空气间隔装药爆破破岩机理及其效应研究

在现代化水电与矿山等工程建设中，如何有效地利用爆炸能量是目前亟待解决的关键技术问题。空气间隔爆破技术的运用使得爆炸能量得到有效地利用，实践证明空气间隔爆破技术可以有效地克服连续装药爆破带来的诸多弊端，并能取得理想的爆破效果。本项目拟采用现场测试、室内试验、数值计算与理论分析相结合的方法，系统研究空气间隔装药爆破破岩机理及其效应的基础性问题。首先通过爆轰波、非定常流与冲击波理论研究炮孔内爆轰气体传播机理，并通过宏细观实验系统地观测和分析应力波加、卸载作用下岩石的损伤演化过程、能量释放规律。再针对不同的工程问题，研究空气层位置及其比例对岩石块度、爆堆形状以及爆破振动规律的影响，寻找合理的空气层位置及其比例。另外，试图建立一种新的联合装药结构，使爆破达到理想的岩石块度分布和爆堆形状，并有效地降低爆破振动强度，以提高铲装、运输效率和控制爆破振动危害的目的。

在现代化水电与矿山等工程建设中，如何有效地利用爆炸能量是目前亟待解决的关键技术问题。空气间隔爆破技术的运用使得爆炸能量得到有效地利用，实践证明该技术可有效地克服连续装药爆破带来的诸多弊端，并能取得理想的爆破效果。本项目采用现场测试、室内试验、数值计算与理论分析相结合的方法，系统研究了空气间隔装药爆破破岩机理及其效应的基础性问题。基于爆轰波、非定常流与冲击波理论研究了炮孔内爆轰气体传播机理，建立了炮孔内爆轰冲击波与卸载波的相互作用与破岩机理的联系。通过对炮孔内的爆轰产物运动及其相互作用过程进行推导，建立了合理空气层比的理论判据，得出了梯段爆破合理的空气比为约为30%～42%。根据轮廓面的形成机理与设计原则，建立了轮廓爆破空气比的理论判据，空气比约为60%～75%。基于动力学有限元程序，系统观察和分析了应力波加、卸载作用下岩石的损伤演化过程、能量释放规律。研究了不同装药结构和空气比情况下炮孔近区岩石损伤破坏机理，并分析了空气比以及起爆方式对爆破效果的影响，阐明了空气比与炮孔粉碎区大小成反比，随着空气比的增加，破岩方式由压剪破坏转变为拉伸破坏的规律，证明了合理的空气比可以提高爆炸能量利用率。对于梯段爆破，反向起爆优于正向起爆，而起爆方式对轮廓爆破的影响没有梯段爆破显著。借鉴国内外预裂爆破参数提出了面密度概念，推导了预裂爆破空气比的经验公式，依据炮孔压力等效与能量损失原理，确定面密度增加系数为1.6。根据轮廓面的形成机理与设计原则，确定出了临界孔深与孔间距关系的计算表达式。梯段爆破模型试验表明：空气层位置和比例对块度分布影响较大，中部空气间隔爆破块度分布受空气比的影响最大，但均符合爆破平均块度随空气比的增加先减小后增大的规律；受自由面的影响，底部与顶部空气间隔爆破块度分布相似；混凝土轮廓爆破试验表明：空气层结构能调节炸药能量分布，与传统轮廓爆破效果接近。深孔爆破表明，空气间隔爆破效果受岩体节理裂隙影响较大，改变空气层位置与比例能取得良好的效果；空气间隔爆破的爆堆要比连续装药条件下集中。单深孔梯段爆破试验振动测试表明：顶部空气间隔爆破质点振动速度最大，底部与中部空气间隔爆破质点振速接近。三种装药结构爆破近区水平振速较垂直方向大，而爆源中远区呈现相反规律。建立了一种新的矿山边坡联合装药结构开挖方案，使爆破达到合理的块度分布和爆堆形状，提高了铲装、运输效率，并降低了爆破振动危害。