炮孔孔底消能装置

1.本发明属于岩体爆破开挖的技术领域，具体涉及一种基于应力波透镜的炮孔孔底消能装置。


背景技术：

2.在工程建设中，通常会面临大量的岩石基础开挖，岩石基础面作为工程建筑物的永久承载面，其开挖成型质量会直接影响上部建筑物的稳定和安全。钻孔爆破作为一种快速高效的岩石开挖方法，在完成爆破破岩的同时会产生一些诸如爆破振动和爆破损伤等负面影响，势必会对岩石基础面的成型质量产生一定的危害，因此岩石基础面的开挖成型和质量控制一直是进行钻孔爆破时的关键问题。为了最大程度地降低爆炸荷载对保留岩体的损伤，在岩石基础面的开挖成型过程中，我国规范普遍推荐了一种预留保护层的开挖方法。在长期的开挖实践中，一系列的保护层开挖方法不断地出现和发展，常见的保护层开挖方法主要有以下几种：分层爆破开挖法、水平光爆开挖法、水平预裂开挖法和孔底设柔性垫层一次爆除法，这些方法在保护层开挖时都有着自己的优势和不足之处，分层开挖法的开挖成型效果好但是施工效率低下，水平光爆和水平预裂开挖法的开挖成型质量高但需要钻设水平孔、施工速度慢，孔底设柔性垫层一次爆除法由于不需要钻设水平孔，因此施工效率高，但是开挖成型和损伤控制效果较差。
3.针对于以上问题，中国专利cn201310170450.0公开了一种在炮孔底部施加锥形聚-消能结构的爆破开挖方法，中国专利cn201710189621.2公开了一种用于竖直孔爆破的冲击塑性复合球状消能结构，中国专利cn201910226828.6公开了一种适用适用于岩石基础开挖成型的高波阻抗定向滑落组合消能体，前两种方案分别在孔底布置了锥形和球形的高波阻抗垫块，用于反射爆炸冲击波的能量，第三种方案是对前面两种方案的改进，他们均可以一定程度减少透射至孔底的爆炸能量，进而减小孔底岩体的损伤深度，但在炮孔有一定倾斜角度或其他需要对垂直于炮孔方向的能量进行调控的情况下，现有技术反射的应力波就成为了缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种炮孔孔底消能结构，该装置可最大限度地降低传向孔底方向的能量，同时不会将该部分能量传递到其他方向，可极大限度地控制孔底附近岩体的损伤。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种炮孔孔底消能装置，包括：
7.透镜，其设置在炮孔中且靠近炸药设置；
8.透镜底座，其与透镜背离炸药的一侧连接，在透镜底座内部还设置有消能结构，所述消能结构位于透镜焦点处；
9.缓冲层，其填充在炮孔孔底且所述透镜底座设置在所述缓冲层上，所述缓冲层用
于缓解炸药对透镜和透镜底座带来的冲击。
10.进一步地，所述透镜为凹透镜，且透镜材料的波速va大于透镜底座材料的波速vb及爆轰速度vc。
11.进一步地，在透镜底座内设置有圆柱形空腔，所述消能结构填充在所述圆柱形空腔中。
12.进一步地，圆柱形空腔高度为透镜底座高度的1/6-1/2，且圆柱形空腔横切面半径不大于透镜底座半径的1/3。
13.进一步地，圆柱空腔重心与透镜重心之间的距离设置为：
[0014][0015]
其中，va为透镜材料的波速，vb为透镜底座材料的波速，vc为爆轰速度，d为凹透镜最小厚度；r为凹透镜的曲率半径。
[0016]
进一步地，所述消能结构由吸能材料制成。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的消能装置在炮孔内炸药起爆后，将向孔底传递的应力波汇聚于透镜的焦点处，并由焦点处的吸能装置吸收，从而最大限度地降低传向孔底方向的能量，同时不会将该部分能量传递到其他方向，进而极大限度地控制炸药对孔底附近岩体的损伤，起到很好地保护孔底岩石的作用，本发明在实际应用中可替代部分水平预裂或光面爆破技术，适用于工程领域中的保护层岩体爆破开挖。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例的炮孔孔底消能装置的结构示意图；
