隧道爆破中炮泥的作用与堵塞长度计算

王 琛,文 忠,曹梦宇

(长沙理工大学, 湖南长沙 410114)

隧道爆破中炮泥的作用与堵塞长度计算

王 琛,文 忠,曹梦宇

(长沙理工大学, 湖南长沙 410114)

分析对比有无炮泥堵塞对隧道爆破施工的影响,阐述了炮泥堵塞的作用。探讨了隧道工程爆破施工中取得较好爆破效果的炮泥堵塞长度与炮孔长度的最佳比值,并推导出最优炮泥长度的计算公式,计算值与大多数文献推荐值基本接近,证明了公式的正确性和实用性。

隧道爆破;炮泥堵塞;堵塞长度

目前隧道掘进大部分采用爆破方式进行开挖,但是隧道开挖爆破中关于炮孔的堵塞问题一直存在疑问:炮孔是否要堵塞?炮泥堵塞的优点是什么?与无堵塞反向起爆技术相比炮泥堵塞的优势在哪里?随着爆破实践的增多,许多部门与爆破人员已经重视炮孔的堵塞,并加强炮泥堵塞质量,以获得最佳的爆破效果和更高的经济效益。

1 堵塞炮泥的作用

根据炸药爆炸破岩的基本理论,对炮孔堵塞有3种认识。

(1)应力波破岩理论。该理论认为炮孔中气体膨胀所引起的岩石破碎作用很小,岩石的破碎主要是由应力波和反射拉伸波作用所导致。此理论强调应力波与反射拉伸波对岩石破碎占主导,只要在炮孔中实现孔底反向起爆,就无需在孔口堵塞炮泥。

(2)气体膨胀作用破岩理论。该理论认为应力波与反射拉伸波没有足够的能量使岩石破碎,只能使炮孔周壁形成初始径向裂缝。而后期的准静气体应力场和气体膨胀压力的气楔作用才是使岩石破碎的主要原因。从该理论可以得出,使用高强度材料严密地堵塞炮孔,可使气体膨胀作用力充分发挥从而取得良好爆破效果。

(3)应力波和气体膨胀压力联合作用破岩理论。该理论承认了爆炸应力波、气体膨胀压和反射拉伸波 3项都对岩石的破碎有着重要贡献,也充分肯定了炮孔堵塞炮泥在爆破施工中的积极作用[1]。

中国铁道科学研究院曾做过测试:条形装药爆破的分配比例为冲击波(包括应力波)能占43.7%,气体膨胀能占 56.3%。以往做过的试验研究证明,不堵塞炮孔的爆破将有 50%的气体能量从孔口消失。所以,炮泥堵塞的主要目的就是要充分发挥占爆炸总能量一半以上的气体膨胀能量的破岩作用。武汉地质学院,河南机掘工程队张国祥等人[2]做过炮孔堵塞与不堵塞的试验。试验数据见表1。

从表1可以看出,堵塞炮泥比不堵塞炮泥的爆破效果好,震动影响小,爆破漏斗深度大,这一点对开挖隧道中掏槽眼爆破很有意义。

表1 爆破后的黄土漏斗参数及爆破效果比较

综上所述,可以得出炮泥堵塞的几个作用:

(1)延长孔内膨胀气体作用时间,使气体准静应力场的破岩作用增强,从而破岩效果得到提高;

(2)由于延长了气体作用时间,使得炮孔内的高温条件得以维持更长时间,从而提高了炸药的化学反应完全程度,可最大限度地利用炸药的爆能,同时减少了有害气体的生成量,还能缩短隧道中的通风时间;

(3)炮泥阻力延长了应力波与气体膨胀压力的作用时间,使得由应力波作用生成的裂缝充分地被高压膨胀气体楔裂,提高了破岩效果,也加速了裂缝的发展,增强了岩块的抛掷作用。

2 炮泥长度计算公式的推导

在爆破中炮泥会被膨胀气体压出,炮泥于该过程中受到了爆生气体的推力、炮泥与孔壁之间的摩擦力,故堵塞炮泥一定要有足够的抗冲出时间与阻力。

假设炮孔内气体平均压力为爆轰压力 PH的一半[2],则推动炮泥运动气压 P0为:

式中:ρ——炸药密度;

