g i n go fs o u n dw a v ev e l o c i t yp r ea n dp o s t b l a s t i n go fm o d e l s ，r e d u c t i o nr a t eo f w a v ev e l o c i t ya n db l a s t i n gd a m a g ed e g r e e o fm o d e l sw e r ec a l c u l a t e do u tb yu s i n go fs t a t i s t i c a lm e t h o d a n a l y s i so ft h e r e s u i t ss h o w e dt h a tb o t hr e d u c t i o nr a t eo ft h es o u n dw a v ev e l o c i t ya n db l a s t i n g d a m a g ed e g r e eo fm o d e l si nt h ev i c i n i t yo fe x p l o s i o ns o u r c ei n c r e a s e dl i n e a r l y w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es t e m m i n gl e n g t h a c c o r d i n gt ot h es i n g l eh o l eb l a s t i n gt e s t u n d e rs i n g l ef r e ef a c ei nh a r d l o e s s ，w ef o u n dt h a tt h ep e a kv a l u e so fv i b r a t i o nv e l o c i t yo fs u r f a c em e d i u m p o i n t si nt h en e a ra n dm i d d l ed i s t a n c ef i e l do fe x p l o s i o ns o u r c e ，a t t e n u a t i o n t o e f f i c i e n ta n ds i t ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es t e m m i n g l e n g t h ，t h ep a r a m e t e r so fb l a s t i n gc r a t e rs u c ha sd i a m e t e r h e i g h t ，v o l u m ea n d s o o ni n c r e a s e dm o n o t o n i c a l l ya sp a r a b o l at r e n d ，w h i c hc o u l da l s ob e u s e dt o d e t e r m i n et h eo p t i m a ls t e m m i n gl e n g t h k e y w 。r d s ：s t e m m i n ge f f e c t ；l a t e r a l p r e s s u r e e f f e c t ；s t e m m i n gl e n g t h ； b a l s t i n gd a m a g e ；b l a s t i n gc r a t e r 。 甜胁 鳃 。 酞 随 l d 蛆 玲n 蓍 l 呲 胁c 萤嘶 e m m 溉 衄m 河 雕 鸣 朗 托 掀一叭 心m 姗曩 刚一一 向 咖 鲫恤龇砌 弦泐哪舯| | ；? 哪 阳 懿鼬e ，a 订瞎h 鲥嘲 慨曲 瞎沁 n d 扛吒 n 豇 孙 删删 眦 m h 矿 一一一 呜：萤 姗 ，h 副 l 、jhu n 一m m 1 3 e 蛐 o 聆 曲 r m t 3 3 蚰c 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名：讣渝 日期：易8 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅：学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名叫甲杉【易一唧咧胁 俨p 甚 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1问题的提出及研究意义 随着世界经济全球化和我国经济建设的迅猛发展，岩土钻爆法施工技术 在矿山、交通、水利、水电、环境、建筑、国防建设等各个领域得到了广泛 的应用，并带来了显著的经济和社会效益。 