[0019]
图2为本发明实施例的应力波透镜原理图；
[0020]
图3为本发明实施例的炮孔孔底消能装置工作时的原理图。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0023]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0024]
如图1所示，本发明提供一种炮孔孔底消能装置，包括透镜1、透镜底座2以及缓冲层3。透镜1设置在炸药4的底部，其中，透镜1为凹透镜。透镜1安装在透镜底座2上，为了便于安装，透镜底座2设置为半纺锤体形。在透镜底座2内部还设置有圆柱形空腔，圆柱形空腔高度为透镜底座2高度的1/6-1/2。为保证透镜底座2强度，圆柱形空腔横切面半径不大于透镜
底座2半径的1/3，且在圆柱形空腔内填充有消能结构5，该消能结构5由吸能材料制成，如高聚物吸振材料。为了达到较大较好地消能效果，透镜1的焦点位于消能结构5中。缓冲层3铺设在炮孔6孔底，而透镜底座2则设置在缓冲层3上，缓冲层3用于缓冲应力波波对透镜1和透镜底座2的冲击。
[0025]
为了使得透镜1对应力波起到较好地收束作用，透镜1的波速va大于透镜底座2的波速vb及爆轰速度vc。同时透镜1需要一定的强度，可在爆轰波的冲击作用下不发生大变形，其可由钢材制作，为节省成本亦可用铁砂作为材料。图2为本发明实施例的透镜原理。入射波7自入射介质8传入透镜1中，根据波的折射定理，在透镜1的波速va大于入射介质8时，折射角β大于入射角α，此时透镜1对波起收束作用。图3为本实施例的炮孔孔底消能装置工作时的原理图，由图3可以看出，应力波穿过透镜1后汇聚于消能结构5上，能量被消能结构5的吸能材料吸收，从而最大限度地降低了传向孔底方向的能量，同时该部分能量不会传递到其他方向，进而更大限度地避免炮孔6孔底岩体的损伤。
[0026]
在本实施例中，圆柱形空腔重心与透镜1重心之间的距离设置为：
[0027][0028]
其中，va为透镜材料的波速，vb为透镜底座材料的波速，vc为爆轰速度，d为凹透镜最小厚度；r为凹透镜的曲率半径。
[0029]
关于透镜底座2中的圆柱形空腔位置的解释如下：
[0030]
将透镜1上下两部分平分为两个平凹透镜。则爆轰波传入透镜时的折射率为n1＝vc/va，若透镜1的曲率半径为r，则焦距为f1＝r/(n
1-1)＝r/(vc/v
a-1)，同理可得传出透镜1时的焦距为f2＝r/(va/v
b-1)，则圆柱形空腔重心距离透镜1重心的距离为透镜1的焦距为：
[0031][0032]
在应用本实施例的炮孔孔底消能装置时，见图1，在炮孔6开挖好后，在孔底铺设缓冲层3，然后在透镜底座2的圆柱形空腔中填满由吸能材料制成的消能结构5，再将透镜1安装在透镜底座2上，之后将透镜底座2背离透镜1的一侧固定在缓冲层3上。固定好透镜底座2后向炮孔6中填塞炸药4，当炮孔6中填塞了足够的炸药4后再用堵塞体9将炸药4堵塞在炮孔6中。当炮孔6内炸药4起爆后，炸药4产生的应力波经过透镜1后汇聚于消能结构5上，能量被消能结构5内的吸能材料吸收，从而最大限度地降低了传向炮孔孔底方向的能量，同时该部分能量不会传递到其他方向，进而极大限度地防止了孔底附近岩体的损伤。
[0033]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显
而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。