本發(fā)明涉及爆破裝置，特別涉及一種基于散裝炸藥聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置的爆破工藝。

背景技術(shù)：

1、在巖石中進(jìn)行開挖、切割工程時(shí)，使用聚能爆破技術(shù)對(duì)巖石實(shí)現(xiàn)定向預(yù)裂、切割，可充分利用炸藥能量產(chǎn)生定向裂縫，控制爆破裂縫朝設(shè)定方向裂縫擴(kuò)展，抑制不利方向產(chǎn)生裂縫，降低非設(shè)定方向的圍巖強(qiáng)度、完整性發(fā)生損傷，保護(hù)非設(shè)定方向圍巖穩(wěn)定，增大預(yù)裂炮孔間距，降低預(yù)裂炸藥單耗等，常規(guī)的方法是采用巖石機(jī)械切槽、割縫聚能管、密集鉆孔聚能管、d型聚能管等深孔預(yù)裂聚能爆破為邊坡爆破的有效手段，深孔預(yù)裂聚能爆破孔口需多個(gè)聚能管連接，每個(gè)聚能管的劈裂方向一致，但是現(xiàn)有聚能裝置一般采用聚能特殊結(jié)構(gòu)或在聚能管兩側(cè)切縫或鉆孔，采用特殊聚能結(jié)構(gòu)的聚能管加工復(fù)雜；采用兩側(cè)切縫或鉆孔的聚能管在往聚能管內(nèi)裝炸藥時(shí)，存在從切縫或鉆孔內(nèi)漏炸藥問題；爆破時(shí)多個(gè)聚能管之間有可能產(chǎn)生裝藥不連續(xù)，造成鉆孔上部聚能管內(nèi)炸藥殘爆問題。

2、因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待改進(jìn)和提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種基于散裝炸藥聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置的爆破工藝，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中聚能裝置爆破時(shí)多個(gè)聚能管之間、裝藥不連續(xù)，造成鉆孔上部聚能管內(nèi)炸藥殘爆的問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案：

3、一種基于散裝炸藥的聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置的爆破工藝，包括：

4、步驟1：計(jì)算耦合裝藥條件下巖石粉碎圈與裂隙圈半徑；

5、步驟2：計(jì)算耦合裝藥條件下首爆孔及后續(xù)起爆孔孔距；

6、步驟3：通過垂直鉆探獲取巖性，計(jì)算巖石波阻抗與炸藥波阻抗相匹配，確定炸藥含量；

7、步驟4：基于步驟3的炸藥波阻抗計(jì)算結(jié)果，加工聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置；

8、步驟5：連接聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置，使其滿足深孔爆破需求。

9、進(jìn)一步地，所述計(jì)算耦合裝藥條件下巖石粉碎圈與裂隙圈半徑包括：

10、炸藥與巖石界面處爆轟波和巖石發(fā)生彈性碰撞時(shí)，裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥條件下，炮孔周圍最早出現(xiàn)的沖擊載荷壓縮應(yīng)力可表達(dá)為：

11、

12、式中：cp為巖石中縱波波速；ph為爆轟氣體產(chǎn)物的壓力；ρ0為巖石介質(zhì)的密度；ρe為炸藥密度；d為炸藥的爆速；即：

13、

14、式中：k為絕熱指數(shù)，對(duì)于乳化炸藥，一般取近似值k＝3；

15、耦合裝藥條件下，測(cè)算并利用炸藥的爆速d，計(jì)算即可得到炸藥的爆轟波壓力：

16、

17、式中，γ為爆轟產(chǎn)物的等熵指數(shù)；

18、耦合裝藥情況下粉碎圈的半徑計(jì)算公式為：

19、

20、式中：cp為巖石中的縱波波速，σc為巖石的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度；ξ為加載應(yīng)變率，vd為巖石的泊松比；

