炮孔内多点聚能微射孔式爆破的方法及其安装结构
技术领域
本发明属于爆破施工领域，具体涉及一种炮孔内多点聚能微射孔式爆破的方法及其安装结构，尤其适用于中深孔爆破施工。
背景技术
炸药在岩体中爆炸时所释放出的能量，通过爆破应力波和爆轰气体膨胀压力的方式传递给岩石，使岩石产生破碎。但是，真正用于破碎岩石的能量只占炸药释放能量的极小部分。大部分能量都消耗在作无用功上，如爆炸过程中的热传导、热辐射以及介质的过度粉碎及塑性变形，还有一部分无效的机械功消耗在岩石的振动、抛掷和在空气中形成空气冲击波上。当采用抛掷爆破时用于爆破破碎上的有用功只占总能量的5％～7％，就是采用松动爆破，能量利用率也不会超过20％。因此，提高炸药爆炸能量的利用率是有效地破碎岩石、改善爆破效果和提高经济效益的重要因素，也是爆破工程技术人员孜孜不倦的追求目标。
多少年来炸药爆炸的聚能原理和它所产生的效应，只是用于做穿甲弹的军事目的，近年来才逐渐转为民用，从而可以列入工程爆破的范畴之内。例如利用聚能效应在冻土内穿孔，破冰除凌，为炼钢平炉的出钢口射孔，为石油井内射孔或排除钻孔故障以及切割钢板，或者利用聚能管进行预裂爆破、光面爆破，以期形成平顺完整的开挖轮廓面。
2006年中国矿业大学申请了国家专利《一种多向聚能爆破装置》(ZL200620074521.2)，该实用新型公开一种多向聚能爆破装置，旨在降低钻孔数量和炸药单耗。它包括一个内壁均匀分布有多个凸起的套管，套管内设有与凸起内壁紧密配合并受挤压的异形聚能药包。由凸起部位形成多向聚能爆破的聚能穴，在爆炸时炸药能量沿聚能穴方向产生汇聚，形成高速射流，使炮孔周围优先形成多条径向裂纹，尔后在爆生气体作用下快速扩展，切割岩石形成碎块。该专利已申请十多年，至今在互联网没有见到相关应用报道。究其原因主要有四，一是施工工艺复杂；二是套管大大地增加了爆破成本；三是由于聚能穴的数量受到了空间限制不可能设置很多；四是类似于切槽爆破，炮孔周围优先形成的多条径向裂纹，爆炸能量被导入预裂缝，抑制了其它随机裂纹的形成，使爆破大块率大大增加。该法可以用以获取大块石，却并不能有效降低炸药单耗。
此外，近几年又出现了水介质换能爆破法，意图提高炸药能量利用率同时降低爆破有害效应。该法步骤包括首先在爆破介质的炸药装药腔中安装质量比大于或等于最优值的水介质和炸药，且将炸药和水介质相互隔离，然后引爆所述炸药装药腔中安装的炸药。该法仅在国内外少数几个矿山进行了试验性爆破，未见到有普遍性推广的趋势。究其原因，主要有以下几点：一是该法主要在降低爆破灰尘方面有些许效果，在降低炸药单耗方面效果不明显。二是该法中加入的水介质与炸药是分段隔离的，直接接触的面积很小，炸药爆炸后，水介质吸能化学键断裂分解成H
2和O
2的说法缺乏依据。而且水分解是吸热的，降低了炸药爆炸后，炮孔内“爆炸热力学系统”的温度和压力。三是如果水袋放置在炮孔底部，必然增加底部大块率，如果水袋放置在炮孔上部，相当于增加了堵塞长度，必然增加上部大块率，如果水袋放置在炮孔中间，必然形成分段装药，需要增加雷管数量或使用导爆索，加大爆破成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述问题，提供一种能够提高炸药能量有效利用率、改善炸药对爆破介质的爆破效果、减小爆破危害、爆破烟尘少的炮孔内多点聚能微射孔式爆破的方法及其安装结构。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
