地应力作用下偏心装药的炮孔裂隙分布

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.154

摘要/Abstract

摘要：

根据爆炸应力波和爆生气体的理论，考虑地应力的作用，结合断裂力学中最大周向应力理论，推导出了偏心不耦合装药条件下初始裂隙和扩展裂隙的计算公式。选取2号岩石乳化炸药和3类典型岩石参数对偏心不耦合装药下的裂隙范围进行了计算，并分析地应力对爆炸应力波引起的初始裂隙的影响。结果表明：炮孔壁上各点的不耦合系数由偏转角度α、炮孔与药卷半径之差决定；炮孔上不耦合系数的不同，致使偏心不耦合装药结构下裂隙分布十分不均匀，耦合侧与不耦合侧裂隙长度存在较大差异；地应力的存在抑制了裂隙的扩展，随着地应力的不断增大，炮孔周边裂隙范围逐渐减小，不耦合侧最短裂隙对应角度α逐渐增大，且其裂隙范围接近粉碎区半径。当3类岩石爆破施工中遇到高地应力时，采用三角形布孔，考虑不耦合侧裂隙很短或者不产在的情况，炮孔间距应控制在0.45~0.70 m之间。

关键词: 偏心不耦合装药, 爆生气体, 裂隙范围, 地应力, 爆破效应

Abstract:

Drilling and blasting is widely used in mining and tunnel excavation as an economical and efficient method of excavation.Among them，smooth blasting is the most common.The theory of smooth blasting theory is based on the concentric uncoupled charge structure.In the actual smooth blasting，the charge structure will change due to the existence of its own gravity, forming eccentric uncoupled charge.The change of the charge structure has made the previous theory no longer applicable，and the earth stress is a problem that cannot be ignored as the depth of the excavation changes.Therefore，in the presence of in-situ stress，the fracture area formed by eccentric blasting is determined to provide a theoretical reference for blasting construction.Because of the eccentricity effect，the uncoupling coefficient of the blasthole is different after charging.According to the definition of the concentric uncoupling coefficient，the equivalent uncoupling coefficient of each point of the eccentric uncoupled blasthole is given.Then based on the theory of blast stress wave and explosive gas，considering the effect of earth stress and the initial damage of rock，combined with the theory of maximum circumferential stress in fracture mechanics，the calculation formula of initial crack and extended fracture under eccentric uncoupling charge was derived.The No.2 rock emulsion explosives and three kinds of rocks were selected as examples to calculate the initial fracture range of the marble，shale and sandstone under the eccentric uncoupled charge，drawing with Origin software.By observing the difference between the coupled side and the uncoupled side，and exploring the influence of the ground stress on the initial crack caused by the explosion stress wave，we compared and analyzed the variation of the initial crack range under different ground stresses.The results show that the uncoupling coefficient on the wall of the blasthole is related to the difference between the deflection angle α，the blasthole and the radius of the lap.The equivalent uncoupling coefficient on the wall of the blasthole hole results in a very uneven distribution of the eccentric uncoupled charge structure，and there is a large difference between the length of the coupling side and the uncoupled side.With the increase of ground stress，the range of cracks around the blasthole is gradually decreasing，and the angle α of the shortest crack on the uncoupled side gradually increases，and its range gradually approaches the radius of the smashing zone.The presence of visible ground stress inhibits the expansion of the crack.The higher the ground stress，the smaller the crack range.When high geostress is encountered in the selected three types of rock blasting constructions，it is necessary to consider the fact that the cracks on the non-coupling side are short or non-existent.The blast holes are arranged in a triangle and the hole spacing is controlled between 0.45 and 0.70 m.

Key words: eccentric uncoupled charge, explosive gas, crack range, ground stress, blasting effect

中图分类号:

TD235

费鸿禄,刘雨,钱起飞,苏强,孙晓宇. 地应力作用下偏心装药的炮孔裂隙分布[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 228-237.

Honglu FEI,Yu LIU,Qifei QIAN,Qiang SU,Xiaoyu SUN. Distribution of Blasthole Fracture in Eccentric Charge Under In-situ Stress[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(2): 228-237.