炸药的爆轰过程和岩体在爆破作用下破碎的过程都是十分复杂的，这是 因为影响这些过程的因素很多，如岩石物理力学性质和岩体结构特征、装药 结构和堵塞质量、爆破参数及起爆方法等。这些因素相互关联，共同作用。 在人们普遍重视综合效益的今天，随着集约经济的发展，为了节约成本、提 高效益，影响爆破效果的炮孔堵塞是钻爆法施工需要重视的一个基本环节。 炮孔堵塞物成分、性质、堵塞质量和堵塞长度等对药柱爆轰波的传播、炮孔 中爆炸气体压力的变化、岩体中的应力波强度、爆破效果和爆破安全等都有 重要的影响。所以，炮孔堵塞问题一直受到人们的关注，并进行了不少的试 验和研究工作，取得了一定进展。 但是到目前为止，关于炮孔填塞的作用机理，爆炸气体压力和岩体中应 力分布的变化与堵塞参数的关系，最优堵塞长度及堵塞结构的合理确定等问 题的研究还很不全面和深入，以致在理论上仍然存在不完全一致，甚至是对 立的观点。在生产施工中，炮孔填塞参数还是多采用经验方法选取，有着相 当大的局限性和盲目性，不能适应现代生产发展和经济建设的需要，特别是 部分爆破工作者仍然对炮孔堵塞作用认识不够，例如一些隧道掘进爆破延续 采用不堵塞爆破，采用增加炸药量来代替堵塞材料的方法，这不仅影响爆破 效果，增加爆破成本，而且爆破有害效应严重。因此，进一步对炮孔填塞作 用机理及炮孔堵塞参数对爆破效果的影响等问题进行试验研究，具有十分重 要的现实意义。 1 2炮孑l 堵塞研究现状 1 2 1堵塞作用机理研究现状 1 2 1 1 堵塞作用机理研究 炮孔堵塞的爆破试验国内外已进行过多次，1 9 1 2 年s n e l l i n g 和h e l l 研 究了填塞炮泥量对铅柱中爆炸空腔大小的影响，认为填塞重量的增加能导致 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 空腔体积增大，但填塞重量超过临界值后空腔体积不再继续增大。 前苏联a h 哈努卡耶夫心，研究认为：“( 堵塞) 可以制止药包的移动， 并可以减少矿尘，减少毒气含量，保证爆破质量，并提高了爆破工作的能量 利用系数。”“堵塞可以增加爆炸产物对药室( 炮孔) 壁的作用时间，也就使 冲击波和应力波的作用时间相应加长，因而有更多的能量转移到岩石中使岩 石破碎”。堵塞对空气冲击波能量的影响方面，：多数研究者认为，在不同的 条件下堵塞能提高爆破效果1 0 5 0 ；a h 哈努卡耶夫证明，当采用堵塞时 岩体中应力波的比能比爆破时没有堵塞的同样药包要大一倍；a 巴乌姆根 据理论研究得出结论，堵塞能使传给孔壁的全部爆炸冲量增加2 0 。 p j h o m m e r t 在台阶爆破试验中，测得填塞炮泥的爆破岩块动量比不堵塞的 大6 5 t “。为了说明堵塞的作用，德国的约翰逊和霍夫梅尔斯曾在均质的岩 盐矿中进行对比试验，以临界抵抗线的大小作为衡量爆破效果的标准，结果 表明：用软木塞的效果与不堵塞几乎是一样的，在同等爆破效果下，粘土堵 塞炮孔时炸药消耗量降低了2 5 ，。 日本下村，通过试验得到了堵塞物与爆破漏斗体积的关系，由此从哈乌 萨的药量计算公式得到，不堵塞时，炸药消耗量是完全堵塞的1 2 5 倍。邓 君华等人 ，通过小台阶混凝土模型试验得出，填塞物对爆破破碎过程的影响 主要是通过改变岩体应力大小和作用时间来完成的：与不填塞相比，填塞物 能增大应力和延长应力作用时间，在当时试验条件下，填塞物使应力幅值增 加了2 6 ，使第一波应力作用时间增加9 4 。赵新等，在混凝土块试件中进 行填塞炮泥和不填塞炮泥的爆破漏斗体积对比试验，发现填塞炮泥的爆破漏 斗体积比不填塞炮泥的大5 l o ，填塞炮孔爆破漏斗周围裂隙发育程度明 显强于不填塞情况。中铁西南科学研究所研制的炮泥制作专用设备 p n j 1 型炮泥机的出现，说明优质的炮泥是炮孔进行充分填塞的必要条 件，也更说明了堵塞作用的重要性，。 陆文，等人根据炸药爆炸对岩石介质的破坏过程，讨论了炮孔堵塞延长 爆生气体对岩石作用时间的机理，并对有无堵塞的工程爆破实例进行了爆破 效果比较，阐述了炮孔堵塞的重要性。张电吉“盯通过分析中科院力学研究所 用x 射线高速摄影方法对土中及水泥砂浆模型爆破试验拍摄的爆炸炮孔空 腔形成过程后，指出一般在从孔底起爆的露天台阶爆破中，孔内炸药起爆后， 应力波的波阵面以斜线方向从炮孔向四周传播，如果炮孔堵塞长度太大，由 于在最小抵抗线方向先开裂破坏，炸药爆炸的冲击波和爆生气体主要作用于 炮孔底部，使得孔口附近表面没有足够的能量充分破碎岩石，会产生大块； 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 另一方面，如果堵塞太少，那么在冲击波引起最小抵抗线方向产生开裂破坏 之前，孔口先开裂破碎，这时就会产生冲炮和飞石，也不利于炸药能量充分 利用。 