临近边坡毫秒延时爆破合理延时时间试验

何 理， 钟冬望， 司剑峰

(1. 武汉科技大学 理学院， 武汉 430065； 2.中铁港航-武科大爆破技术研究中心， 武汉 430065)



临近边坡毫秒延时爆破合理延时时间试验

何 理1,2， 钟冬望1,2， 司剑峰1,2

(1. 武汉科技大学 理学院， 武汉 430065； 2.中铁港航-武科大爆破技术研究中心， 武汉 430065)

摘要：临近边坡毫秒延时爆破时需综合考虑岩体爆破效果及保留岩体稳定两方面因素，结合数码电子雷管开展毫秒延时爆破相似模型试验，采用动态应变测试仪及高速相机分别对边坡应力场和岩体裂缝扩展情况进行监测。结果表明：减振沟作用下，边坡表面径向应力峰值由2.26MPa降低为0.84MPa，切向应力峰值由1.16MPa降低为0.95MPa，径向与切向应变平均减振率分别为49.4%和35.2%；孔间延时时间为15ms或25ms时，可降低延时时间对应变峰值影响；孔间延时时间为11ms时，裂缝宽度平均值为11.79mm，可形成新自由面，孔间延时时间大于15ms，后孔爆破时，前序药包残余应力场几近消失。试验条件下，最优孔间延时时间为15ms。

关键词：边坡； 毫秒延时爆破； 应力场； 爆破效果； 延时时间； 数码电子雷管

1引 言

采取毫秒延时爆破手段进行岩体爆破开挖时，延时时间过短，后续药包起爆时未能形成充分自由面，不利于岩体破碎；延时时间过长，后续药包起爆时不能充分利用前孔炸药能量，丧失岩块二次碰撞破碎机会，爆破效果也并非最优〔1-3〕。在考虑岩体破碎效果的基础上，保留岩体在爆破动荷载作用下的稳定性问题也不容忽视，由于爆破或地震荷载诱发的滑坡、边坡崩塌现象时有发生，它直接影响工程进度及施工人员生命财产安全，动荷载下边坡动力响应问题研究迫切而必要〔4〕。为提高炸药利用率、降低岩体二次破碎成本、提高生产与经济效益，寻求既能改善岩体破碎效果、又利于边坡稳定的毫秒延时爆破延时时间值具有重要意义。

目前何理、钟冬望、王建国等针对临近边坡开挖爆破进行了试验及数值模拟研究，得到边坡在爆炸荷载作用下的动力响应与破坏机理〔5-9〕，但同时考虑岩体破碎效果以及边坡动态响应安全评价的成果却鲜有报道，基于此，笔者结合数码电子雷管及动态应变测试系统，借助高速摄影技术，设计开展临近边坡毫秒延时爆破相似模型试验，同时考虑边坡应力状态及岩体破碎效果两方面的因素，对毫秒延时爆破延时时间进行优选。

2试验方案

2.1模型浇注

根据爆破相似准则，对台阶爆破取几何相似比CL=0.05〔10〕，制作水泥砂浆边坡模型，采用425#硅酸盐水泥和筛选后的细砂浇注而成，配比为0.5∶1∶2(水∶水泥∶砂子，重量比)。制作两个尺寸相同的边坡模型，1个单孔立方体模型，模型编号依次为1#、2#、3#，在2#边坡台阶面爆区与坡面间通过模板预制减振沟，减振沟宽20mm，深150mm。为改善模型边界条件的相似性，在1#、2#边坡模型两侧加装两块10mm厚钢板，通过4根铁丝连接；钢板与混凝土之间接触通过安装3mm厚橡胶垫完成，通过扭紧铁丝给模型施加预应力。同时浇注3个尺寸为150mm×150mm×150mm的标准混凝土试样，其力学参数见表1。

表1　模型力学参数

2.2孔网参数

通过直径10mm的钢筋预制炮孔，1#和2#边坡模型上炮孔深150mm，孔距150mm，排距100mm，抵抗线150mm，模型尺寸见图1。

图1　边坡模型侧视图与俯视图Fig.1　The side view and top view of slope model

3#模型是尺寸为600mm×600mm×400mm的立方体结构，模型浇注过程中用直径10mm的钢筋预制单个炮孔，孔深150mm，最小抵抗线为150mm，单孔立方体模型实物如图2所示。