炮孔内多点聚能微射孔式爆破的方法，步骤包括:
(1)利用炸药药柱可塑性，将1～6个顶部为尖锥状、底部设有压边的聚能罩通过其顶部的尖锥状结构从药柱的侧面插入药柱，直到聚能罩底部的压边朝外并紧贴药柱表面，然后将聚能罩固定到药柱上，完成聚能药包的制作，保证所有聚能罩排列在药柱的同一侧；
(2)根据实际需要将若干个根据步骤(1)制作的聚能药包投入炮孔中，投入时保证聚能药包上的聚能罩的聚能穴方向呈辐射状地朝向临空面，且聚能药包与炮孔之间为间隙配合；所述炮孔中，根据实际需要在聚能药包之间布置或不布置普通的炸药药包；
(3)根据常规中深孔爆破的起爆联网步骤进行爆破。
优选地，所述药柱为圆柱形药柱。
炸药药柱包含有外包层包裹住炸药药质，但是炸药本身具有很好的可塑性，故可将顶部为尖锥状的、底部设有压边的聚能罩插入其中，具体可以顶部对准圆柱形药柱的中心，垂直于药柱的轴线，将聚能罩插入药柱，使压边朝外并紧贴药柱，然后将聚能罩固定到药柱上，完成聚能药包的制作，该过程可以现场制作，也可以工厂预制。
优选地，所述步骤(1)中，所述药柱中的炸药为胶状乳化炸药、水胶炸药或浆状炸药。
优选地，所述步骤(1)中，用透明胶带将聚能罩粘贴固定在圆柱形的药柱上。
优选地，所述聚能罩的锥顶角α为30°～70°，之所以选择这个范围，是因为当锥顶角α小于30°时，穿孔性能很不稳定，当锥顶角α介于30°～70°之间时，射流才具有足够的质量和速度，起到稳定的穿孔作用和良好的穿孔效果，当锥顶角α大于70°以后，穿孔深度迅速下降，但破碎范围增大，故该处选取的锥角，是为了能最大限度地实现聚能微射孔的爆破目的。
优选地，所述聚能罩的材质为金属、玻璃、陶瓷或pvc。
优选地，所述聚能罩的母线为直线、折线或弧线。
优选地，所述聚能罩底部压边的宽度2mm～5mm。
优选地，所述聚能罩为均匀壁厚，壁厚为1～3mm。
优选地，所述聚能罩的底圆直径参考公式
做适应性选取，其中α为锥顶角，D为聚能药包直径，该处d的选取是参考中国工程爆破协会编著的《工程爆破理论与技术》第11.1聚能爆破中图11-5a所示的聚能药包形状和几何参数图变形后推导而得，具体是将其药柱的投影矩形内接与圆柱形聚能药包的截面圆推导而得，为的是聚能药包的穿孔深度与装药直径和高度最匹配。因为，在这种整个聚能药包中，参与形成聚能射流的炸药，仅仅是靠近药型罩一定厚度内的炸药层，这一层炸药叫做有效炸药层，这种聚能罩的结构可以充分利用炸药的直径，将有效炸药层最大化。书中在确定聚能药包的结构形状时，为了既要使装药重量最轻，又要使破岩效果理想，将圆柱形聚能药包简化成类圆台形聚能药包时，由经验公式给出的聚能罩底部直径、药柱直径、药柱高度、聚能罩锥顶角之间的参数关系，其聚能罩底部直径仅与其药柱直径有关。书中的聚能罩是位于圆柱形或类圆台形药柱的底面，用法和使用场景都不同，而本发明的聚能罩位于圆柱形聚能药包的侧面，用于岩石中深孔爆破，根据投影关系，由勾股定理推导出本发明的聚能罩底部直径的上限值，它是药柱直径与锥顶角的函数，与书中的公式有显著区别。
优选地，根据爆破岩石的坚固性、聚能药包尺寸规格以及聚能药包在炮孔中的位置不同，每只聚能药包安放聚能罩数量为1～4只。