高菊如等人分析了我国隧道施工炮孔填塞现状，阐述了炮孔填塞的理 论根据和意义。通过国内外大量的试验数据及隧道爆破试验，提出了推广隧 道开挖炮孔填塞技术及炮泥制作设备的建议。坚信“良好的炮孔填塞可以大 大提高炸药能量的利用率，有效改善爆破效果、降低爆破成本及减少有害气 体生成量 的科学论断。 我国煤炭和冶金部门n 引很早就鲜明和强烈地强调堵塞炮泥的作用。指 出：“良好的堵塞可以阻止爆轰气体产物过早地从装药孔洞中冲出，并在岩 石破裂之前使装药孔洞内保持高压状态。这样就使得有效破碎能量大大增 加。一般在堵塞良好的炮孔中，爆速和殉爆度都有显著的提高，使用爆速较 低的炸药时尤为显著。” 1 2 1 2 堵塞作用功效研究 根据破岩机理，不堵塞时，爆破压缩应力产生的切向力形成的正向裂隙 沿最小抵抗线还未伸展到爆炸能量所能达到的距离，爆炸气体就从孔穴中冲 出，沿孔穴方向卸载，这就必然使应力波的作用削弱或自由面的裂缝停止扩 胀；又因作用在眼壁上的压缩应力产生的切向应力随缓冲系数( 炮孔直径与 药包直径的比值) 的增加，呈指数函数减小，炮孔不堵塞就相当于增加其直 径使缓冲系数加大，切向应力及其作用就必然降低n ”。 由于爆破破岩是冲击波和爆生气体膨胀动力共同作用的结果，破岩能量 主要分两部分，即应力波能和气体膨胀能。冲击波传给岩石的能量占爆炸能 量的4 2 0 ，而爆炸气体生成物传给岩石的能量超过了5 0 n ，。铁科院对条 形装药爆破能量的分配比例测试表明：冲击波( 包括应力波) 能占4 3 7 ，气体 膨胀能占5 6 3 n “。因此，冲击波只是为岩石破碎创造重要的先决条件，即 引起岩石预裂，而爆炸气体膨胀的动力作用才是决定岩石破碎的主要因素，。 而堵塞与否爆破效果则迥异，大量的研究结果表明，炮孔堵塞作用可以改善 爆炸产物对岩体的作用条件，堵塞的功效具体表现为： ( 1 ) 增加爆炸产物对炮孔壁的作用时间，也就使冲击波和应力波的作 用时间相应加长，因而有更多的能量转移到岩石中使岩石破碎心”。但炮眼 堵塞质量会影响爆炸应力波的参数，从而影响岩石的破碎过程和炸药能量的 有效利用”。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 延缓爆生气体从孔口冲出时间，防止“冲天炮 ，使炮孔中的爆炸 气体产物的压力峰值相对增加，爆炸能量损失减少，同时降低了孔口空气冲 击波强度。堵塞物这种作用的实现主要在于：一方面，应力波通过堵塞物时 使其压紧和产生塑性变形，把爆炸产生的冲击波衰减为速度较低的应力波， 堵塞物的衰减作用比炮孔周围的岩石要大。孔口堵塞物被冲出以前，在爆炸 气体冲击波作用下，应力波传播通过堵塞物后，缓冲了冲击波的尖峰压力， 使堵塞物内聚力及其与孔壁之间的摩擦力增加，这都有助于增大抗冲出阻 力。另一方面，因炮泥具有一定的质量，炸药爆炸后产生的气体要冲出炮孔 口，需瞬间把炮泥加速到很高的速度，且必须克服炮泥的惯性阻力，以及炮泥 与炮孔壁和炮泥内部颗粒之间的粘结力和摩擦阻力 1 4 - | g ，。 ( 3 ) 促进炸药的反应，使之尽可能释放出最大热量和减少有毒气体生成 量，并降低爆炸气体逸出自由面的温度和压力，提高炸药的热效率，使更多 的热量转变为机械功，提高了爆破工作的能量利用系数。同时，避免灼热气 体和固体颗粒引爆炮孔外的可爆物( 如瓦斯、煤尘等) 或从炮眼内飞出而造成 安全事故删。 ( 4 ) 可将作用在堵塞体里端面上的爆炸气体压力传给被爆破介质，从而 增加被爆破介质所受的最有效破坏力：可改变部分介质的受力状态，使之由 受压变成受弯，从而降低其破坏和崩落的难度；可通过改变炮泥在炮孔中所 处的位置，改变各部分爆炸气体压力的相对比例和作用位置、作用范围，从 而改变被爆破介质的破坏形式和破坏范围，提高炸药能量的有效利用率和爆 破效率 n ”。因此，炮孔是否需要堵塞取决于多种因素。其中，爆破的类型、 被爆岩矿的性质及其边界条件、炸药的爆速、炮孔的直径和装药系数等都是 其决定性因素。有些爆破炮孔需要堵塞，以利用炮孔堵塞体的不同作用来达 到其不同的爆破目的；另有些爆破，因炮孔的堵塞对其爆破效果和效率影响 不大，因而可堵可不堵；还有些爆破( 如采石) ，其炮孔无需堵塞，因为堵塞后 反而可能会引起爆害。 1 2 2炮孑l 堵塞长度研究现状 由于堵塞长度的重要性，许多学者在这方面做了大量工作。