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切縫藥包定向控制爆破的試驗研究

2018-12-21 01:53楊仁樹左進(jìn)京楊國梁
振動與沖擊 2018年24期
關(guān)鍵詞:藥包切縫藥量

楊仁樹, 左進(jìn)京, 楊國梁

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2. 深部巖土力學(xué)與地下工程重點實驗室,北京 100083)

隨著巖土工程與井巷工程量的增加,對定向斷裂控制爆破技術(shù)的要求越來越高,切縫藥包的獨特結(jié)構(gòu)使其在定向開采中起著非常重要的作用。Fourney等[1]采用軸向帶有縫隙的管束藥包,通過試驗研究其定向斷裂效果,并在現(xiàn)場中得到了應(yīng)用。Wang[2]采用動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng)和數(shù)值模擬軟件,分析了切縫藥包在有機玻璃板中的定向斷裂效果。Yang等[3]分析了切縫藥包產(chǎn)生的定向裂紋起裂與止裂的斷裂強度因子,并分析了裂紋與缺陷介質(zhì)的相互作用規(guī)律。李清等[4]采用有機玻璃板為試驗材料,研究不同藥量的切縫藥包雙孔爆破主裂紋及分支裂紋的擴展規(guī)律。楊仁樹等[5-6]利用動態(tài)加載焦散線試驗系統(tǒng),研究了切縫藥包定向爆破作用下裂紋的擴展行為,以及相向擴展裂紋之間的相互作用關(guān)系。宋俊生等[7]采用實驗室模型試驗方法,研究了切縫藥包對水泥砂漿的定向斷裂效果。Bobet[8]給出了深埋圓形隧道錨固條件下開挖損傷區(qū)的彈性力學(xué)解析解。Hao等[9]通過數(shù)值分析得出了爆炸載荷對周圍一定范圍內(nèi)巖體造成了損傷破壞,并觀測了損傷在外界壓力情況下的進(jìn)一步演化。閆長斌等[10]基于聲波測試原理,對爆破累積作用下巷道圍巖損傷進(jìn)行了現(xiàn)場測試,既有開挖爆破對巷道圍巖的影響深度為 0.8~1.2 m。楊小林等[11]對大理石材料進(jìn)行了爆破試驗,分析了巖體細(xì)觀裂紋擴展規(guī)律及其損傷特性,并對爆生氣體驅(qū)動作用下巖體的裂紋擴展進(jìn)行研究。嚴(yán)鵬等[12]通過對邊坡爆破振動和聲波測試分析,通過回歸分析手段建立距不同爆心處損傷深度與質(zhì)點峰值振動速度的關(guān)系。朱和玲等[13]結(jié)合巖體爆破損傷研究方法和核磁共振檢測技術(shù),研究爆破作用下巖石損傷特性,以及核磁共振成像技術(shù)定量確定巖體爆破損傷范圍。

目前對切縫藥包在有機玻璃板和模型試驗上開展了一些研究,但切縫藥包爆炸波與爆生氣體作用機理還不是很清楚,基于此本文采用高速紋影系統(tǒng)和損傷測試技術(shù),研究切縫藥包在空氣自由場中爆炸沖擊波與爆生氣體的擴展形態(tài),尤其是切縫方向兩者的傳播機制。同時對花崗巖體進(jìn)行切縫藥包爆破試驗,確定不同炸藥量下花崗巖試件的損傷情況。試驗對切縫藥包爆炸波與爆生氣體的傳播機制進(jìn)行了探討,同時對不同藥量下切縫藥包對巖體的損傷范圍進(jìn)行了測定,對豐富切縫藥包定向斷裂理論提供了參考。

1 切縫藥包高速紋影試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

高速紋影試驗系統(tǒng)組成部分如圖1所示。激光器發(fā)射的線光源經(jīng)過擴束鏡后變成發(fā)散光,發(fā)散光經(jīng)平面反射鏡1入射凹面反射鏡1后變成平行光,平行光攜帶了流場的信息,再由接收凹面反射鏡2聚焦在刀口上,經(jīng)刀口切去部分焦點光線后可用高速相機拍攝,獲得紋影圖像[14-15]。切縫藥包放置在激光流場中,當(dāng)炸藥爆炸后,爆炸沖擊波壓塑空氣,使得空氣密度發(fā)生變化。試驗時把藥包放置在直徑1.2 m的木箱內(nèi),木箱在光場方向上開2個窗口,以便激光能夠穿過,窗口處用有機玻璃板進(jìn)行防護(hù)。把高速相機放置在刀口后,高速相機的拍攝速度為100 000 fra/s。

1.2 試驗方案

試驗采用的切縫藥包管材為不銹鋼,外直徑10 mm,內(nèi)徑6 mm,壁厚2 mm,切縫寬度2 mm。炸藥為疊氮化鉛(PbN6),藥量為200 mg,先把稱量好的炸藥裝到外徑5 mm的熱塑管中,然后將熱塑管放入到鋼制切縫管中。藥包長度為8 cm,有效裝藥長度3.4 cm。采用扭結(jié)的漆包線作為起爆探針,用功率為2 200 V的發(fā)爆器進(jìn)行起爆,起爆點位于藥包中心位置。采用懸吊的方式將切縫藥包放置到預(yù)定位置。