优选地，为了将聚能罩的破岩作用发挥到最大，所述步骤(2)中，将聚能罩的聚能穴方向呈辐射状朝向临空面，更优地，聚能罩的聚能穴方向呈辐射状时辐射角度β为50°～110°，这个方向是爆破时破碎岩石的主要运动方向。
优选地，所述步骤(2)中，在炮孔底部使用加强的微射孔爆破法，中上部使用普通微射孔爆破法，即将靠近炮孔底部的聚能罩的数量密度布置成大于中上部的数量密度，以解决在垂直中深孔爆破后在炮孔底部易残留根坎的问题。因为，在垂直中深孔爆破中，由于底部岩石呈双向或多向应力状态，而且底盘抵抗线较大，爆破后在炮孔底部常常残留根坎，根坎需要二次钻孔爆破处理或机械处理，加大爆破成本，影响了施工进度。在常规爆破中，常常通过增加超深，以降低装药中心的位置，以克服台阶底部阻力，减少留根底。这种做法使钻孔量、装药量增加，从而较大的增加了爆破成本，而且并不能完全地消除根坎现象。联合应用本发明，可在炮孔底部使用加强的微射孔爆破法，中上部使用普通微射孔爆破法，即可达到更合理地利用爆破能量的目的。
本发明还公开了一种聚能罩，所述聚能罩的顶部为尖锥状、底部设有压边。
优选地，所述聚能罩的锥顶角α为30°～70°。
优选地，所述聚能罩的材质为金属、玻璃、陶瓷或pvc。
优选地，所述聚能罩的母线为直线、折线或弧线。
优选地，所述聚能罩底部压边的宽度2mm～5mm。
优选地，所述聚能罩为均匀壁厚，壁厚为1～3mm。
优选地，所述聚能罩的底圆直径参考公式
做适应性选取，其中α为锥顶角，D为药包直径。
本发明还公开了上述炮孔内多点聚能微射孔式爆破的安装结构，包括炮孔和间隙配合设置在炮孔内的炸药总成，所述炸药总成包含若干个相互接触的药包，所述药包为圆柱体的药柱结构，至少部分药包上，插入有若干个聚能罩，所述聚能罩的顶部为尖锥状，底部设有向外的压边，所述聚能罩的顶部插入圆柱体药柱内，压边贴合在圆柱体药柱外表面上。
优选地，所述炸药总成中聚能药包上的聚能罩在炮孔里呈往复式布置或折返式布置，聚能罩的聚能穴方向成辐射状朝向临空面，辐射角度β为50°～110°。
优选地，所述炮孔上部设有一段填塞段，炸药总成设置在填塞段的下部，一般地，所述炸药总成与炮孔之间，有空气间隔。
本发明的有益效果是：
本发明的炮孔内多点聚能微射孔式爆破的方法及其安装结构，具有下述优点：
本发明从岩石损伤力学、断裂力学机理出发，提出利用聚能罩的聚能射流，在炮孔内首先冲击出多个朝向临空面方向的成辐射状的微射孔，随后爆生气体渗入孔隙起着气楔作用，在微射孔周围产生应力集中。并在静压作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩大，由于爆生气体有了更多的渗入空间且不会迅速逸散，从而使气体的膨胀作用时间更长，这更有利于岩石的破碎。同时，根据应力波反射原理，当聚能药包爆炸以后，压缩应力波到达自由面时，便从自由面反射回来，变成性质和方向完全相反的拉伸应力波，由于岩石的抗拉强度远远小于抗压强度，这种反射拉伸波可以引起岩石片落和引起径向裂隙的扩展。同时，由于聚能罩聚能穴方向成辐射状朝向临空面，使得聚能穴方向上的冲击波大大增强，相应地该冲击波到达自由面后反射的拉伸应力波也相应大大增强，从而引起更强的岩石片落和径向裂隙的扩展。爆破工程实践中，胶状乳化炸药装填炮孔法应用最多，该法圆柱形药柱与炮孔壁之间一般存在空气间隙，即为不耦合装药，这种装药方法对于爆破坚硬岩石极为不利。而使用本发明会使这种不利条件化为有利条件。