水下爆破巖石破碎塊度的實驗研究*

唐玉成,段衛(wèi)東,2,喬澤霖,蔣 培,2,胡浩川

(1.武漢科技大學,武漢 430081；2.中鐵港航-武科大爆破技術研究中心,武漢 430081;3.?？悼h堯治河順泰民用爆破有限公司,襄陽 441600)

水下爆破巖石破碎塊度的實驗研究*

唐玉成1,段衛(wèi)東1,2,喬澤霖3,蔣 培1,2,胡浩川1

(1.武漢科技大學,武漢 430081；2.中鐵港航-武科大爆破技術研究中心,武漢 430081;3.?？悼h堯治河順泰民用爆破有限公司,襄陽 441600)

基于武漢科技大學與中鐵港航局聯合研制的10 g TNT當量水介質爆炸容器，在爆炸罐內施加不同壓強，模擬不同水深梯度，進行多組素混凝土試塊的水下爆炸實驗，統(tǒng)計炸藥爆炸后的各種塊度，發(fā)現隨著水深增大巖石的大塊率增加，且水深是主要影響因素。由于水介質的壓力作用，改變了巖石中的軸向壓力作用，受到水的圍壓作用，炸藥爆炸后需分配一部分能量用于克服水壓作用，而且水深越大，巖石外部圍壓越大，因此破碎程度遠不如同等條件下的陸地爆破，得到相同破碎程度，需要更大的單耗，水深越大所需單耗越大，研究結果可供實際工程參考。

水下爆破； 爆炸罐； 大塊率; 深水模擬

由于水下炸藥爆破的介質和環(huán)境有別于陸地爆破，炸藥爆炸釋放的能量、作用于目標物體上的能量以及爆破效果與地面爆破相比也存在差異。就水下爆炸現象的研究而言，目前國內外都趨向于理論分析、實驗研究和數值計算三種方法有機結合進行綜合性探索[1,2]。1960年后，不少學者針對巖石爆破塊度的研究方面己經做了大量的工作，提出了三種具有代表性的巖體爆破塊度模型：應力波模型，分布函數模型和能量模型[3]。在陸地巖石爆破中一般采取加強地質編錄、優(yōu)化爆破參數、改善裝藥結構、規(guī)范爆破操作的工程技術控制措施來降低大塊率[4]。而在深水環(huán)境下，除了上述因素外，炸藥的入水深度也會影響巖石的破碎程度,目前對于這個問題的研究還處在深度30 m之內的范圍,并沒有對在更大深度條件下作用效果的研究[1]。為研究水深對巖石爆破塊度的影響，利用武漢科技大學和中鐵港航局聯合研制的10 g TNT當量水介質爆炸容器，模擬不同水深所產生的壓力環(huán)境，最大可模擬200 m深水環(huán)境，進行多組混凝土試塊的水下爆破實驗，研究深水下巖石破碎情況。

1 爆破沖擊波作用下巖體的破碎范圍

炸藥爆轟后，在跑孔壁上作用一個很大的脈沖壓力P1，炮孔周圍應力的準靜態(tài)解可以根據厚壁圓筒的典型模型導出，炮孔壁上的切向應力σr max=-P1，徑向應力σθ=P1，兩者大小相等并且都等于作用于孔壁上的壓力[5]。如果沖擊波產生最大徑向應力σr max超過巖石的極限動態(tài)抗壓強度，巖石則被壓壞，當巖體中的最大切向應力σθ max超過巖體的動態(tài)極限抗拉強度時，巖體被拉壞，此時滿足的條件為

(1)

式中：σT為巖體抗拉強度；σθ為切向應力；kT為動載荷作用下，巖石的抗拉強度增大系數。

爆炸沖擊波在巖體內部傳播過程中，其徑向的壓力隨著傳播距離的增大而衰減[6]，即

(2)

切向應力為

(3)

式中：b為巖體的橫波與縱波速度之比；Pm為沖擊波初始壓力；α為應力波衰減指數；rb為裝藥半徑；R為考察點距離炮孔中心的距離。

1.1 沖擊波作用下形成的破碎區(qū)半徑

由于巖石的動態(tài)極限抗壓強度遠大于動態(tài)極限抗拉強度，因此破碎區(qū)范圍應根據巖石的動態(tài)極限抗拉強度條件進行計算[7]，聯立式(1)、(2)、(3)得到破碎區(qū)半徑為

(4)

動載荷作用下，一般計算出的破碎區(qū)的Rc為rb的5～6倍[8]。

考慮到本實驗模擬深水實驗，在試塊受外加壓強Px時，式(1)應修正為

(5)

