高频破碎锤阵列排布方式研究

彭玉凤 李睿哲 重庆交通大学河海学院

开发长江黄金水道以推动沿江经济带发展，需加大长江流域生态环境的保护力度。而长江上游存在多处碍航礁石，需采用合理的方式进行航道整治。目前水下炸礁是碍航礁石的主要整治方法，该方法技术成熟，效率较高，但对水生生态环境影响极大，其不符合环保建设的理念。高频破碎锤具有高效、节能、环保以及可以在不改装的情况下进行水下破碎作业等特点，但是现有高频破碎锤的使用工况为陆地使用，将其应用于水下礁石清理时，水域深度、水域环境、礁石自身材质及破碎锤布置形式均会对礁石清理效率产生影响。本文采用杨胜发团队研发的一种破碎锤实验装置对长江岩石进行破碎，结合破碎锤破岩现场试验和数模验证，基于现有破碎锤破岩特点，继而提出一种破岩效率较好的布置形式，以期为水下清礁现场作业提供一种有效的施工方法。

1.高频破碎锤现场试验

1.1 现场试验

现场破岩试验是为了对目标岩石的破岩效果进行分析，探寻一种效率较高的高频破碎锤阵列排布方式，为现场施工提供依据。本次试验采取多次凿眼，人工制造多个临空面破碎方式。

试验装置为杨胜发团队研发的一种水下礁石破碎实验装置，包括实验水池，水池内设有实验装置。试验场地均选取在重庆市南岸区哑巴洞码头，属三峡库区变动回水区消落带，裸露在陆面的岩石为大面积的砂岩，具有长江上游礁石的典型特征。通过取岩心单轴抗压试验测得，岩石的单轴抗压强度为35Mpa-55Mpa，取平均值45Mpa。

试验前，应在典型礁石表面选定较为平整的位置放置设备，并在礁石表面钻出深度适宜的孔，施放固定器完成固定，在确保固定系统可靠和稳定的条件下进行试验。

为验证多个临空面对目标岩石破碎的影响，采用在不同区域多次凿眼的方式制造不同数量的临空面，以数字表示破碎锤击打顺序，其中钎杆半径为2.25cm，则孔距保持为8cm。不同临空面的布置工况和凿眼顺序：工况A-E是沿着破碎中心制造不同数量的临空面，分别为2-6个临空面，工况B与F改变布置角度，皆为3个临空面。

1.2 试验结果

在爆破工程中，通常将药包中心或重心到最近临空面的距离，称为抵抗线，而爆破中心距自由门的最小距离成为最小抵抗线，最小抵抗线取得合理与否，直接关系到各项爆破指标的准确性。破碎锤对岩石的破碎与岩石爆破同属动载冲击破碎，故可将破碎中心与侧向临空面的距离称为破碎施工中岩石的抵抗线，其最小值为最小抵抗线。

各工况下最后一次凿眼时间和深度如表1所示，经前期实验研究，本次最小抵抗线长度选取为6cm。由表中数据可知，破碎锤破岩效果与临空面有很大关系，随着临空面数量增加，每个单位破碎深度用时减少，且破碎锤破碎的极限破碎深度随之增加，那么破碎的综合效率也增加。比较在相同数量不同角度布置的临空面工况B和F，工况F每个单位破碎深度所用时比工况B少，而且破碎极限深度比工况B大，那么工况F破碎的综合效率比工况B破碎的综合效率较高，则破碎效率可能与最小抵抗线所在直线形成的角度有关。

表1 多个人工侧向临空面情况下破岩效果数据表

2.数学模型验证

为了分析最小抵抗线所在直线形成的角度对于破岩效果的影响，本文通过CAE商业软件ABAQUS比较了破碎锤不同排列下制造人工临空面对破碎锤破碎效率的影响。

本构模型采用D-P模型，D-P模型是一种理想的弹塑性模型，用其模拟岩土的性质较为合理，岩体的设置为120mm×120mm×60mm的立方体，岩石的材料参数设置分别为弹性模量25000Mpa，泊松比0.2，摩擦角45°，流应力比1，膨胀角30°，硬化行为压缩，屈服应力45Mpa岩石的网格单元采用八结点线性六面体单元，单元体尺寸为1mm×1mm×1mm。破碎锤仅对钎杆的钎头建立模型，钎杆直径45mm，锥度为16°，三个钎杆均设置为刚体。

对岩石底部施加固定约束，并限制钎杆除Z方向（竖直方向）以外所有方向的自由度。以3个破碎锤组成阵列，在其中一个破碎锤周边采用其余两个破碎锤击打出临空面，两最小抵抗线所在直线的角度分别为60°、90°和180°，长度均为50mm。分析步采用显示动力学分析，将钎杆与岩体表面接触设置表面接触，约束类型为运动接触，滑移的分析公式选定为有限滑移。对后击打的破碎锤施加一次大小为50KN，作用时间为8×10-4s的脉冲荷载以探究该次破碎的深度。

不同角度下最小抵抗线所在直线，钎杆位移随时间的变化曲线，以钎杆的极限位移代表破碎深度。可以看出，最小抵抗线夹角在90°和180°时单次破碎深度区别不大，在60°时单次破碎深度明显增大，因此，最小抵抗线所在直线的夹角与破碎效果没有明显的相关性。

用钎杆位移对时间求导，可以得到钎杆的速度，当夹角为60°时钎杆的回弹速度明显比其余两者大。因三者的输入荷载条件完全相同，用E代表总能量，E1代表破碎岩石消耗的能量，E2代表钎杆回弹时的动能，有：

由动能定理：

式中，m代表钎杆质量；v代表钎杆的回弹速度。

夹角60°工况下钎杆回弹时的动能大于90°和180°工况的动能，说明夹角为60°工况钎杆在破碎深度更大的情况下消耗了更少的能量。这是因为夹角为60°时，预先破碎的两破碎锤破碎中心距离近，导致孔壁相互贯通，增大了临空面的范围，从而减小了破碎的面积，使破碎过程中的破碎阻力和能量耗散减小。

3.结论与展望

本文采用理论分析、现场试验以及数学模型验证相结合的方法，分析了以不同数量和不同角度布置的高频破碎锤，采用凿眼方式人工制造不同临空面，以钎杆的极限位移与时间对应关系作为破岩效率参数，分析了其破岩效率，并得出以下结论：

（1）破碎锤阵列比单个破碎锤破岩效率好，多个破碎锤阵列，各自凿出凿孔互为临空面，并且随着破碎中心周边的临空面数量越多，破碎锤的破碎效率越高；相同临空面数量下，最小抵抗线所在直线的夹角对破碎效果没有明显的相关性，但是以三个破碎锤组成阵列时，阵列呈等边三角形排布能够更加有效地利用临空面，破碎效率更高，能量在岩石中消耗更少。

（2）本文探讨了以三个高频破碎锤为阵列的较优排布方式，三个以上数目的破碎锤阵列排布方式和破碎锤最佳布置数量等，并对原有破碎实验装置进行改进为等边三角形排布，为充分利用临空面，实验装置可增设旋转装置，将阵列旋转60°，并以此提出了基于破碎锤破岩的现场施工方式。