原因有二，一是聚能罩在爆轰波的作用下向轴线方向汇聚、碰撞，随后聚焦、延伸形成正常射流的过程中，需要一个适当的空间距离，即为炸高。因此，不耦合装药的药柱与孔壁之间的间隙，有利于提升聚能罩的聚能作用。二是，由于工程中常用的2号岩石乳化炸药的波阻抗远远小于坚硬致密岩石的波阻抗。聚能罩的存在局部提升了炸药威力，相当于局部提高了炸药的波阻抗与岩石的波阻抗的匹配程度，从而使炸药传递给岩石的能量更多，在岩石引起的应变值更大，理应获得更好的爆破效果。此外，以前的爆破聚能技术，均是用人工或者借助装药设备向爆破型材中装入炸药，形成聚能结构。本发明创新性地反其道而行之，利用聚能罩直接插入可塑性好的胶质炸药形成聚能结构，操作简便，耗材少，同时由于聚能罩的挤压，增加了局部装药密度，提高了爆速，使聚能效果更佳。根据能量守恒定律，使用本发明，虽然炸药爆炸的总能量没有改变，但是聚能罩的存在大大地优化了炸药爆炸在炮孔壁上的能量分布，从而提高了爆炸能量的有效利用率，相应地降低了爆破有害效应，降低了岩石粉碎区消耗的无用功。聚能罩集中了部分炸药能量首先在炮孔壁上形成微射孔，为紧随而来的爆生气体膨胀作用创造了有利条件。理论分析及爆破数值模拟表明，使用本发明，在相同爆破介质的条件下可减少炸药单耗20％～30％，爆破振动减小20％～25％，大块率减小40％～45％，爆破介质破碎粒度与普通爆破相比较为均匀、爆堆集中方便挖装和运输作业，故成本下降20～25％，因此具有能够提高炸药能量有效利用率、改善炸药对爆破介质的爆破效果、减小爆破危害的优点。
本发明实施方法简单易行，与现行的各种爆破作业施工工艺步骤没有多大差异且效果更好，节省施工成本明显，施工单位容易接受，便于推广应用。
本发明中的聚能罩单个体积小、结构简单，生产工艺简便，耗材极少，成本低廉，便于管理以及运输。
本发明适用于各类炸药爆炸破碎岩石、混凝土作业，在浅孔爆破、深孔爆破、地下爆破、硐室爆破、水下爆破中均可采用，可以在水利水电、矿山、公路、铁路等建筑业中广泛推广应用。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明实施例中的聚能罩正视图；
图2为本发明实施例中的聚能罩俯视图；
图3为图2中A－A剖视图；
图4为爆破作业面上炮孔布置平面图；
图5为图4中聚能罩的聚能穴朝向示意图；
图6为聚能药包上安装一个和多个聚能罩的大样图；
图7为折返式炮孔聚能装药结构图；
图8为往复式炮孔聚能装药结构图；
其中，1-聚能罩，2-压边，3-炮孔，4-岩石上的临空面，5-聚能穴辐射角，6-药柱，7-透明胶带，8-填塞段，9-空气间隔。
具体实施方式
如图1-8所示，炮孔内多点聚能微射孔式爆破的方法，步骤包括:
(1)利用炸药药柱6可塑性，将1～6个顶部为尖锥状、底部设有压边2的聚能罩1通过其顶部的尖锥状结构从药柱6的侧面插入药柱，直到聚能罩底部的压边2朝外并紧贴药柱6表面，然后将聚能罩1固定到药柱6上，完成聚能药包的制作，保证所有聚能罩1排列在药柱6的同一侧；
(2)根据实际需要将若干个根据步骤(1)制作的聚能药包投入炮孔中，投入时保证聚能药包上的聚能罩1的聚能穴方向呈辐射状地朝向临空面，且聚能药包与炮孔之间为间隙配合；所述炮孔中，根据实际需要在聚能药包之间布置或不布置普通的炸药药包；
(3)根据常规中深孔爆破的起爆联网步骤进行爆破。