21、應(yīng)力波作用下的裂隙區(qū)可以參考下式：

22、

23、式中：σc為巖石的抗壓強(qiáng)度，λ＝vd/(vd+1)，vd為巖石泊松比，rk為粉碎區(qū)半徑，rb為炮孔半徑，pd為初始沖擊壓力。

24、進(jìn)一步地，所述計(jì)算耦合裝藥條件下首爆孔及后續(xù)起爆孔孔距包括：

25、掏槽孔與空孔之間的距離主要受到補(bǔ)償空間、炸藥破碎范圍和炮孔偏斜三方面的影響，合理的炮孔間距需要同時(shí)滿足補(bǔ)償空間理論要求的炮孔間距、按照破碎范圍確定的炮孔間距以及按照鉆孔偏斜理論允許誤差范圍要求的炮孔間距；

26、補(bǔ)償空間應(yīng)當(dāng)滿足礦巖碎脹后所需要的體積，其應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

27、s1k≤s1+s2+s3

28、式中：s1為預(yù)爆眼提的面積；s2為空孔面積；s3為裝藥孔面積。

29、根據(jù)裝藥孔與空孔間距的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出裝藥孔與空孔的距離關(guān)系式：

30、

31、式中：l為空孔與裝藥孔的距離；d為裝藥孔的直徑；d為空孔直徑；k為巖石的碎脹系數(shù)；

32、當(dāng)首爆孔爆破形成槽腔后，為后爆孔穿鑿自由面，自由面寬度可以由首爆孔爆破后的爆破漏斗確定般用夾制系數(shù)來表示巖石的夾制作用，夾制系數(shù)符合式：

33、

34、式中:z表示巖石的夾制系數(shù)，w表示裝藥的最小抵抗線，b表示爆破自由面的長(zhǎng)度；

35、在單自由面爆破的情況下，裝藥量可以由下式確定：

36、q＝q(z)v

37、式中:q為裝藥量，q(z)為炸藥單耗，是巖石夾制系數(shù)的函數(shù)，v為被爆巖石的體積；

38、掏槽孔的裝藥形式為柱狀裝藥，見下式：

39、

40、由上式可知，q'一定的情況下，根據(jù)自由面的寬度來選取炮孔最優(yōu)抵抗線，保證爆破漏斗最大時(shí)即為掏槽爆破的最佳效果；

41、最優(yōu)抵抗線在一定的范圍內(nèi)隨自由面的增加而增加的，即可認(rèn)為最優(yōu)抵抗線是自由面寬度的單調(diào)遞增函數(shù)，如式：

42、

43、當(dāng)自由面寬度達(dá)到一定值時(shí)，最優(yōu)抵抗線達(dá)到最大，即為：

44、

45、當(dāng)b<b0時(shí)，可以構(gòu)成微分方程：

46、

47、其中c為常數(shù)，解方程可得式：

48、

49、按照經(jīng)驗(yàn)取值c＝1.5、b0＝0.8，b取首爆孔與空孔的孔間距。

50、進(jìn)一步地，所述通過垂直鉆探獲取巖性，計(jì)算巖石波阻抗與炸藥波阻抗相匹配，確定炸藥含量包括：

51、建立鉆機(jī)速度與巖石性質(zhì)與鉆機(jī)的工作參數(shù)等的關(guān)系模型：v＝f(p,p風(fēng),ω,ρ材,a,ρ,f,sc,st,ss)

52、式中：鉆機(jī)的壓力p、風(fēng)壓p風(fēng)、鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速ω、鉆頭的材質(zhì)ρ材、形狀尺寸a、巖石的密度ρ、巖石的硬度系數(shù)f、巖石的抗壓強(qiáng)度sc、巖石的抗拉強(qiáng)度st、巖石的抗剪強(qiáng)度ss；

53、在實(shí)際工程中，將鉆頭的材質(zhì)和形狀固定，鉆機(jī)的沖擊壓力、風(fēng)壓和轉(zhuǎn)速定為常數(shù)，得到簡(jiǎn)化模型，鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度只隨巖石的性質(zhì)而改變，即：

54、v＝k·f(ρ,f,sc,st,ss)

