巖石爆破應(yīng)力波分布規(guī)律的水下測(cè)試

曹 祺

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程系, 安徽淮南232001)

巖石爆破應(yīng)力波分布規(guī)律的水下測(cè)試

曹 祺

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程系, 安徽淮南232001)

利用水下折射法避免了爆炸應(yīng)力波與應(yīng)變片的不耦合現(xiàn)象,建立了水下巖石爆破測(cè)試模型,論證原理,制作球形試塊和DDNP集中藥包,利用集中藥包在球形試塊中產(chǎn)生爆炸應(yīng)力波在邊界上入射角為零且無(wú)折射的特性,推導(dǎo)出球形試塊中應(yīng)力波峰值的衰減規(guī)律,并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

球形試塊; 應(yīng)力波分布; 水下測(cè)試

眾所周知,炸藥爆炸后對(duì)介質(zhì)的破壞是高壓爆轟氣體和應(yīng)力波的共同作用。而水下爆炸能量測(cè)試法能夠很好地將能量分為兩部分:氣泡波能和沖擊波能。與實(shí)際情況的良好吻合,也是其他測(cè)試方法難以實(shí)現(xiàn)的。

本文使用水下測(cè)試法,測(cè)量并計(jì)算得到不同半徑的水泥砂漿球形試塊水下爆炸后透射應(yīng)力波的大小,由于集中藥包裝藥位于球心,爆炸應(yīng)力波在邊界上入射角為零且無(wú)折射,推算出不同半徑的球形試塊邊界處的應(yīng)力波大小,作為巖石內(nèi)部距離不同點(diǎn)的應(yīng)力波值,進(jìn)一步推算出其衰減規(guī)律。國(guó)內(nèi)外有關(guān)集中藥包水中爆炸能測(cè)試的研究[1,2]為本文的測(cè)試提供的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用球形水泥砂漿模型試塊測(cè)算炸藥爆炸應(yīng)力場(chǎng)分布。假設(shè)應(yīng)力波從球形試塊到自由面的傳播為彈性波,彈性波從球心傳播到自由面上的每一點(diǎn)都是正入射,則有折射應(yīng)力σt與入射應(yīng)力σi的比值為。

(1)式中:n為兩介質(zhì)的波阻抗之比。

水下實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示,B點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn),其壓力峰值為Pm,A點(diǎn)是球形試塊巖面與水交界面上的點(diǎn),Pa是A點(diǎn)透射到水中的爆炸應(yīng)力波峰值壓力,σr是爆炸應(yīng)力波在A點(diǎn)的徑向入射波的壓力峰值,Pa和σr的關(guān)系由公式(2)所示。

根據(jù)水下爆炸理論和標(biāo)準(zhǔn)藥包的實(shí)測(cè)結(jié)果,爆轟波壓力峰值隨距離的衰減律[3]為:

圖1 球形水泥砂漿試快水下爆炸示意圖

假設(shè)半徑為Rn的球形水泥砂漿試塊水中爆炸后,在B處傳感器測(cè)得的應(yīng)力波壓力峰值可以看作虛擬爆源O′爆炸產(chǎn)生所應(yīng)力波壓力峰值,因此由(3)式可得:B點(diǎn)透射應(yīng)力波為

A點(diǎn)透射應(yīng)力波為

公式中:W為裝藥量,g;Rn為球型模型試塊的半徑(n=1～5,n為整數(shù)),m;r為測(cè)點(diǎn)至球形試塊中心的距離,m;K、α分別為集中藥包水下爆炸時(shí)的系數(shù)和壓力衰減指數(shù)。

由(4)(5)式可得:

將(2)式代入(6)式可得巖石表面應(yīng)力波徑向分量值為:

式中k值可由裸露藥包在水下爆炸所產(chǎn)生的壓力峰值,與在B點(diǎn)所測(cè)量峰值壓力計(jì)算比較得出。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

爆炸能量水下測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,該系統(tǒng)由信號(hào)傳輸電纜、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及室外水池(直徑5.5 m,水深3.62 m)組成。

由于模型試塊爆破藥量較小,整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在小水池的條件下完成。所以實(shí)驗(yàn)采用了爆速和猛度較低的DDNP(二硝基重氮酚)集中藥包進(jìn)行水下測(cè)試。每個(gè)藥包表面做用環(huán)氧樹(shù)脂防水處理。其主要性能如表1所示。