圖1 高速紋影系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of high speed schlieren system

2 切縫藥包爆炸波動試驗結(jié)果

2.1 切縫藥包爆炸波動過程

圖2為切縫藥包在高速紋影系統(tǒng)下的沖擊波與爆生氣體的傳播過程圖,其中切縫藥包軸向平行于光場,這樣可以直觀觀測到切縫藥包切縫方向上沖擊波與爆生氣體形態(tài)與傳播過程。圖中的各時間點是從觀測到切縫處產(chǎn)生沖擊波時開始計時,炸藥在切縫管中的爆轟傳播過程并未觀測到。從圖中可以看出,10 μs時,切縫處開始出現(xiàn)沖擊波,其他方向上并沒有沖擊波產(chǎn)生。20 μs時,沖擊波主要沿切縫方向傳播,并開始向其他方向繞流。30 μs時,爆生氣體開始從切縫處溢出,此時沖擊波呈對稱結(jié)構(gòu)分布。40 μs時,可以明顯觀察到切縫處的爆生氣體,緊隨沖擊波波陣面,繞流至垂直切縫方向上沖擊波開始出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。50 μs時,沖擊波和爆生氣體呈對稱狀分布,沖擊波整體形態(tài)呈以切縫方向為長軸的橢圓形分布。50~80 μs期間,爆生氣體緊隨沖擊波后擴展,爆生氣體形狀類似“蝴蝶”形,80 μs以后,沖擊波與爆生氣體逐漸開始分離,沖擊波傳播速度要遠(yuǎn)大于爆生氣體的傳播速度,在270 μs時,爆生氣體在垂直切縫方向上基本停止擴展。沖擊波繼續(xù)以橢圓形擴展,直至跑出視場以外,爆生氣體主要以對稱孿生態(tài)的形式沿切縫方向呈“一”字型擴展。

2.2 切縫藥包爆炸波陣面速度

由切縫藥包高速紋影試驗結(jié)果,可以得到切縫藥包爆炸前沿激波陣面速度和爆生氣體的擴展速度,圖4(a)為切縫藥包切縫方向與垂直切縫方向的爆炸沖擊波位移-速度圖,由圖可知,切縫藥包切縫方向爆炸波波陣面的速度一直處于優(yōu)勢狀態(tài),切縫方向的波陣面速度比垂直切縫方向的速度要快,垂直切縫方向的沖擊波由于其是由切縫方向沖擊波繞流所致,所以在前期其速度曲線由0開始。兩方向上沖擊波速度衰減趨勢一致,尤其在近區(qū)其速度衰減很快,中遠(yuǎn)區(qū)速度衰減加速度逐漸變緩。圖4(b)為切縫藥包切縫方向與垂直切縫方向的爆生氣體的位移-速度曲線,從圖中可以看出切縫方向爆生氣體傳播速度大于垂直切縫方向,垂直切縫方向爆生氣體衰減加速度要大于切縫方向。

從切縫藥包的爆炸波動過程中可以看出,炸藥首先在切縫管中起爆產(chǎn)生爆轟波,爆轟波在空氣中衰減為沖擊波,并首先從切縫方向向外傳播,其它方向處的沖擊波是切縫方向沖擊波繞流擴展所致。爆生氣體首先沿切縫處向外擴展,并且主要沿切縫方向呈“一”字型擴展。

(a)爆炸沖擊波

(b)爆生氣體圖4 切縫藥包爆炸沖擊波與爆生氣體位移-速度隨時間變化曲線Fig.4 Curve of slotted cartridge explosion shock waveand explosion gas displacement-speed over time

3 切縫藥包巖石爆破損傷測試

3.1 試驗方案與測試儀器

根據(jù)切縫藥包紋影試驗結(jié)果,得出切縫藥包的爆炸波與爆生氣體的傳播特性,為了驗證切縫藥包破巖效果,進(jìn)一步研究切縫藥包定向爆破作用下巖石損傷范圍的變化規(guī)律,試驗材料采用花崗巖石,因為其強度大,更能說明切縫藥包的定向斷裂效果?;◢弾r試件長200 mm,寬200 mm,高150 mm,在試驗開始之前,對試件表面進(jìn)行打磨,其表面光滑,確保聲波探頭能夠完全貼合巖石表面。在試件長、寬的中心打直徑12 mm、孔深10 mm的炮孔。試件尺寸如圖5(a)所示。

切縫藥包與紋影試驗采用的藥包相同,巖樣的超聲波測試采用Tektronix公司生產(chǎn)的DPO 5104B電子示波器聯(lián)合Olympus脈沖發(fā)射器進(jìn)行試驗,聲波換能器為100 kMz 非金屬超聲波探頭,采用超聲波專用耦合劑確保超聲波探頭與巖石試樣表面緊密接觸,試驗測試設(shè)備如圖5(b)所示。設(shè)計裝藥量分別為0.4 g,0.8 g,1.2 g。研究不同藥量下切縫藥包定向爆破作用巖石損傷范圍的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[16]通過彈性力學(xué)相關(guān)原理建立了材料爆破損傷量與材料彈性模量、材料爆破前后波速降低率的對應(yīng)關(guān)系