55、從鉆機(jī)鉆進(jìn)速度來判斷巖石的軟硬等性質(zhì)的分布情況；鉆速可按下式計(jì)算：

56、

57、式中：v為鉆機(jī)鉆速；p為軸壓；n為鉆頭轉(zhuǎn)速；d為鉆孔直徑；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；

58、從以上鉆機(jī)鉆進(jìn)速度公式可以得出，只要鉆機(jī)的性能指標(biāo)固定，鉆孔直徑定，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得到鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度v，就可以相應(yīng)地得出巖石的普氏硬度系數(shù)也就是說兩個(gè)表達(dá)式可以合成一個(gè)形如下式的形式：

59、v＝k·g(jf,d)

60、

61、式中，k為常數(shù)；

62、計(jì)算炸藥爆容；爆容數(shù)值越大說明爆炸氣體產(chǎn)物越多，做功效率越高，公式如下：

63、

64、式中，v藥為炸藥的爆容；∑nj為氣體爆轟產(chǎn)物總的摩爾數(shù)；mi為炸藥i組分的摩爾數(shù)；mei為炸藥i組分的分子量；

65、工程中常用爆轟流體動(dòng)力學(xué)理論的近似理論方程估算炸藥的爆速，如式：

66、

67、式中，d為爆速；qv為理想爆熱；k為爆轟產(chǎn)物局部等熵指數(shù)；

68、炸藥組分中硝酸銨含量與爆熱、爆速、炸藥波阻抗成正相關(guān)；隨著硝酸銨含量增加爆速、爆熱、波阻抗均增加，反之則減少；隨著硝酸銨含量增加爆容減少，反之增加；

69、巖石的波阻抗p石是由巖石的密度ρ石和聲波在巖體的傳播速度c石構(gòu)成。

70、p石＝ρ石×c石；

71、計(jì)算炸藥的密度從而確定硝酸銨的含量，如式：

72、p石＝p藥

73、

74、進(jìn)一步地，所述基于步驟3的炸藥波阻抗計(jì)算結(jié)果，加工聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置包括：

75、s1：使用晶體破碎機(jī)，將混合后的硝酸銨與硝酸鈉經(jīng)破碎機(jī)破碎，將破碎后的硝酸銨溶解于水中后，加入分散劑均勻攪拌；

76、s2：油相固體復(fù)合材料熔融后，注入油相液體復(fù)合材料使混合物均質(zhì)化后，添加乳化劑，溫度控制在85℃；乳化劑采用聚異丁烯丁二酰亞胺類乳化劑；

77、s3：所得油相溶液與水相溶液混合，以600r/min的速度進(jìn)行攪拌工序，攪拌時(shí)間為3min，進(jìn)行初乳，然后將混合后的溶液送入靜態(tài)混合器進(jìn)行精乳，得乳膠；；

78、s4：所得乳膠放入冷卻器，冷卻至25℃；將冷卻后的乳膠加入敏化劑開始敏化，邊敏化邊出料，再經(jīng)過濾器進(jìn)行過濾即可得到炸藥；

79、s5：將步驟s4得到的乳化炸藥裝入裝藥圓筒中，再利用機(jī)械推板向下擠壓，在擠壓的作用下，乳化炸藥受到擠壓從裝藥圓筒擠入至聚能管，實(shí)現(xiàn)耦合裝藥，獲得聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置。

80、進(jìn)一步地，所述步驟5包括：

81、采用聚能管間連接裝置連接聚能結(jié)構(gòu)耦合切割裝置的聚能管，聚能管沿管體軸設(shè)置有成固定夾角均勻分布的兩端v型聚能凹槽，所有v型聚能槽的頂點(diǎn)開口方向均指向管體的中心；管間連接裝置針對(duì)兩端v型聚能凹槽設(shè)置相對(duì)應(yīng)的v型凸起，連接裝置的內(nèi)徑與聚能管外徑相同，做到密合連接，在使用時(shí)將前一聚能管的底部與后一聚能管的頂部放置于管間連接裝置中，在管間連接裝置的頂部與底部使用膠帶纏繞，保證連接處固定。