图/表 10

图1

图2

图3

图4

表 1

不同岩石的物理力学参数"

岩石类型	$μ$	$ρ m$ /（kg·m^-3）	$C p$ /（m·s^-1）	a/（m·s^-1）	b	$S t d$ /MPa
大理岩	0.20	2 730	4 420	4 000	1.32	10
页岩	0.31	2 350	3 970	3 600	1.34	8
砂岩	0.25	2 450	4 050	3 600	1.43	10

表 1

图5

图6

图7

图8

图 9

参考文献 23

1	蒲传金 .偏心不耦合装药爆破试验研究[J].化工矿物与加工，2007，36（4）：30-32，43.
	Pu Chuanjin .Test and research on eccentric decouple charge blasting [J].Industrial Minerals & Processing，2007，36（4）：30-32，43.
2	Wang Y Q ， Liu J F .Calculation model and decoupling coefficient sensitivity study of periphery hole for eccentric decoupled charge in highway tunnels[J].Shock and Vibration，2018（2）：1-11.
3	管少华，蒲传金，肖定军，等 .偏心不耦合装药爆破裂纹扩展实验研究[J].爆破，2015，32（1）：16-21.
	Guan Shaohua ， Pu Chuanjin ， Xiao Dingjun ，et al .Experimental study on crack propagation under eccentric decouple charge structure[J].Blasting，2015，32（1）：16-21.
4	宗琦，程兵，汪海波 .偏心不耦合装药孔壁压力与损伤效应数值模拟[J].爆破，2019，36（3）：76-83.
	Zong Qi ， Cheng Bing ， Wang Haibo .Numerical simulation of pressure on borehole wall and damage effect with eccentric decouple charge[J].Blasting，2019，36（3）：76-83.
5	程兵，汪海波，王梦想 .炮孔偏心不耦合装药爆破效应数值模拟[J].中国安全生产科学技术，2018，14（7）：40-47.
	Cheng Bing ， Wang Haibo ， Wang Mengxiang .Numerical simulation on blasting effect of blast hole with eccentric decouple charge[J].Journal of Safety Science and Technology，2018，14（7）：40-47.
6	李禹锡，蒲传金，李健钰，等 .偏心不耦合装药爆破孔间距理论分析与计算[J].化工矿物与加工，2017，46（1）：33-37.
	Li Yuxi ， Pu Chuanjin ， Li Jianyu ，et al .Theoretical analysis and calculation of the spacing between the eccentric and decoupled charge blasting holes[J].Industrial Minerals and Processing，2017，46（1）：33-37.
7	田文高，蒲传金，陈晓玲 .偏心不耦合装药爆破参数理论分析[J].爆破，2008，25（2）：19-20，25.
	Tian Wengao ， Pu Chuanjin ， Chen Xiaoling .Theoretical analysis on the parameters of eccentric decouple charge blasting[J].Blasting，2008，25（2）：19-20，25.
8	岳中文，邱鹏，杨仁树，等 .切槽炮孔偏心装药爆源近区裂纹动态力学特征实验研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36（增2）：3792-3798.
	Yue Zhongwen ， Qiu Peng ， Yang Renshu ，et al .Experimental study on crack dynamic mechanical characteristic near blasting source of grooved borehole with eccentric decouple charge[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36（Supp.2）：3792-3798.
9	Lu W ， Chen M ， Geng X ，et al .A study of excavation sequence and contour blasting method for underground powerhouses of hydropower stations[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research，2012，29：31-39.
10	王卫华，孙腾飞，刘希涛 .基于地应力和二次损伤的预留光爆层爆破参数研究[J].黄金科学技术，2019，27（4）：565-572.
	Wang Weihua ， Sun Tengfei ， Liu Xitao .Study on blasting parameters of pre-reserved smooth blasting layer under in-situ stress and double damage[J].Gold Science and Technology，2019，27（4）：565-572.
11	范勇，江璐，卢文波，等 .圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36（8）：1855-1866.
	Fan Yong ， Jiang Lu ， Lu Wenbo ，et al .Strain energy characteristics of surrounding rock under blasting load and transient release of geostress during excavation of circular tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36（8）：1855-1866.
12	陈俊桦，张家生，李新平 .基于岩石爆破损伤理论的预裂爆破参数研究及应用[J].岩土力学，2016，37（5）：1441-1450.
	Chen Junhua ， Zhang Jiasheng ， Li Xinping .Study of presplitting blasting parameters and its application based on rock blasting-induced damage theory[J].Rock and Soil Mechanics，2016，37（5）：1441-1450.
13	杨建华，姚池，卢文波，等 .深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率特性研究[J].岩土力学，2017，38（4）：1195-1202.
	Yang Jianhua ， Yao Chi ， Lu Wenbo ，et al .Vibration frequency characteristics of surrounding rock of deep tunnel induced by borehole-blasting[J].Rock and Soil Mechanics，2017，38（4）：1195-1202.
14	杨建华，张文举，卢文波，等 .深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制[J].岩石力学与工程学报，2013，32（6）：1222-1228.
	Yang Jianhua ， Zhang Wenju ， Lu Wenbo ，et al .Cracking mechanism of surrounding rock induced by release of excavation load in deep tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（6）：1222-1228.
15	陈明，卢文波，周创兵，等 .初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究[J].岩土力学，2009，30（8）：2254-2258.
	Chen Ming ， Lu Wenbo ， Zhou Chuangbing ，et al .Influence of initial in-situ stress on blasting-induced cracking zone in tunnel excavation[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30（8）：2254-2258.
16	Smith D J ， Ayatollahi M R ， Pavier M J .The role of T-stress in brittle fracture for linear elastic materials under mixed-mode loading[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2001，24（2）：137-150.
17	褚怀保，杨小林，叶红宇，等 .爆炸应力波作用下煤体损伤累积规律模拟试验研究[J].中国安全科学学报，2016，26（8）：58-63.
	Chu Huaibao ， Yang Xiaolin ， Ye Hongyu ，et al .Experimental study on damage cumulative rule of simulation coal under explosive stress wave action[J].China Safety Science Journal，2016，26（8）：58-63.
18	卢文波，陶振宇 .爆生气体驱动的裂纹扩展速度研究[J].爆炸与冲击，1994，14（3）：264-268.
	Lu Wenbo ， Tao Zhenyu .A study of fracture propagation velocity driven by gases of explosion products[J].Explosion and Shock Waves，1994，14（3）：264-268.
19	褚怀保，杨小林，梁为民，等 .煤体爆破损伤断裂过程与机理研究[J].采矿与安全工程学报，2018，35（2）：410-414.
	Chu Huaibao ， Yang Xiaolin ， Liang Weimin ，et al .Study on the damage-fracture process and mechanism of coal blasting[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2018，35（2）：410-414.
20	李世愚，和泰名，尹祥础 .岩石断裂力学导论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.
	Li Shiyu ， He Taiming ， Yin Xiangchu .Introduction of Rock Fracture Mechanics[M].Hefei：University of Science and Technology of China Press，2010.
21	包含，伍法权，郗鹏程 .岩石Ⅰ型断裂韧度估算及其影响因素分析[J].煤炭学报，2017，42（3）：604-612.
	Bao Han ， Wu Faquan ， Xi Pengcheng .Estimation of mode-Ⅰ fracture toughness of rock and its impact factors analysis[J].Journal of China Coal Society，2017，42（3）：604- 612.
22	谢仁海，渠天祥，钱光谟 .构造地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.
	Xie Renhai ， Qu Tianxiang ， Qian Guangmo .Structural Geology[M].Xuzhou：China University of Mining and Te-chnology Press，2007.
23	戴俊 .岩石动力学特性与爆破理论[M].北京：冶金工业出版社，2013.
	80项成果获得中国黄金协会科学技术奖