图2　立方体模型Fig.2　Cube model

2.3测试方案

(1)应变测试

选用uT7110动态应变测试仪及其相应数据分析软件，测试时仪器采样频率设置为128kHz。为研究减振沟对边坡表面应力状态影响，应变测点布置方案为：在1#、2#边坡模型坡顶及坡面分别布置两个测点(A和B以及C和D)，每个测点分别布置了水平、垂直方向电阻应变片，见图1(b)；为分析岩体中应力场叠加情况，在1#模型内部，与药包埋深同一高度，距离边坡临空面105cm的各排炮孔中垂线上，安装内埋应变传感器，见图1(a)。

选用隆芯1#数码电子雷管模拟单段炸药爆炸，由铱钵表控制数码雷管设置不同延时时间实现逐孔爆破，分别在1#与2#模型上以孔间延时时间5ms、10ms、15ms、20ms、25ms进行逐孔爆破试验。

图1(a)中内埋应变传感器用于测试混凝土内部径向应变，图1(b)中表面应变片用于测试边坡坡顶与坡面处应变(径向和切向)。

(2)裂缝宽度监测

选用数码电子雷管模拟单孔炸药爆破，采用GX-8高速相机进行裂缝扩展的高速摄影监测。在立方体模型上进行单孔爆破试验时，设置高速相机帧率为4000，像幅544×388，前触发方式，快门速度为OPEN(248.3μs)模式。高速摄影拍摄方向如图3(a)所示，爆破过程拍摄完成后在模型自由面裂缝两侧设置4个参考点，参考点布置如图3(b)所示。

图3　拍摄方案Fig.3　Method of photography

3边坡应力场分析研究

3.1减振沟对应力场的影响

1#、2#边坡模型表面应变峰值测试结果如表2所示。

由表2可以看出，在减振沟作用下，边坡各测点应变峰值均明显降低，个别增大现象是由于动应变测试受周围电磁干扰所致，统计减振率时舍弃降低率为负值的测试数据。计算得到由于减振沟的存在，径向应变平均减振率为49.4%，切向应变峰值平均减振率为35.2%，由此可见，通过在爆区与边坡保留岩体间开挖减振沟可大幅降低爆破开挖引起的坡面应力峰值，有效改善边坡应力状态，利于边坡稳定性。

表2　应变峰值数据(单位:με)

注：减振率=(ε1-ε2)/ε1×100%，ε1、ε2分别表示1#、2#模型上各测点的应变峰值。

根据表1中模型材料弹性模量E=19GPa，依次计算得到没有减振沟的1#模型坡面最大径向应力值为2.26MPa，最大切向应力值为1.16MPa；而预制减振沟的2#模型，最大径向应力与最大切向应力分别为0.84MPa、0.95MPa。

3.2延时时间对应力场影响

为研究孔间毫秒延时时间对各测点应变峰值的影响，定义应变波形中前两次峰值时刻分别为T1、T2，不同孔间延时时间条件下1#模型表面B测点和D测点处应变波形峰值时刻见表3。

孔间延时时间为ms量级， 势必造成段间应变波形的叠加，从而导致应变峰值时刻差值并非严格的设计延时时间值，故为定量给出孔间毫秒延时时间对应变波应变峰值的影响程度，定义参考量Ω：

表3　不同延时时间条件下应变峰值时刻

(1)

式中：T1、T2为应变波形前两次峰值应变时刻；t0为设计延时时间值。式(1)中Ω值越大，表明延时时间对应变峰值影响越大；反之，亦然。

通过式(1)分别计算出B测点和D测点处径向与切向应变的Ω值，见表4。

表4　各测点处Ω值(ms)