前苏联b a 阿索诺夫幢们研究认为：为了增加堵塞的阻力，在任何情形下堵塞长度不能小 于最小抵抗线，而是较最小抵抗线的值大1 0 l5 ；并给出了堵塞长度降 低时，确定药包量变化的改正系数。t n 纳贡等人心“，从安全角度出发，为 了减少岩块的飞散，建议填塞长度为孔径的2 0 2 5 倍。苏联b b 波杜纳科夫 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 等人幢”，从爆炸能量利用的观点出发，研究了堵塞对长柱药包作用的影响。 认为填塞重量应为装药重量的l 1 6 倍。当装药密度为0 9 5 9 c m 3 , 填塞密度 为1 6 9 c m 3 时，填塞长度应为装药长度的0 6 0 9 倍。m o 杜鲁科凡等人心”， 通过生产试验确定，在f - 1 2 1 6 的硬岩中，对于孔径为2 0 0 2 5 0 毫米、段高 为1 2 1 5 米的深孔爆破，合理的填塞长度为2 3 米。但需用块度为2 0 2 5 厘米的粗粒( 占6 0 ) 与细粒混合物做填塞料。日本须藤秀治等人心列认为： 堵塞的长度根据炮眼直径的不同而有所不同，一般认为以下所给的值大体上 是绝对需要的，眼径2 5 、5 0 、7 5 毫米，堵塞物长度相应为18 、4 5 、5 0 厘米。 美国a b 卡明斯、i a 吉文他“，从炮泥减小空气冲击波，在一定程度上 约束爆炸气体，以使空气振动和飞石危害降低到最低程度的观点出发，对小 直径炮眼的装药提出主张认为：堵塞长度应等于孔径的1 4 2 8 倍。澳大利亚 学者哈里斯和哈根们认为，要使工作面得到适当破碎，堵塞长度大约与抵抗 线相等。最佳的堵塞长度极大地依赖于岩石性质，大约在炮孔直径的1 6 4 8 倍之间变化。 美国康尼亚( c j k o n y a ) 等用臼炮作了不同装药时的堵塞参数测定。 用压力传感器记录爆炸压力，用接触传感器记录堵塞材料内各点开始移动的 时间。建议堵塞长度l s 与孔径d 比值的计算公式为：l s d = 0 5 ( 1 2 7 8 3 1 n p 1 0 7 4 3 ) 。式中，p 为孔内气体压力( p a ) 。由于现场爆破的试 验条件有所不同，岩石在爆破过程中产生破碎和变形的程度有差异，堵塞物 冲出前炮孔直径可增大2 3 l 倍，气体压力下降，上式可修正如下：l s d = 0 18 ( 1 2 7 8 3 1 n p 1 0 7 4 3 ) 。该项研究测得现场孔内的爆炸气体压力为3 7 k p a 。按 此数值计算，当孔径在爆轰过程中不增大时，l s d = 3 0 ；当孔径增大2 3 倍 时，l s d = i1 。前者相当于大抵抗线，岩石是很坚硬的条件；后者相当于小 抵抗线，岩石不很坚硬的条件。这个计算式没有考虑岩石的破碎过程及其相 当的堵塞物在孔内滞留的时间。由此试验得出，粒径为8 + 1 4 目的堵塞材料 效果最好，所需的堵塞长度最小，其堵塞材料的颗粒平均尺寸为孔径的1 2 5 。 此外，还通过岩石中的单自由面的炮孔爆破得知l s d 值随岩石特性的变化 较大，岩石密度越大越坚硬，破碎过程经历的时间越短，所需的相对堵塞长 度较小。堵塞长度还与炸药特性有关，炸药威力较高时，所需堵塞长度较大。 l s d 值约在1 0 - - - 3 0 之间变化。 高晓初等人他引从实际爆破中堵塞物运动的角度出发，在首钢水厂铁矿进 行大区多排微差爆破期间，在坚硬、普通、中硬三种矿岩中进行了1 2 次测 试，共计2 0 个炮孔。测试结果表明，填塞长度3 米左右不会出现爆炸气体 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 过早逸出所造成爆炸能量损失，可以满足堵塞要求。 杨祖光n 盯在瑞典律勒欧大学用缩小尺寸的磁铁矿精矿粉混凝土试块，作 了堵塞长度对破碎效果影响的实验室研究。试验结果表明：最优的堵塞长度 为( 0 5 1 ) w ，这时破碎效果稳定，易于控制破碎块度；l s w 时，大块率 增加，破碎历时延长，对孔壁临近药包部分的岩石破坏加大，这在某些爆破 中要尽量避免。 张奇根据“均压 和炮孔孔壁整体同时破裂的基本假设，导出了计算浅 孔爆破水炮泥堵塞长度的公式，认为炮孔堵塞是减小爆炸空气冲击波强度的 关键，合理确定水炮泥长度，才能防止爆炸空气冲击波引燃瓦斯瞳6 ，；在保证 爆炸能量得到充分利用的前提下，讨论了光面爆破的最优堵塞长度问题，并 指出：光面爆破的最小炮孔堵塞长度与堵塞材料、岩石性质、炮孔几何参数 以及跑孔间距有关幢6 ) 在讨论粘土爆炸压实与柱形装药之间的关系时，认为： 炮孔堵塞是影响压实效果的重要因素，在一定范围内，爆炸空腔半径随炮孔 堵塞长度而增大，堵塞长度较小时炸药威力对粘土爆炸压实作用大小的影响 不明显心”。 