利用炸药药柱的可塑性，将聚能罩1插入药柱6并固定住，完成聚能药包的制作，该过程可以现场制作，也可以工厂预制；然后根据实际情况需要将制得的聚能药包逐个投入中深孔炮孔中3，并使聚能穴的朝向大致均匀的分布在辐射角β内。一般地，聚能药包与炮孔3之间是间隙配合，其它起爆联网步骤与常规中深孔爆破相同。
所述方法适用于应用胶状乳化炸药、水胶炸药、浆状炸药的爆破作业。
所述药柱6中的炸药为胶状乳化炸药、水胶炸药或浆状炸药
用透明胶带7将聚能罩1粘贴固定在圆柱形药柱6上。
所述聚能罩1的锥顶角α为30°～70°。
所述聚能罩1的材质为金属、玻璃、陶瓷或pvc。
所述聚能罩1的母线为直线、折线或弧线。
所述聚能罩1底部压边的宽度2mm～5mm。
所述聚能罩1为均匀壁厚，壁厚为1～3mm。
所述聚能罩1的底圆直径参考公式
做适应性选取，其中α为锥顶角，D为聚能药包直径。
根据爆破岩石的坚固性、聚能药包尺寸规格以及聚能药包在炮孔中的位置不同，每只聚能药包安放聚能罩1数量为1～4只。
为了将聚能罩的破岩作用发挥到最大，将聚能罩的聚能穴方向呈辐射状朝向临空面，聚能穴辐射角5的辐射角度β为50°～110°，这个方向是爆破时破碎岩石的主要运动方向。
上述炮孔内多点聚能微射孔式爆破的安装结构，包括炮孔和间隙配合设置在炮孔内的炸药总成，所述炸药总成包含若干个相互接触的药包，所述聚能药包为圆柱体药柱结构，至少部分圆柱体药柱上，插入有若干个聚能罩，所述聚能罩的顶部为尖锥状，底部设有向外的压边，所述聚能罩的顶部插入圆柱体药柱内，压边贴合在圆柱体药柱外表面上。
见图7、图8，所述炸药总成中聚能药包上的聚能罩在炮孔里呈往复式布置或折返式布置，聚能罩的聚能穴方向成辐射状朝向岩体上的临空面4，辐射角度β为50°～110°。
所述炮孔3上部设有一段填塞段8，炸药总成设置在填塞段的下部，所述炸药总成与炮孔壁之间，有空气间隔9。
实施例一
一采石场，以中深孔台阶爆破法采石，岩石为中硬砂岩，炮孔3直径115mm，炮孔深度8m，填塞3m。药柱6采用2号岩石乳化炸药，规格为Φ70mm－2000g。一次爆破布置3排炮孔，梅花型布孔，炮孔布置平面图如图4所示。聚能罩的锥顶角α取60°，底圆直径参考公式
选取，实际取d＝40mm，压边宽取5mm。聚能罩的聚能穴朝向平面图如图5所示。一支炸药聚能药包放一个聚能罩，聚能罩最终在炮孔里呈折返式布置，炮孔聚能装药结构图如图7所示。
实施例二
一支炸药聚能药包放一个聚能罩，聚能罩最终在炮孔里呈往复式布置，炮孔聚能装药结构图如图8所示。其余条件同实施例一。
实施例三：
在垂直中深孔爆破中，由于底部岩石呈双向或多向应力状态，而且底盘抵抗线较大，爆破后在炮孔底部常常残留根坎，根坎需要二次钻孔爆破处理或机械处理，加大爆破成本，影响了施工进度。在常规爆破中，常常通过增加超深，以降低装药中心的位置，以克服台阶底部阻力，减少留根底。这种做法使钻孔量、装药量增加，从而较大的增加了爆破成本，而且并不能完全地消除根坎现象。联合应用本发明，可在炮孔底部使用加强的微射孔爆破法，中上部使用普通微射孔爆破法，即将靠近炮孔底部的聚能罩的数量密度布置成大于中上部的数量密度，即可达到更合理地利用爆破能量的目的。其聚能罩的布置方式同实施例一或实施例二。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。