为便于比较分析，Ω与设计延时时间t0的关系见图4。

图4　Ω与设计延时时间关系Fig.4　Relationship between Ω and designed delay time t0

由表4及图4(a)可以看出，坡顶B测点处切向Ω值在延时时间为5ms～20ms时均比径向Ω值大，且整体呈现缓慢衰减趋势，在25ms延时时间时达到最小值，为0.04；径向Ω值在10ms延时时间时出现极大值，随后呈微弱衰减趋势；毫秒延时爆破开挖岩体，针对边坡坡顶宜选取孔间延时时间大于10ms，可减少延时时间对应变峰值影响，降低应变波形的叠加。

由表4及图4(b)可以得到，坡面D测点处径向Ω值在0～15ms区间内逐渐减小，而后在20ms时出现极大值，达到0.31，然后又在25ms延时时间时降低至最小值0.06；切向Ω值随孔间延时时间增加，呈现升降交替形式变化，在10ms及20ms处出现极大值，在15ms与25ms时均出现最小值，为0.03，近乎趋近于0；临近边坡爆破开挖，针对坡面宜选取孔间延时时间15ms或25ms，可降低延时时间对应变峰值影响。

综合B测点和D测点分析结果可知，试验条件下，临近边坡毫秒延时爆破开挖时，为避免边坡表面应变叠加，建议选取15ms或25ms为孔间合理延时时间值。

4岩体爆破效果分析

4.1合理孔间延时时间计算

为达到理想的破碎效果，毫秒延时爆破孔间延时时间确立原则为〔11〕：

(1)相邻炮孔爆炸产生的应力波能有效、充分叠加；

(2)不小于单个炮孔起爆形成自由面所需时间；

(3)增加破碎岩块有效、强烈的碰撞，产生二次破碎。

合理孔间延时时间t由下式计算得到〔2,12〕：

(2)

式中：W为最小抵抗线，m；CP为应力波传播速度，m/s；ηc为岩体裂隙性系数；vc为裂隙传播速度，m/s；β为爆破漏斗锥顶角；S为形成新自由面所需最小裂缝宽度，通常取为0.01m；vS为裂缝扩展速度，m/s。

4.2结果及分析

(1)自由面形成时间

高速摄影监测完成后，对高速相机拍摄的画面进行尺寸校准，计算得到校准比例为1 Pixel=0.7056mm，并对测量物理量进行角度矫正，以ms为单位，取不同时刻裂缝两侧参考点间距离变化作为裂缝宽度评价指标。

(3)

则通过式(3)分别计算出L13、L14、L23、L24，用以表征裂缝宽度随时间的变化情况并将裂缝宽度的平均值，见表5。

表5　不同时刻裂缝宽度平均值

由表5可以看出，单孔炸药起爆至9ms时，裂缝宽度平均值已达到10.23mm，此时L23，L24依次为9.6mm和9.14mm；11ms时，各参考点间距离均达到10mm，此时裂缝宽度平均值为11.79mm，已充分具备形成新自由面的条件，毫秒延时爆破中，伴随新自由面的出现，相应减小了药包抵抗线，一定程度上能加大岩石碎块的运动初速度，激发碎块相互碰撞，运动能转化为机械功加强二次破碎效果；此后裂缝宽度进一步变大，15ms时，裂缝宽度平均值为17.55mm，25ms时裂缝宽度已达到29.36mm。

故通过高速相机对裂缝宽度变化情况进行监测及分析，可以得到试验条件下，孔间延时时间设置应不小于11ms。

(2)应力场叠加分析

试验测得1#边坡模型内部不同孔间延时时间条件下应变波形如图5所示。

图5　应变波形图Fig.5　The figures of strain wave

将爆炸应变波形全历程分为主应变段与尾应变段两个部分〔13〕，初始应变波到波幅衰减至最大幅值的1/e间的波形为主应变段，相应的持续时间为爆炸应变波持续时间。图5(d)与(e)中，当孔间延时时间分别为20ms和25ms时，分段应变波形几乎不存在叠加现象，根据前述方法得到单段炸药爆炸应变波持续时间为T=12ms～16ms。

定义图5中各应变波形图中峰值时刻按出现顺序依次为t1，t2，t3(25ms时，雷管数为2发，故只有t1，t2)，设Φ=T-(t3-t1)/2，则Φ值可以反映分段应变波形间的叠加程度，Φ值越大，表明各相邻炮孔爆炸产生应力波叠加越充分，越利于岩体的破碎。不同孔间延时时间条件下各应变波形叠加情况如表6所示。