邓正道幢引根据岩石破碎观点，从松动台阶顶部不装药部分岩石的条件出 发，讨论了在均匀、致密岩石中的炮孔堵塞问题，推导出了一个计算合理堵 塞长度的近似公式。陈士海等人心们通过对台阶爆破装药等效简化，依据利文 斯顿爆破漏斗理论，推导出了台阶爆破的合理堵塞长度公式。杨年华引针对 隧道开挖爆破的特点，推导出了合理堵塞长度的计算公式，此式考虑了炸药 和岩石的波阻抗匹配参数，但忽略了炮泥的摩擦阻力和炮泥的压缩性，所以 它计算的堵塞长度偏于保守。 喻长智等人n 们在分析台阶爆破特点的基础上，提出了计算破碎炮孔顶部 岩石炸药量的计算公式，并依此建立了计算炮孔堵塞长度的数学模型。 罗勇等人睛1 圳基于爆破理论和应力波理论，分析了炮孔堵塞物的作用机 理及其在炮孔中运动过程，推导出了炮孔堵塞长度的计算公式，并对合理炮 孔堵塞长度的选取进行了现场试验。认为：爆生气体压力克服堵塞物与炮孔 孔壁面的摩擦阻力推动其沿炮孔轴向运动；堵塞物的运动与其长度及炮孔尺 寸和装药结构有关，增加堵塞物长度及其充填密度均可明显延长了应力波和 爆生气体对被爆介质的作用时间，改善爆破效果；堵塞长度过大或过小均对 控制破碎块度不利，平均块度会相应增大或大块率提高。由于爆破现场条件 的复杂性，如何依此理论基础合理确定最佳堵塞长度，还要和实际中不同的 爆破要求联系起来。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 我国煤矿安全规程口引对堵塞也有明确规定： ( 1 ) 炮眼深度小于0 6 m 时，不得装药放炮； ( 2 ) 炮眼深度为0 6 1 0 m 时，封泥长度不得小于炮眼深度的二分之一； ( 3 ) 炮眼深度超过l m 时，或使用割煤机掏槽的炮眼，封泥长度不得小 于0 5 m ； ( 4 ) 光面爆破时，周边光面炮眼的炮泥封严，炮泥长度不得小于0 3 m ； ( 5 ) 工作面有两个或两个以上的自由面时，在煤层中最小抵抗线不得 小于0 5 m ，在岩层中最小抵抗线不得小于0 3 m ，浅孔装药爆破大岩块时最 小抵抗线和封泥长度不得小于0 3 m 。 1 2 3堵塞物运动规律研究现状 在堵塞物的运动规律方面，林德余等人哺 分析指出，炮孔中药柱上面的 填塞材料，在爆炸气体压力作用下向孔口方向运动，运动速度的大小及变化， 填塞材料自孔口飞出所经历的时间，除了受爆炸气体压力大小的影响外，还 受填塞材料本身的物理力学性质，如强度、内摩擦系数、粒度、密度等的制 约。所以填塞材料在炮孔中的运动是一个受多因素综合影响的过程。研究表 明，在爆炸气体作用下，不同深度的材料不以同一速度向上运动，上部材料 比下部材料速度大，从而导致填塞材料在其运动过程中不能保持原有的整体 性。根据i s a k o v 等人n 6 ，的观测结果，孔内的堵塞物首先被炮孔内的冲击波 压实，然后向孔口移动，直至全部冲出炮孔。美国康尼亚( c j k o n y a ) 等用 臼炮测定不同装药时堵塞物冲出速度，用压力传感器记录爆炸压力，用接触 传感器记录堵塞材料内各点开始移动的时间。根据测得的爆炸压力，从位移 时间曲线，导出孔内堵塞物移动初始速度为：1 9 0 m s ( 10 9 装药) 3 4 0 5 0 0 m s ( 4 0 9 装药) 。美国c h i a p e t t a 阿特拉斯炸药公司在地表漏斗爆破中测定地表 和堵塞材料的运动速度。孔深1 5 米，孔径3 8 l 毫米，用钻孔岩屑堵塞6 米， 炸药为水胶炸药。用高速摄影进行观测，测定的七个孔结果如下：从起爆到 地表开始移动的时间1 7 3 0 毫秒，平均2 5 毫秒；堵塞物开始冲出的时间是 3 0 6 0 毫秒，平均4 5 毫秒。孔口地表上升速度1 0 3 7 米秒，平均2 1 米秒。 堵塞物冲出速度9 0 3 4 5 米秒，平均2 5 6 米秒。长沙矿冶研究院在花岗岩和 磁铁矿中测定堵塞物的冲出速度，孔径2 5 0 米，孔深1 3 1 6 米，装药长7 1 1 米，堵塞长2 7 5 米。测得平均冲出速度为2 4 2 6 4 米秒，局部可高达4 5 5 5 米秒。当堵塞长度为2 米时，即堵塞长度与孔径比l s d = 8 堵塞物明显冲出。 从观测结果来看，露天台阶爆破的堵塞物的冲出速度一般不超过2 5 4 0 米 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 秒n ”。 费鸿禄引用力学原理及爆炸力学理论推导出台阶爆破中炮孔充填物的 运动规律，结果表明，炮孔充填物运动的最大加速度是离开孔口之时，最大 加速度是充填物运动开始；t - u 、t v 曲线变化分为三个阶段：充填物运动之 初位移变化缓慢，而速度变化急剧；中段位移变化急剧，速度变化比较平稳； 充填物离开孔口前二者仍继续上升。