此時得到的破碎區(qū)半徑為

(6)

由式(5)得知，在深水條件下爆破，巖體的粉碎區(qū)半徑會減小。

1.2 準靜態(tài)應力場作用下的巖石破裂范圍

由于巖體受到初始爆炸所激起的應力狀態(tài)或動態(tài)應力場很快消失，高溫高壓的爆轟產物作用于炮孔壁上的準靜態(tài)應力場的作用時間遠大于爆炸瞬間[9]，由厚壁圓筒理論，在P2=0,rr>>rb, 時

(7)

同理，當σθ≥kTσT時巖體開裂，準靜態(tài)條件下破裂半徑為

(8)

考慮深水壓力時，選用條件(5)，得到結果為

(9)

可見，有水壓作用時，會使破裂區(qū)半徑減小。

2 實驗模型及結果

實驗選擇向爆炸罐內加壓力0.5 MPa和1 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，分別模擬水深為50 m，100 m、150 m和200 m環(huán)境，并在各水深環(huán)境下改變炸藥單耗進行爆炸實驗研究，著重在0.5 MPa與1.0 MPa條件下做了幾組橫向對比試驗。選用混凝土材料為模型材料，泰安為主裝藥，以導爆管雷管起爆，以石英砂混合AB膠堵塞?？紤]到模型尺寸對巖石破碎塊度的影響，試驗中澆筑了兩種尺寸的素混凝土試塊，大試塊為邊長300 mm的立方體，體積為0.027 m3，預留炮孔深度200 mm，小試塊邊長為200 mm，體積為0.008 m3，預留炮孔深度130 mm。兩種試塊的預留炮孔直徑都為15 mm，位于試塊正中心，如圖1、圖2所示。試塊力學性能見表1。

表 1 試塊的力學性能

實驗所用到的混凝土試塊分兩種規(guī)格：大試塊質量27 kg小試塊質量8 kg，實驗結果發(fā)現大試塊爆炸后有些碎塊質量大于8 kg，這比小試塊爆破前都大，而有些小試塊爆破后雖然質量比較輕，可以歸為小塊度類，但根據比例模型，相對于小試塊的質量百分比卻較大，基本可以歸為大塊度或中塊度。因此，考慮到大小試塊在爆破后碎塊質量統(tǒng)計問題，實驗分別按照碎塊的絕對質量和相對質量統(tǒng)計。大小試塊無差別絕對質量統(tǒng)計：質量大于4000 g的記為大塊，2500～4000 g的記為中塊，2500 g以下的記為小塊及碎塊。根據相似規(guī)律大試塊和小試塊分別按照相對質量統(tǒng)計：將爆后單個碎塊質量與爆前試塊總質量的百分比作為參考依據，質量百分比大于15%的為大塊，7%～15%的為中塊，小于7%的記為小塊。統(tǒng)計結果見表2。

將0.5 MPa與1.0 MPa下的實驗結果按照相對質量統(tǒng)計，統(tǒng)計情況如表3所示。

2.1 水深對破碎塊度的影響

當水深變化時試塊表面的壓強也會隨之變化，以下是等大小等藥量時，各破碎塊度隨壓強的變化情況。見圖3、圖4。

組別模擬水深/m試塊體積/m3次數單耗/(kg·m-3)藥量/g大塊率/%中塊率/%小塊率/%100．00810．4263．41 0．000．00100．000．02720．50013．5011．589．0779．3510．0630．5051．850．0048．150．00820．1881．5024．940．0075．0630．2962．37 0．000．00100．0025040．4263．41 0．000．00100．0050．1113．0071．087．3821．540．02760．2416．5036．7219．0144．2770．37010．0019．3630．3850．2680．50013．50 0．0013．9486．060．00810．1881．5031．7918．3049．9120．4263．41 0．0064．7735．23310030．1113．00100．000．00 0．000．02740．2416．5081．320．0018．6850．37010．0035．9525．3038．7560．50013．5027．6920．9351．3841500．00810．4263．4127．6718．4153．920．02720．50013．5073．770．0026．2352000．00810．4263．4151．8620．3427．800．02720．50013．5061．6722．9915．34

