水介质定向切割爆破技术的试验研究

刘为洲 杨海涛 张西良 师强强

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000)

石材切割爆破是通过爆破方法从原岩中采取初步成型的荒料，但不能因爆破使石材内部潜在裂隙的扩展而破坏其整体性。采用切割爆破法开采石材，不但可以加快矿山开采速度，而且操作容易、成本低，更便于在乡镇企业矿山中推广应用。近年来，随着控制爆破技术的发展，石材切割爆破技术也在不断地改进和完善，许多专家就石材开采方法做了大量研究［1－3］。但是，目前所采用的爆破方法都有一定的局限性，爆破后切割面上仍然会产生不同程度的爆生裂隙，影响了岩块的完整性，成荒率仍然较低。因此，为了提高石材的利用率，需要研究出一种荒料率高、成本低且工艺简单，易于推广应用的新的石材切割技术。综合考虑经济、技术等因素，本研究提出了水介质定向切割爆破技术，并通过试验室有机玻璃模型试验证明了该技术的优势。

1 水介质定向切割爆破作用机理

1.1 水介质定向切割爆破装置

水介质爆破技术是近几十年来逐渐发展起来的一种控制爆破技术，现已得到了广泛的应用，是一种既经济又安全的爆破方法［4］。水介质定向切割爆破技术是以水介质爆破法为基础，通过加入定向装置和特殊的装药结构形成的一种新技术，药包结构示意图见图1。定向装置采用大于1的材料制成，宽度是孔径的0.9～0.95倍，方向为钻孔连心线方向，药包分别放在定向装置两侧。

图1 水介质定向切割法药包结构Fig.1 Diagram of charge configuration

1.2 水介质定向切割爆破机理

水介质定向切割爆破技术与其他切割爆破方法最大的不同就是孔内安装的定向装置，由于定向装置的存在改变了冲击波总能量对孔壁作用初始阶段的均衡性。当冲击波传到不同介质分界面时，均要发生反射和透射［5］。由于定向装置具有波阻抗大，纵波速度高的特点。炸药爆炸后，透射到定向装置中的冲击波压力比水中的大得多，此时冲击波能量主要集中于钻孔连心线方向，并沿定向装置迅速传递至两端，到达孔壁后形成切向拉伸应力。当孔壁处的切向拉伸应变超过石材的动抗拉强度时，孔壁上就会形成初始定向裂隙。

图2 钻孔受力Fig.2 Blasthole stress diagram

初始定向裂隙的形成使钻孔力学结构发生了很大的变化，裂隙处形成明显的应力集中。随后，主要在两方面的作用下沿预定方向失稳扩展。其一，定向装置将钻孔分成2个半圆区域，爆炸冲击波经反射叠加后分别向2个半圆周的孔壁方向传递，在孔壁处形成压力(图2中P1)的合力是垂直定向装置方向，使裂隙处产生较大的拉应力，有利于裂隙扩展。其二，随着裂隙扩展，高压水流沿着裂隙被导入预定的方向，使裂隙形成强有力的“水楔”［6］(图2中P2)，当裂缝尖端区域内的应力强度因子大于岩石的动态断裂韧性，岩体沿预定方向劈裂。高压水流楔入裂隙时受到破裂面的摩擦阻力，当裂隙尖端区域内的应力强度因子小于岩体动态断裂韧性，则发生止裂，若止裂长度大于2孔之间的距离则裂隙贯通。

在以上条件共同作用下，裂隙最终沿钻孔连心线方向贯通，形成平整光滑裂缝。

2 水介质定向切割爆破试验

2.1 试验模型

试验模型选用有机玻璃(代号PMMA)，它是一种透明性好，热塑性高的均质性脆性材料。本次试验采用厚度为70 mm的有机玻璃模型试块，单孔模型尺寸为100 mm×100 mm×70 mm，双孔模型尺寸为120 mm×100 mm×70 mm。单孔模型中心钻凿炮孔，孔径18 mm，孔深70 mm，双孔模型孔径18mm，孔深70 mm，孔距50 mm，如图3所示。模型内部无空隙，介质较均匀，模型材料平均密度为1.2 g/cm3;平均抗压强度为130 MPa。

图3 有机玻璃模型Fig.3 Plexiglass supporters

2.2 起爆器材

图4 模型装药Fig.4 Supporter charge configuration

2.3 试验内容

(1)单孔爆破试验。在单孔爆破试验主要观察定向装置的定向切割效果。

(2)双孔爆破试验。双孔试验中主要观察相同药量情况下普通水压爆破和水介质定向切割爆破径向裂隙和孔间裂隙的发展状况。

2.4 试验结果分析

单孔爆破试验效果见图5。定向性非常明显，裂缝基本沿着定向装置方向裂开，径向裂隙极少，试块完整性较好。沿对角线方向放置定向装置，起爆后模型基本沿对角线切开，说明定向装置具有良好的定向效果。

图5 单孔爆破试验结果Fig.5 Single blasthole blasting test results

双孔爆破效果见图6，普通水压爆破可以使孔间裂隙贯通，但是试块破碎严重，从表面观察即可看到爆生裂隙，个别爆生裂隙较长，不能形成平整的切割面，径向裂隙也较发育，最长达3倍孔径;水介质定向切割法爆破后，孔间连线垂直方向的裂隙极少，均在孔半径范围内，它能完全按照预定的切割面切割成缝，不受天然节理和裂隙的影响，切割面平整光滑，无任何破坏。

图6 双孔爆破试验结果Fig.6 Double blastholes blasting test results

3 结论

(1)基于石材开采现状，提出了定向切割爆破技术。

(2)介绍了定向切割爆破的试验装置和装药特点，并分析了定向切割爆破的机理:由于定向装置的存在改变了冲击波总能量对孔壁作用初始阶段的均衡性，与定向装置接触的孔壁首先形成初始定向裂隙。随后，在爆轰压力和水楔作用下裂隙沿钻孔中心连线方向贯通。

(3)进行了有机玻璃试验，结果表明:定向切割爆破能完全按照预定的切割面切割成缝，切割面平整光滑，炮孔周围仅产生为数不多的短裂隙，切割效果较好。

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［4］ 刘为洲，袁英杰，张西良，等.水力增压爆破试验［J］.工程爆破，2014(2):10－13.

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［5］ 刘为洲，等.水介质定向切割爆破技术［R］.马鞍山:马鞍山矿山研究院，1986.

Liu Weizhou，et al.Aqueous Medium Directional Cutting Blasting Technology［R］.Maanshan:Maanshan Institute of Mining Research，1986.

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Wang Xuguang.Blasting Design and Construction［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2014.