t - a 曲线于上者变化相反。理论得到的 变化规律与实验结果吻合，可作为计算充填长度的依据。朱泽云7 ，通过建立 堵塞料的压缩物理模型和运动模型，分析堵塞料在孔内的行为，从而指出堵 塞料的主要作用在于衰减冲击波，提高爆炸气体生成物对岩石破碎移动作 用，并导出了最佳堵塞长度的公式。还讨论了影响堵塞作用的有关因素，其 中适当增大堵塞料的孔隙率可增强堵塞对冲击波的衰减作用，增大堵塞料的 比重、内摩擦角、粘结力等均可提高堵塞料的作用，改善爆破效果。宗琦引 从爆破能量利用率的角度出发，分析了炮孔装药爆破时炮泥的受力情况，建 立了爆生气体压力作用下炮泥在炮孔中的运动方程，并根据炮泥压缩过程的 动量守恒和运动过程中的能量守恒原理，求算出炮泥运动的初始速度和最终 脱离孔口时的飞出速度。吴德义等人引应用流体力学特征线的基本方法分析 了炮孔内爆轰产物的分布以及水炮泥在炮孔中的运动规律，对于实际工程中 的一些具体情况，提出了确定水炮泥堵塞长度的方法。 1 2 4 堵塞物性质及堵塞方法研究现状 1 2 4 1 堵塞材料性质及堵塞结构研究 用于炮孔堵塞的材料有松散( 固) 体堵塞材料，如岩粉、砂子、粘土等； 化学( 胶体) 堵塞材料，如磷石膏、酸碱膨胀剂、速凝胶结物溶液等；液体 堵塞材料，如水等町 4 1 ，。堵塞料本身的性质不同，则对最终的爆破效果也不 同，如堵塞物在孔内运动速度大小影响其作用效果。运动速度大，爆生气体 生成物冲出早，反之则冲出炮孔晚。而堵塞物的运动与堵塞物的比重有关， 增大堵塞材料的比重则可减少堵塞物的运动速度，增大冲出炮孔所需的时 间，从而改善爆破效果。冲击波的衰减与堵塞材料的波速有关，波速越小， 冲击波衰减越严重。而堵塞材料的波速受孔隙率的影响较严重，孔隙率越大， 波速越小，则冲击波衰减也越大。因此可以适当地增加堵塞材料的孔隙率来 增强堵塞对冲击波的衰减作用。松散体堵塞材料的内摩擦角、粘结力都远小 于用混凝土堵塞材料的内摩擦角和粘结力，但后者的堵塞效果却不如前者， 其主要原因是前者的测压系数远大于后者，因此为提高堵塞作用，减少堵塞 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 材料的长度，必须尽量选择测压系数较大的堵塞材料“。研究3 ，表明：合理 选择堵塞物类型和粒度组成，可以使所需要的堵塞量降低4 1 ，且用粒度约 为炮孔直径1 2 5 的堵塞材料封闭药包时效果最好。 日本下村，在进行堵塞物与爆破漏斗体积关系的试验中，得到了不同 堵塞材料含水量与充填阻力的关系，当选用粘土质堵塞物时，含水量在3 5 以上时，充填物的阻力接近于0 ，在2 3 附近，阻力最大，在1 0 以下时逐 渐变小；当选用砂质堵塞物时，含水量在9 5 附近时阻力达最大值。一般 的砂、粘土混合的堵塞物，其配比为砂：粘土= 4 0 ：6 0 ，含水量1 4 时，这 时摩擦阻力最大，堵塞效果最好。 汪传松从原材料的选择、配比设计、性能试验、使用方式和现场试验等 方面介绍了炮孔堵塞料包的研制情况引；通过比较新、旧两类不同炮孔堵塞 材料所形成的炮孔堵塞体在抗滑、抗剪能力、炮孔中的运动形式、传递爆炸 气体压力的作用，以及所吸收的爆炸能量等几个方面的堵塞性能，得出新的 炮孔堵塞材料所形成的炮孔堵塞体，无论是在封闭炮孔、提高炮孔中的爆炸 气体压力、改变被爆岩矿的受力条件、降低其破坏难度方面，都远优于传统 炮孔堵塞材料h ”。 不同的堵塞方式对炮孔最佳堵塞参数的要求不同，同种起爆方式下不同 的堵塞材料对炮孔最佳堵塞参数也不一样，堵塞结构、材料等的变化致使爆 破效果迥异。 陈新华引以柱状药包爆炸作用的机理为基础，分析了在爆破能量充分利 用下，各爆破物理参数间的相互关系，从而确定出最佳的堵塞结构参数。并 得出结论：对不同堵塞材料反向起爆所要求的堵塞长度要比正向起爆所要求 的长度小，对于同种起爆方式砂子和粘土混合堵塞材料要比单一的粘土爆破 效果好，反向起爆对炮孔总深度要比正向起爆深；在其他因素相同的条件下， 堵塞长度和非活性部分的长度都随装药长度的增加而增加。吴金有 对不同 堵塞方式试验结果的分析表明：不完全堵塞方式和阶梯形堵塞方式是两种效 果好、经济、适用的堵塞方式。李晓杰等人引通过对中深孔爆破中分层装药 分层堵塞结构研究，并借助爆炸应力波理论和爆生气体膨胀理论，分析了合 理进行分层装药分层填塞对于中深孔控制松动爆破爆炸效果的影响。在大窑 湾二期工程采场的实际应用表明：在充分考虑各层炸药单耗这一原则应用合 理性的基础上，中深孔爆破中进行合理的分层填塞分层装药能够改善装药结 构、提高炸药能量利用率、获得理想的破碎块度。