由表6可以看出，当孔间延时时间为5ms时，波形间叠加现象严重，叠加时长在单段爆炸应变波持续时长的44%以上， 此时各相邻炮孔应变波能有效、充分叠加，相邻炮孔间岩体受力时间得到延长，利于提高岩体破碎效果。孔间延时时间为10ms时，相邻炮孔应变波部分叠加，从延长岩体中应力场状态持续时间角度考虑，仍能改善岩体破碎效果。当孔间延时时间为15ms时，相邻炮孔应变波只存在微弱的叠加现象，后孔爆破时，前序药包残余应力场几近消失；当孔间延时时间达到20ms以上时，相邻炮孔应变波完全分离，相当于单孔单响情况。从加强各相邻炮孔爆炸应力波有效、充分叠加角度考虑，建议孔间合理延时时间设置应不大于15ms。

表6　应变波形叠加程度

综上所述，试验条件下，为使相邻炮孔爆炸应力波有效、充分叠加，炮孔起爆时有充分自由面，增加破碎岩块有效、强烈碰撞，加强二次破碎效果，建议孔间合理延时时间选取11ms～15ms。

5结 论

(1)减振沟作用下，边坡表面径向应力峰值由2.26MPa降低为0.84MPa，切向应力峰值由1.16MPa降低为0.95MPa；径向与切向应变平均减振率分别为49.4%和35.2%。孔间延时时间为15ms或25ms时，可降低延时时间对应变峰值影响，避免边坡表面应变叠加。

(2)从自由面形成时间角度考虑，孔间延时大于11ms，后孔起爆时，裂缝宽度平均值达到11.79mm，形成新自由面，相应减小了药包抵抗线，加大了岩石碎块运动的速度，增强二次破碎效果。从相邻炮孔爆炸应力波叠加角度考虑，孔间延时5ms时，叠加程度在44%以上，利于提高岩体破碎效果；孔间延时10ms时，部分叠加；当孔间延时为15ms时，仅存在微弱的叠加现象；孔间延时时间进一步增大，相邻炮孔应变波完全分离，相当于各炮孔独立起爆。

(3)综合考虑边坡表面应力状态及岩体爆破效果两方面因素，试验条件下，建议选取孔间合理延时时间值为15ms。

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Experimental study on reasonable delay time of millisecond delay blasting near slope

HE Li1,2， ZHONG Dong-wang1,2， SI Jian-feng1,2

(1. College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China；2. CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center, Wuhan 430065, China)

ABSTRACT：The rock blasting effect and stability of reserved rock mass should be considered at the same time in millisecond delay blasting near slope. Combined with digital electronic detonators, the similar model test of millisecond delay blasting was designed and carried out. Dynamic strain tester and high-speed camera were used to monitor stress field and crack propagation of slope rock mass respectively. The results showed that, under the action of damping ditch and on the slope surface, radial peak stress decreased from 2.26MPa to 0.84MPa, tangential peak stress decreased from 1.16MPa to 0.95MPa, and the average damping rates of radial and tangential strain were 49.4% and 35.2% respectively. The influence of delay time on the peak strain was reduced with 15ms or 25ms. The average width of crack was 11.79mm that could form new free surface with delay time of 11ms. The residual stress field of previous explosive charge almost disappeared when subsequent explosive charge detonated with delay time longer than 15ms. Under experimental conditions, the optimal delay time between blasting holes was 15ms.

KEY WORDS:Slope; Millisecond delay blasting; Stress field; Blasting effect; Delay time; Digital electronic detonator

中图分类号：TD235； O382.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.002

作者简介：何 理(1986-)，男，博士、讲师，主要从事工程爆破与岩石动力学方面的教学与科研工作。E-mail： emp-heli@hotmail.com

基金项目：国家自然科学基金项目(51174147、51574184)；武汉科技大学研究生创新基金项目(JCX0017)

收稿日期：2015-05-05

文章编号：1006-7051(2016)01-0008-06