Metrics

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed

[1]	李波, 温晨, 史秀志. 高应力扇形中深孔采场边帮控制爆破参数优化[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(3): 511-522.
[2]	凡兴禹, 王雪林. 基于改进XGBoost算法的深部巷道松动圈智能预测研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(1): 109-122.
[3]	李光,马凤山,郭捷,邹龙,寇永渊. 金川二矿区地应力特征及其对巷道变形破坏的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(6): 817-825.
[4]	王玺,马春德,刘兴全,姜明伟,范玉赟. 滨海矿区地应力与岩石力学参数随埋深的变化规律及其相互关系[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(4): 535-544.
[5]	金鹏,刘科伟,李旭东,杨家彩. 深部岩体水耦合爆破裂纹扩展数值模拟研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(1): 108-119.
[6]	马春德, 刘泽霖, 谢伟斌, 魏新傲, 赵新浩, 龙珊. 套孔应力解除法与声发射法在新城矿区深部地应力测量中的对比研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 401-410.
[7]	李光,马凤山,郭捷,赵海军,寇永渊,兰剑,赵金田. 高地应力破碎围岩巷道变形破坏特征及支护方式研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 238-245.
[8]	谢也真,曹平,陈昊然. 滥泥坪铜矿三维地应力测量及巷道布置优化研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 862-870.
[9]	王卫华,孙腾飞,刘希涛. 基于地应力和二次损伤的预留光爆层爆破参数研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(4): 565-572.
[10]	李萧翰,刘科伟,杨家彩,李旭东. 不同地应力下爆破振动效应分析[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(2): 241-248.
[11]	铁柱，朝宝楞，纪主. 图古日格金矿地应力测量与分析[J]. 黄金科学技术, 2014, 22(6): 73-76.
[12]	聂胜陆，曹洪征. 那林金矿地应力与井巷稳固性的关系探讨[J]. J4, 2010, 18(6): 65-69.