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 1 2 4 2 水一土复合堵塞方式研究 近年来，水炮泥、水一土复合堵塞方式、水压爆破等研究发展迅速。戚金 等人”，通过对水堵塞硐室爆破的研究与实践，提出了水堵塞硐室爆破的药 量计算公式，对两种爆破方法的炸药消耗量、爆破效果、安全性、经济效益 的比较，表明：水堵塞的优点在于降低单位岩石爆破消耗量；岩石破碎效果 好，大块率低，个别飞石距离小；解决了土砂填实密度不高，填塞质量不好 控制等问题；但节理裂隙发育地段不宜使用。崔振东临“、宁远思伸针对传统 的隧道深孔爆破采用纯炮泥堵塞炮眼，炸药的有效能量利用率不高，炸药单 耗量大的情况，提出了一种隧道水一土复合堵塞炮眼爆破方法。徐凤奎肺2 ， 1 3 ， 通过对隧道掘进水压爆破技术研究成果和实际应用效果的介绍及理论分析， 明确指出水压爆破炮眼装药结构与炮眼无回填堵塞装药结构的不同以及前 者所取得的经济与社会效益。金龙哲等人钉引针对普通水炮泥在井下爆破降 尘和减少炮烟效果不理想的问题，从水炮泥降尘机理的分析出发，在实验室 进行了不同浓度溶液的表面张力和润湿能力的测定，研制出高效水炮泥，并 在井下进行多次对比爆破实验。结果表明，使用高效水炮泥能有效降低炮采 过程中粉尘的浓度，改善井下工作环境。 何广沂等人哺盯”通过深孔爆破模拟试验应变测试，在提高炸药能量利用 率和保护环境方面，从理论上分析了水压深孔爆破优于常规深孔爆破的机 理。邵晓宁哺引初步探讨了炮孔水压爆破时，水中冲击波的初始参数和孔壁处 冲击波参数；应用弹性理论和波动理论推导出了孔壁岩面上的冲击压力。吴 德义等人引通过实验室测量不同装药量条件下有限水域水压爆破的压力波 形，对压力波形的分析得出了装药量的变化对水一空气界面约束程度产生显 著影响的结论。 显然，由于炸药在岩石中爆破时释放出来的能量，主要是以冲击波和爆 生气体膨胀压力的方式作用于孔壁上造成岩石破碎。采用水土复合填塞炮孔 爆破，炸药在炮孔中爆炸具有如下特性陆l 】高压气团的膨胀形成高速射流， 可起到加强岩石破碎的作用。冲击波经过水介质时，由于水的压缩性小， 与其它介质相比，吸收的爆炸能量少。因此与普通光面爆破相比，具有节能效 果。水介质的能量传递效率高，且均匀，故炸药消耗量小，破碎块度均匀。 爆破粉尘能被水气吸收，起到雾化降尘的作用。因此，水一土复合填塞炮孔 代替纯炮泥填塞炮孑l ，利用水的不可压缩性和炮泥的填塞作用，减少冲击波 在传播过程中的衰减，相对延长了爆生气体的作用时间，提高了岩石的破碎 度和炸药的有效能量利用率，节省了炸药、加快了进尺、提高了经济效益， 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 同时也改善了如隧道等现场的施工环境。 1 2 5有关炮孑l 堵塞数值模拟研究现状 杨小林等人引在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论 的基础上，采用计算有效弹性模量的t a y l o r 方法建立了一个新的岩石爆破损 伤模型，提出了岩石在爆炸应力波作用下的损伤断裂准则，以d y n a 2 d 程 序为基本框架，采用小损伤条件下的解耦方法，对大理岩在填塞和不填塞 装药条件下的损伤历程进行了数值模拟。丁希平等人采用三维有限元数 值分析法，通过建立三维有限元计算模型，分析堵塞长度对堵塞区有效应 力场的影响。研究表明，深孔台阶爆破有效应力场呈近似椭球状分布，炮 孔两端具有明显的端部效应；台阶爆破堵塞区有效应力场随堵塞长度的增 加呈指数规律衰减，堵塞长度不宜低于2 3 抵抗线。无堵塞爆破对炮孔底部 应力场影响较小，但对于台阶上部岩体中的应力场影响较大；在相同条件 下无堵塞爆破堵塞区中有效应力减少约6 0 。张亚宾等人n 纠采用l s d y n a 有限元模拟方法建立了水压爆破模拟模型，并对水压爆破进行了数值模拟。 提出了水压爆破壁体受首次冲击波、底板反射压缩波、对面壁体反射压缩 波和气泡脉冲等四种荷载作用的观点，为水压爆破准静压作用的原理提供 了依据。 1 3本课题研究内容及方法 本课题的研究内容如下： 根据国内外关于炮孔堵塞研究现状，对炮孔堵塞机理进行了分析研究， 在此基础上，对炮孔堵塞作用进行如下试验研究： ( 1 ) 通过钢管内充填物受压时产生的管壁侧向作用的模拟试验，根据 管内堵塞料受万能试验机轴向加载时管壁应变的变化情况，分析堵塞料在轴 向压力作用下的侧向压力效应，研究爆炸荷载准静态作用下堵塞料对炮孔壁 的行为及堵塞料性质对测压效应的影响； ( 2 ) 进行钢管模拟炮孔堵塞爆破试验，分析在爆炸荷载作用下，管壁 应变随管内堵塞物性质改变而变化的情况，研究炮泥性质的变化对炮孔堵塞 效果的影响规律。 ( 3 ) 通过不同堵塞长度的爆破损伤效应的试验，对爆破损伤模型进行 爆破前后声波测试，根据爆破前后的计算声波速度降低率及模型损伤度，分 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 析堵塞长度对模型损伤的影响规律。 ( 4 ) 从单自由面单孔爆破的角度研究堵塞长度对爆破效果的影响规律： 进行不同堵塞长度的单自由面单孔爆破试验，进行爆破振动测试，研究堵塞 长度对测点振速峰值的影响规律；进行爆破漏斗试验，研究漏斗参数变化与 堵塞长度的关系。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 2 炮孑l 堵塞作用机理 2 1炮孔堵塞的作用 2 1 1炮孔堵塞增加炮孔压力及爆轰气体作用时间 关于炮孔堵塞的作用机理，通常认为，堵塞可以阻止爆轰气体过早地从 炮孔中逸出，延长其有效作用时间，同时也改变了岩石中应力作用形式。图 2 1 表示的是有堵塞和无堵塞时，炮孔内的压力随时间的变化关系，即炮孔 中爆压随时间变化的定性情况”。 图2 - 1堵塞对炮孔压力的影响h a 一堵塞；b 一不堵塞 从图中可以看出，堵塞与否对爆炸冲击波的峰值影响虽不十分显著，但 在炮轰气体的膨胀压力及其作用时间方面却有非常明显的差别。炮孔未堵塞 时，由于与大气相通，爆轰气体将很快冲出、逸散到大气中去，因此孔内压 力迅速降低，从而使膨胀压力的破岩作用大为减弱；而堵塞时爆轰气体的作 用压力及其作用时间却大大增加了，从而显著地提高了爆轰气体对岩石的胀 裂作用。此外，许多试验研究证明，堵塞还可以使炸药的爆炸反应进行得比 较完全，提高了炸药的利用率，是提高爆破效率的有效途径之一。 2 1 2炮孑l 堵塞增大岩体应力及应力作用时间 堵塞物对爆破破碎过程的影响主要是通过改变岩体应力及应力作用时 间形式来完成的。岩石中应力值的大小，应力作用时间的长短决定了岩石的 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 破碎程度和破碎范围。邓君华等人h ，采用小台阶水泥试块爆破模型对炮孔 填塞进行研究，得到自由面处质点加速度测定结果，以及质点径向运动速度 一一时间关系曲线，如图2 2 所示。 v ( o r a l s ) 4 0 3 0 2 0 1 0 a ) 无填塞材料 ( “s ) 01 0 02 0 03 0 0 4 0 0 5 0 06 0 07 0 0 t ( us ) b ) 无填塞材料 c ) 石英砂填塞材料 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 d ) 石英砂填塞材料 图2 - 2自由面质点加速度及速度测试波形n 1 f i g 2 - 2 t e s tw a v e f o r mo ff r e e s u r f a c ev e i o c i t ya n da c c e i e r a t i o n 由图2 2 可以看出：自由面质点运动速度呈波浪形。分析可知，除第一 波峰以外，其余波峰均是由自由面多次反射引起的。许多研究表明：在炸药 对介质的作用过程中，第一应力波峰起重要作用，故在此只对第一波参数进 行分析计算，结果见表2 1 p 儿圳。 从表2 1 的结果表明：堵塞与不堵塞相比，第一波应力作用时间增长，由不 堵塞时的1 0 1 2 5 脚增加到1 1 0 7 5 s ，增加9 4 。最大应力幅值由2 5 4 m p a 增加到3 2 2 m p a ，增加2 6 2 ，正是由于这两个参数的增加，使得应力波作用加 强。第一波的位移量和冲量密度增加3 1 6 ，能量密度则增加6 4 3 。 表2 - 1应力波参数计算钉 t a b i e 2 - 1p a r a m e t e r sc a i c u ia t i o no fs t r e s sw a v e 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 炮孔堵塞作用机理分析 岩体的爆破破碎是冲击波和爆炸气体共同作用的结果，冲击波的作用是 随着药包的传爆发生的，并在爆轰结束瞬间发展成总的冲击波，而爆炸气体 作用则是从它均压和瞬间膨胀的时刻开始的。冲击波作用的能量占炸药爆破 能量的5 2 0 ，而爆炸气体的作用能量超过了5 0 h ，因此要取得良好的爆 炸效果很有必要深入研究炮孔堵塞物的作用机理，处理好爆破过程中每个阶 段及其相互关系，其中主要是孔内爆炸气体的压力、炮孔堵塞物在冲击波作 用下的移动和岩体在冲击波作用下的预裂过程之间的相互关系。常用炮孔堵 塞物主要有钻屑、河砂、尾砂、粘土等松散体材料，在爆炸气体作用下，堵 塞物的强度比岩石