1、前言
關(guān)于巖石爆破
破碎機(jī)理的解釋，常用的有三種理論：(1)爆轟氣體產(chǎn)物膨脹推力破壞理論；(2)應(yīng)力波反射破壞理論；(3)氣體推力和反射波共同作用理論。用這些理論和假說(shuō)可以解釋爆破中巖石破碎及漏斗形成等許多現(xiàn)象，但還有許多現(xiàn)象尚無(wú)法解釋。本文通過試驗(yàn)研究及理論分析，從巖體的微觀裂紋及所受應(yīng)力出發(fā)，應(yīng)用斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)巖石爆破破碎機(jī)理作進(jìn)一步探討。
2、試驗(yàn)研究方案
用水泥砂漿試塊進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試塊規(guī)格60cm×60 cm×10 cm，澆鑄時(shí)每個(gè)試塊中間預(yù)留兩個(gè)炮孔，孔間距10 cm，兩孔孔徑為8 mm。
每孔內(nèi)裝黑索金炸藥1.5 9，用特制小型瞬發(fā)雷管起爆，兩孔間的起爆時(shí)差用BS 6-1型數(shù)字式微差起爆儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。選用9種不同的微差間隔時(shí)間，所用起爆時(shí)差分別為(ms)：0、10、15、20、30、40、50、60、80，整個(gè)試驗(yàn)共起爆模型50個(gè)。
3、試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)每次爆破后的碎塊進(jìn)行篩分，所得結(jié)果分別用Rosin Rammler分布函數(shù)和單一指標(biāo)評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析處理。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在該模擬爆破條件下，20ms為最佳爆破破碎效果的合理微差間隔時(shí)間。
在爆破時(shí)對(duì)模型的應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試，不同起爆時(shí)差的應(yīng)變波形如圖4所示。
從圖4可看到，以齊發(fā)爆破時(shí)應(yīng)力波的疊加最充分，只有一個(gè)波峰，隨著間隔時(shí)間的增大，應(yīng)力波疊加部分減少，到起爆時(shí)差為20 ms時(shí)，應(yīng)力波疊加就不明顯了、，但根據(jù)爆后碎塊的分析，在20 ms時(shí)爆破破碎效果最好，這一現(xiàn)象表明，爆破破碎效果并不是起爆后介質(zhì)中應(yīng)力波的最大疊加引起的，而是另有原因。
4、爆破破碎機(jī)理分析
從炸藥起爆到巖體破碎成碎塊，大體可分為以下幾個(gè)過程：
1．炸藥爆后應(yīng)力波的產(chǎn)生及其在巖體中傳播，并產(chǎn)生高溫高壓的爆轟產(chǎn)物（爆轟氣體）；
2．在應(yīng)力的作用下巖體中產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷地發(fā)展，且不同炮孔周圍的裂紋相互交錯(cuò)切割、疊加，將巖體分割成不同尺寸的碎塊；
3．在爆轟產(chǎn)物作用下，碎塊被拋離巖體。
我們認(rèn)為，在上述三個(gè)不同階段中，決定爆破破碎效果好壞的關(guān)鍵在第二階段，即裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展。巖體之所以被破碎，就是因?yàn)橛辛鸭y產(chǎn)生，這是引起巖體破碎的直接原因。因此，弄清巖體中裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展及其相互作用的規(guī)律，便可找出引起巖體破碎的真正原因。
模型中不同間隔時(shí)間起爆時(shí)，巖石破碎機(jī)理用下面組簡(jiǎn)圖來(lái)描述。
1．在齊發(fā)爆破時(shí)，由于兩孔周圍的裂紋幾乎是同時(shí)產(chǎn)生，這樣每孔周圍的裂紋都是在沒有新增自由面積和更多弱面出現(xiàn)的情況下擴(kuò)展的，兩孔間的介質(zhì)在兩孔爆轟產(chǎn)物合力推動(dòng)下，在孔周圍的裂紋還沒能得到充分的交錯(cuò)、切割和擴(kuò)張時(shí)便被拋出，形成較好漏斗，這樣雖然爆下量較多，但大塊率很高。試驗(yàn)證明，齊發(fā)起爆時(shí)的大塊率是合理時(shí)差起爆時(shí)大塊率的2.5倍。
2、在合理時(shí)差起爆時(shí)，先爆炮孔周圍的裂紋得到充分發(fā)育但尚未拋出碎塊，這就為第二起爆孔周圍裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展創(chuàng)造了更多的弱面，便于其周圍裂紋產(chǎn)生和發(fā)展，且使得兩孔周圍的裂紋得到最佳的交錯(cuò)、切割和疊加，裂紋使兩孔內(nèi)的介質(zhì)切割成許多均勻的碎塊，在兩孔爆轟產(chǎn)物推力作用下拋出，并形成較理想的爆破漏斗，產(chǎn)生較均勻的碎塊，達(dá)到最佳爆破效果。
3．隨著微差間隔時(shí)間的增大，使得先爆孔周圍的裂紋擴(kuò)張后，裂紋切割的碎塊被爆生氣體推出，而后爆孔起爆后產(chǎn)生的裂紋與前爆孔裂紋不能產(chǎn)生交錯(cuò)疊加，向單孔起爆趨勢(shì)發(fā)展，后爆孔的能量沒有得到充分利用，甚至有很大一部分能量因爆生氣體從先爆孔所形成的漏斗坑及裂紋中泄出而浪費(fèi)掉，沒有起到充分破碎介質(zhì)的作用，故產(chǎn)生不良的爆破效果。
5、結(jié)語(yǔ)
從應(yīng)力波的測(cè)試及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以推論：引起巖石產(chǎn)生最佳破碎效果的原因，不是起爆孔產(chǎn)生應(yīng)力波最大疊加的結(jié)果，兩是滯后于應(yīng)力波的裂紋相互充分交錯(cuò)、切割和疊加的結(jié)果，不同起爆孔周圍裂紋間的適時(shí)產(chǎn)生與發(fā)展是引起巖石有效破碎的真正原因；巖石被裂紋切割成碎塊后氣態(tài)爆轟產(chǎn)物的推力作用，會(huì)進(jìn)一步加大某些裂紋的擴(kuò)展并把碎塊拋離巖體。
由于應(yīng)力的存在使巖體中出現(xiàn)許多裂紋。不過在沒有缺陷的地方，雖然應(yīng)力波相遇時(shí)可能會(huì)相互疊加而使應(yīng)力加強(qiáng)，但是一般切相應(yīng)力分量是不會(huì)超過介質(zhì)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的，所以一般不會(huì)產(chǎn)生裂縫。也就是說(shuō)，巖體中超過一定強(qiáng)度的應(yīng)力的存在，是產(chǎn)生裂紋的必要條件，但并不是充分條件，巖體裂紋的產(chǎn)生是受應(yīng)力的大小及巖體結(jié)構(gòu)性質(zhì)兩方面因素確定的，兩孔以合理時(shí)差起爆之所以破碎效果較好，就是充分利用這兩個(gè)因素。但是，影響巖石破碎效果好壞的因素較多，加上巖體本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要想使一切參數(shù)都達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，這在實(shí)際中是很難做到的。筆者認(rèn)為，在眾多的影響因素中，選取合理微差起爆時(shí)間是最經(jīng)濟(jì)可行的辦法。
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