表 3 按相對質量統(tǒng)計

在單耗相同的情況下，水深環(huán)境0 m、50 m、100 m、150 m、200 m不斷增大時，大塊率有增加的趨勢，這說明深水條件下水壓不利于巖石的破碎。一方面，由于深水環(huán)境下水介質的外部擠壓作用，會抑制爆炸過程中試塊裂縫的延伸，減小破碎，另一方面，在試塊內部遠離爆源的區(qū)域，其破碎機理主要受試塊壁反射回來的拉伸波作用，而在水中應力波會產生透射作用，在水中水層消耗了部分炸藥能量，反射回來的拉伸波減小，對試塊的破壞作用減小。

2.2 炸藥單耗對破碎塊度的影響

水深50 m及100 m時的實驗結果，根據相對質量統(tǒng)計，可得炸藥單耗及巖石破碎度與水深之間的關系。見圖5、圖6和圖7。

壓強一定時，大塊率隨著藥量的增加而減小，中塊率隨著藥量增加先增加，達到一定值后又隨之減小，小塊率隨著藥量的增加而增加。

用炸藥單耗來實現爆破塊度的控制，使得中等塊度碎塊最多而大塊和小塊相對較少，這將有利于后續(xù)清渣的進行，即此時的裝藥量為最適裝藥量，裝藥過多會導致巖石粉碎不利于清渣，裝藥過少會導致大塊率過多，巖石爆破效果不好。要想達到較好的爆破效果，相同壓強下，體積較大的試塊所需的單耗較大，相同體積下，壓強較大的試塊所需的單耗較大。

試驗中，中塊度率出現隨單耗先增大后減小的現象。根據圖表中各曲線的趨勢分析，在單耗小于某一值時，大塊率急劇下降，而小塊率卻在緩慢上升，說明在此階段大塊度巖石占絕大多數，炸藥產生的能量主要消耗于大塊巖石的破裂，因此中塊度的碎塊呈上升趨勢。在單耗大于某一值時，小塊率明顯增加，而大塊率降低趨勢較為平緩并且維持在較低水平，說明此過程中等塊度巖石占多數，炸藥爆炸產生的能量主要用于中等塊度的進一步粉碎。見圖8。

對比圖可以看出，水深是主要影響因素，同等條件下水深的增加會使大塊率所占比例的增加。由于水介質的壓力作用，改變了巖石中的軸向壓力作用，受到水的圍壓作用，炸藥爆炸后需分配一部分能量用于克服水壓作用，而且水深越大，巖石外部圍壓越大，大塊率也越大，因此破碎程度遠不如同等條件下的陸地爆破。

3 結論

不同水深環(huán)境下，對于相同巖石，藥量增加大塊減少，小塊增加，而中等塊度會先增加后減??；在此過程中水深是主要影響因素。在深水環(huán)境中，水介質對巖石存在擠壓作用，并且爆炸沖擊波會在水中產生透射，在巖石內部產生的粉碎區(qū)和破裂區(qū)半徑都會減小，以致破碎效果大大降低。在水下巖石爆破過程中，單耗選取并非越大越好，對于有清渣需求的巖石爆破，選擇中等塊度達到最多時的單耗較好，且水深越大所需單耗越大，在實際工程中水下爆破的單耗選取提供參考。

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Experimental Study on Rock Fragmentation of Underwater Blasting

TANG Yu-cheng1，DUAN Wei-dong1,2，QIAO Ze-lin3，JIANG Pei1,2，HU Hao-chuan1

(1.College of Science,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center,Wuhan 430081,China;3.Baokang Yaozhihe Shuntai Civil Blasting Co Ltd,Xiangyang 441600,China)

In the 10 g TNT equivalent water medium explosion vessel jointly developed by CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center,the various pressures are applied in the explosion tank to simulate different water depth gradient.It is found that the rock boulder yield increases with the rise of water depth and the water depth is the main factor influencing explosion effect.Due to the pressure of the water,the axial pressure in the rock gets changed.Owing to the confining pressure effect by water,certain energy should be allocated to overcome the water pressure.With the rise of the depth,the rock external confining pressure is greater.As a result,the degree of fragmentation underwater blasting is more serious than that under land blasting.To get the same degree of fragmentation,greater consumption is required under the deeper water.The results could be used for consulting in practical engineering.

underwater blasting; explosive jar; boulder yield; deep water simulation

10.3963/j.issn.1001-487X.2016.04.019

2016-10-29

唐玉成(1990-)，男，武漢科技大學碩士生，控制爆破，(E-mail)1286613648@qq.com。

段衛(wèi)東(1965-)，男，武漢科技大學教授、博士，特種爆破，(E-mail)199377168@qq.com。

國家自然科學基金項目(No:51004079);湖北省自然科學基金(No:2014CFB822)

TD235

A

1001-487X(2016)04-0102-05