(1)

(a) 花崗巖試件尺寸

(b) 聲波測試儀圖5 花崗巖模型及聲波測試儀Fig.5 Granite model and acoustic tester

式中:E0,E分別為材料受爆破載荷作用前、后的彈性模量;v0,v分別為材料損傷前、后的聲波速度;D為巖體的損傷量。

根據(jù)我國《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》[17](SL 47-94)規(guī)定, 當(dāng)巖體爆破前后,其聲速變化率(η=1-v/v0)超過10%時,即判定巖體受到爆破損傷破壞。

3.2 測試結(jié)果及分析

沿巖石試件長和寬方向每4 cm作為一個網(wǎng)格點用以聲波測試點,在試件表面共布置25個測點,試驗開始前對原始花崗巖進(jìn)行聲波測速,以確定爆破前花崗巖體的聲速。放置切縫藥包時,把切縫方向垂直對準(zhǔn)巖石試件的一邊,采用沙子加502膠對炮孔進(jìn)行封堵。

試驗結(jié)果如圖6所示,試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)藥量為1.2 g時花崗巖試件沿著切縫方向發(fā)生斷裂,斷裂面比較平整。其它2組藥量試件沒有發(fā)生斷裂,對這兩組試件在相同測點處測其聲速,按照式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化為巖體的損傷量,如表1和表2所示。

圖6 試驗結(jié)果Fig.6 Experimental result

表1 裝藥0.4 g時巖體的損傷量Tab.1 Rock damage value when charging 0.4 g

表2 裝藥0.8 g時巖體的損傷量Tab.2 Rock damage value when charging 0.8 g

根據(jù)表1和表2的測試數(shù)據(jù),采用克里金插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,做出爆破后巖石試件的損傷分布圖。圖7和圖8為花崗巖試件的損傷分布等值線圖和3D曲面圖,從圖中可以看出巖體在測試平面內(nèi)都會產(chǎn)生爆破損傷,切縫藥包在巖體中造成的損傷區(qū)域呈以橢圓形的狀態(tài)分布,在切縫藥包附近巖體損傷值更大一些,尤其在切縫方向損傷范圍明顯大于非切縫方向。隨著藥量的增大,切縫方向上的損傷范圍明顯增大,直至藥量超過某個極限值后,巖石發(fā)生斷裂。

(a) 損傷分布等值線圖

(b) 3D曲面圖圖7 裝藥0.4 g時巖體的損傷分布圖Fig.7 The picture of rock damage when charging is 0.4 g

(a) 損傷分布等值線圖

(b) 3D曲面圖圖8 裝藥0.8 g時巖體的損傷分布圖Fig.8 The picture of rock damage when charging is 0.8 g

距炮孔每隔10 mm提取切縫方向和垂直切縫方向的損傷值,做出損傷值隨炮孔距離的變化曲線,如圖9所示。從曲線上可以看出,在炮孔直徑1.5倍的范圍內(nèi),兩方向上的損傷值差別不是很大,隨著與炮孔間距的增大,兩方向上的損傷值逐漸拉開,藥量的增加對切縫方向巖體的損傷程度的影響較大。

(a) 0.4 g裝藥

(b) 0.8 g裝藥圖9 切縫方向和垂直切縫方向巖體損傷量變化曲線Fig.9 The rock damage value curves of kerf widthdirection and the vertical direction

4 結(jié) 論

(1)通過采用高速紋影試驗系統(tǒng),對切縫藥包爆炸沖擊波與爆生氣體進(jìn)行跟蹤拍攝,實現(xiàn)了對兩者作用的分離研究,切縫藥包爆炸沖擊波和爆生氣體從擴展形態(tài)上保持著高度對稱形態(tài)。

(2)爆炸沖擊波優(yōu)先沿切縫方向傳播,其它方向的沖擊波是切縫方向沖擊波繞流擴展所致,爆炸沖擊波擴展形態(tài)由開始的啞鈴形變?yōu)闄E圓形向空氣中傳播。

(3)爆生氣體首先從切縫處擴展,并且主要沿切縫方向呈“一”字型擴展,爆生氣體在垂直切縫方向有限的范圍內(nèi)擴展。爆生氣體開始緊隨爆炸沖擊波波陣面,后兩者慢慢分離。

(4)切縫藥包在巖體中造成的損傷區(qū)域以橢圓形的狀態(tài)分布,切縫方向巖體損傷值要大于垂直切縫方向。藥量的增加對切縫方向巖體的損傷程度的影響較大。

簡而言之,通過對切縫藥包的爆炸試驗研究,得出了爆炸沖擊波優(yōu)先沿切縫方向釋放能量,形成的“導(dǎo)流”作用于孔壁產(chǎn)生初始損傷區(qū);高壓爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用,促進(jìn)累積損傷區(qū)繼續(xù)發(fā)展,形成沿切縫方向的“射流”效應(yīng),推動裂紋持續(xù)擴展。

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