D——炸药爆速。

炮泥所受推力 F为:

式中:A——炮泥横截面积;

d——炮孔直径。

根据牛顿第二定律,对炮泥做受力分析,如图1 所示,可得:

式中:F——爆生气体对炮泥的推力;

m——炮泥的质量;

g——重力加速度;

f——滑动摩擦阻力,f=πdλg(ls-x)P,其中,λ为动摩擦力系数,取 0.05;x为炮泥运动的距离;p为炮泥膨胀对孔壁的挤压力;η为侧向压力系数;u0=0.8u,其中 u0为岩石动态泊松比,u为岩石静态泊松比,u取 0.25,故η=0.25;ls为炮泥堵塞长度;

a——炮泥的加速度。

图1 炮泥受力分析

由于炮泥在轴向受到爆生气体的准静态压力作用,径向自然就会发生膨胀,但是由于受到孔壁的管制作用,径向不能发生任何变形,这样炮泥就必然对孔壁施加压力 p:

炮泥被推出炮孔所运动的距离即等于炮泥的长度:

故由式(3)～(6)得:

由式(6)和式(7)得出:

由求根公式得:

去掉负数根得出:

则式(11)就是用动量守恒定律与牛顿第二定律推导出来的计算堵塞长度的公式。

3 应用实例

根据秦岭 1号隧道开挖 Ⅳ级围岩钻爆装药及炮泥有关参数[3]进行验算,炮孔直径 0.04 m,掏槽眼和辅助眼深度分别为 2.69 m和 2.10 m,每孔装药量分别为 1.5 kg和 1.2 kg,乳化炸药密度为ρ=1000 kg/m3,炮泥的密度 ρ泥=1850 kg/m3,乳化炸药爆速 D=3309 m/s。

代入式(11),得堵塞长度与炮孔长度之比为:

堵塞长度分别为 43 cm和 34 cm,与国内一些工程师认为开挖隧道爆破中一般堵塞长度为 40～60 cm相差不大[4]。

查阅秦岭隧道开挖资料可知,秦岭隧道爆破中实际合理堵塞长度与炮孔比为 0.180。且赵新涛、程贵海等人[5]在 2010年炮孔堵塞长度的计算与实验研究中得出的堵塞长度最优值的范围为:0.20,0.30,0.35,0.45,0.50,0.60,0.70 m。实际合理堵塞长度与炮孔比在数值上与公式(11)计算的数值基本符合。

以上公式与炸药密度、炮孔直径、炮孔深度和炮泥密度相关,且炮泥的密度越大,填塞长度就越小,这样可以节省炮泥的用量。式(11)计算得堵塞长度是要求的起码长度,实际工程中可适当增加堵塞长度。

4 结 论:

(1)炮泥对开挖爆破有 2大作用:一是延长爆生气体在炮孔内的作用时间,提高爆炸能量的利用率;二是炮孔内的高温条件得以维持更长时间,从而提高了炸药的化学反应完全程度,减少了有害气体的生成量,还能缩短隧道中的通风时间。

(2)考虑了炮孔直径、炸药密度、爆容、炮泥与孔壁之间摩擦阻力、堵塞炮泥密度等因素,推导了炮泥堵塞长度与炮孔深度的计算公式。式(11)计算得堵塞长度是要求的起码长度,实际工程中可适当增加堵塞长度。

致谢:本文得到长沙理工大学教学改革研究项目 JG0849的资助和吴从师教授的指导,谨向学校和老师表示感谢。

[1] 王海亮.爆破工程[M].北京:中国铁道出版社,2007:12-13.

[2] 张国祥,等.试论炮泥在爆破中的作用[J].坑探工程,1990:26-27.

[3] 刘海江.秦岭Ⅰ号隧道开挖方法及控制爆破技术研究[J].四川建筑,2009,29(2):193-195.

[4] 吴从师,等.高台阶爆破中超前压缩填塞法的动应力场模拟[J].矿业研究与开发,1997,17(Z):13-15.

[5] 赵新涛,程贵海,等.炮孔堵塞长度的计算与实验研究 [J].力学季刊,2010,31(2):165-171.

2011-07-06)

王 琛(1989-),男,湖南邵阳人,隧道与地下工程专业 08级本科生。