82、進(jìn)一步地，巖石的波阻抗p石是由巖石的密度ρ石和聲波在巖體的傳播速度c石構(gòu)成，聲波在巖體的傳播速度c石可由巖石聲波參數(shù)儀進(jìn)行測(cè)定，具體步驟如下：

83、s1：取待測(cè)試的巖石試件，進(jìn)行標(biāo)號(hào)同時(shí)記錄試件高度l；

84、s2：校零儀器，將測(cè)量探針置于標(biāo)準(zhǔn)試樣兩端，并保持測(cè)量探針處于同一條水平線上；

85、s3：操作巖石聲波檢測(cè)儀，記錄彈性波在試件中的傳播時(shí)間t，利用下式，計(jì)算巖石彈性波波速并記錄：

86、

87、炸藥的波阻抗p藥是由炸藥的密度ρ藥和炸藥爆速d構(gòu)成；

88、p藥＝ρ藥×d。

89、進(jìn)一步地，所述所得乳膠放入冷卻器，冷卻至25℃；將冷卻后的乳膠加入敏化劑開始敏化，邊敏化邊出料，再經(jīng)過濾器進(jìn)行過濾即可得到炸藥包括：

90、采用nano2作為發(fā)泡劑，磷酸、檸檬酸等作為促進(jìn)劑，進(jìn)行化學(xué)敏化：

91、亞硝酸鈉在乳膠基質(zhì)體系內(nèi)遇到硝酸銨生成不穩(wěn)定的亞硝酸銨，即：

92、nh4no3+nano2→nh4no2+nano3

93、nh4no2→n2↑+2h2o

94、乳化炸藥等含水炸藥利用上式來產(chǎn)生微氣泡，且微氣泡內(nèi)主要?dú)怏w為n2；利用敏化劑調(diào)整乳化炸藥密度，主要就是通過改變炸藥中引入微氣泡的體積來實(shí)現(xiàn)，合理地考慮敏化溫度及時(shí)間對(duì)促進(jìn)氣泡生成具有一定作用，且合理確定敏化劑添加量，實(shí)現(xiàn)乳化炸藥的化學(xué)敏化：

95、敏化劑添加量

96、依據(jù)亞硝酸鈉反應(yīng)機(jī)理可知，欲獲得更多n2微小氣泡，可增加亞硝酸鈉用量，敏化劑用量的計(jì)算公式為：

97、

98、式中：gm為敏化劑用量；ρb為設(shè)計(jì)的乳化炸藥密度；vr為每kg乳膠基質(zhì)的體積；vg為敏化劑產(chǎn)氣量。

99、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具有以下有益效果：

100、本發(fā)明提出的聚能耦合切割裝置，可針對(duì)巖石性質(zhì)采取相應(yīng)的炸藥含量，避免產(chǎn)生過量大塊，且在裝藥過程中進(jìn)行耦合裝藥，形成很好的聚能作用，對(duì)水平方向定向裂縫的改變效果顯著,水平方向主裂隙長(zhǎng)度約為炮孔直徑的8倍,在非聚能方向,部分能量作用于聚能管,減小爆破對(duì)非聚能方向巖石損傷程度,產(chǎn)生的次生裂隙平均為炮孔直徑的2.2倍,雖然伴隨部分次生裂隙產(chǎn)生,但聚能方向的損傷范圍明顯大于非聚能方向,定向致裂效果明顯，很好的解決了聚能裝置爆破時(shí)多個(gè)聚能管之間、裝藥不連續(xù)的問題，且避免造成鉆孔上部聚能管內(nèi)炸藥殘爆，且利用聚能原理，實(shí)現(xiàn)孔壁圍巖裂縫定向擴(kuò)展，降低粉碎區(qū)半徑增大裂隙區(qū)半徑，大幅度提高爆破效果減少爆破工藝的周期以及成本。