根據(jù)相似實(shí)驗(yàn),制作不同半徑的球形水泥砂漿試塊(水泥:砂子:水=1:2:0.4),5個(gè)1組。水泥砂漿試塊的幾何尺寸和力學(xué)性質(zhì)如表2、圖2和表3所示。

表1 DDNP集中藥包的主要性能參數(shù)

表2 裝藥球形試塊幾何尺寸

表3 球形試件的主要力學(xué)參數(shù)

圖2 球形水泥砂漿試塊

將DDNP集中藥包裝入球心,保證藥包距試塊邊界處處相等且入射角均為零。刷防水劑,防止水侵入試塊改變其力學(xué)性質(zhì)。用環(huán)氧樹(shù)脂及石英砂堵塞炮眼。最后,在測(cè)量鐵架安裝標(biāo)定好的傳感器,同時(shí)將球形試塊固定在鐵架中心,確保爆心與傳感器在同一水平面上,爆心距傳感器的距離為0.5 m。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

球形水泥砂漿模型共5組,每組5個(gè),試塊半徑20 mm遞增。

在實(shí)測(cè)過(guò)程中,隨著試塊半徑的增大,應(yīng)力波峰值迅速減小,并且伴隨有大量干擾波,產(chǎn)生雙峰值或是三峰值的波形圖,使得典型的應(yīng)力波波形圖捕捉困難,造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的部分缺失。所測(cè)應(yīng)力波參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 球形水泥砂漿模型水下透射應(yīng)力波實(shí)測(cè)值

以上數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合得:在測(cè)量范圍內(nèi)(0.86≤W1/3/R≤2.47 kg1/3/m),應(yīng)力波參數(shù)及能量參數(shù)擬合方程如下:

應(yīng)力波峰值衰減規(guī)律:

式中R0為測(cè)點(diǎn)到模型試塊的距離,線(xiàn)性相關(guān)系數(shù):S=0.995 2。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

DDNP集中藥包在球形水泥砂漿試塊中水下爆炸后,利用水下測(cè)試法得到的巖石內(nèi)應(yīng)力波峰值壓力隨試塊半徑變化的圖形如圖3所示,隨R/R0變化圖形如圖4所示。由圖3可知,應(yīng)力波峰值壓力在爆炸的近區(qū)衰減的較快,隨著球形試塊半徑的增大,應(yīng)力波峰值壓力衰減趨于平緩。同時(shí),DDNP集中藥包在球形試塊中實(shí)際測(cè)量的爆炸衰減指數(shù)為1.85,前人工作總結(jié)爆炸衰減指數(shù)α的取值范圍是1.68≤α≤1.81,造成該誤差的原因,是由于應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播過(guò)程中,介質(zhì)的不連續(xù)性和制作試塊時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)弱面對(duì)應(yīng)力波的干擾作用,使得應(yīng)力波在傳播過(guò)程中發(fā)生幾何發(fā)散和頻射,導(dǎo)致應(yīng)力波峰值壓力衰減加快。此外水下測(cè)試法反推巖石內(nèi)部的爆炸應(yīng)力波分布特征,是建立在水為不可壓縮介質(zhì)的前提下,而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,水的微小變形,傳播壓力轉(zhuǎn)化成體積能,也削弱了應(yīng)力波的峰值壓力,故實(shí)驗(yàn)所得的球形試塊應(yīng)力波壓力峰值的衰減指數(shù)比理論值要稍大點(diǎn),是能夠預(yù)見(jiàn)到的,是在實(shí)驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)的,故實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的。

圖3 應(yīng)力波峰值壓力隨試塊半徑變化曲線(xiàn)圖

圖4 應(yīng)力波峰值壓力隨R/R0變化曲線(xiàn)圖

[1] 曹祺,顏事龍,韓早.巖石爆破中爆炸能量分布的規(guī)律的現(xiàn)狀和發(fā)展[J],煤炭爆破,2007(4):28-32.

[2] 吳亮,盧文波.巖石中柱狀裝藥爆炸能量分布[J].巖土力學(xué),2006(5):735-739.

[3] 顏事龍.集中藥包與條形藥包水下爆炸能量測(cè)試[J],爆破器材,2003,32(5):23-27.

[4] 王麗瓊.二硝基重氮酚的爆速與密度的關(guān)系[J].煤炭科技.1984(3).

TD235.1+1

B

1671-4733(2015)06-0005-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.002

2015-11-20

淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院教科研基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):HKJ12-4)

曹祺(1981-),男,安徽淮南人,講師,從事井巷工程和爆破工程研究工作,電話(huà):0554-6656921。