切縫管軸向不耦合裝藥爆破實(shí)驗(yàn)＊

楊國(guó)梁，程帥杰，王 平，李學(xué)海，閆玉崗

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

切縫管軸向不耦合裝藥爆破實(shí)驗(yàn)＊

楊國(guó)梁，程帥杰，王 平，李學(xué)海，閆玉崗

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試和高速攝影系統(tǒng)，對(duì)切縫管空氣間隔裝藥定向斷裂爆破機(jī)理進(jìn)行研究。共采用4種裝藥結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)軸向不耦合系數(shù)為1.5時(shí)，炮孔兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變比最大為2.1，壓力持續(xù)作用時(shí)間達(dá)到9μs，定向斷裂效果顯著。通過(guò)高速攝影測(cè)試發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展速度并不是一個(gè)常量，擴(kuò)展速度呈現(xiàn)震蕩變化，并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行分析。在模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別采用不耦合裝藥系數(shù)1.5和1.66，進(jìn)行地下隧道和露天邊坡工程爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。

爆炸力學(xué)；軸向不耦合系數(shù)；應(yīng)變比；定向斷裂爆破；切縫管

切縫藥包爆破的實(shí)質(zhì)是在具有一定密度和強(qiáng)度的炸藥外殼上開(kāi)有不同角度，不同形狀和數(shù)量的切縫，利用切縫控制爆炸應(yīng)力場(chǎng)的分布和爆生氣體對(duì)（孔壁）介質(zhì)的準(zhǔn)靜態(tài)作用和尖劈作用，達(dá)到控制所爆介質(zhì)的開(kāi)裂方向的目的［1］。軸向間隔裝藥爆破，其爆破作用機(jī)理與耦合裝藥時(shí)不同。采用空氣間隔裝藥爆破時(shí)，雖然作用于炮孔側(cè)壁的平均壓力要顯著低于耦合裝藥爆破，但是在空氣層間隔界面形成的系列加載波作用下，炮孔內(nèi)壓力作用時(shí)間顯著增長(zhǎng)。相關(guān)學(xué)者對(duì)切縫藥包爆破和空氣間隔裝藥爆破機(jī)理分別進(jìn)行了探索性研究。楊仁樹(shù)等［2－4］等采用動(dòng)焦散實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了切縫藥包定向斷裂爆破的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，得到了裂紋尖端的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度因子。姜琳琳［5］、高祥濤［6］采用模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)切縫藥包定向斷裂爆破機(jī)理進(jìn)行了深入研究，分析了影響切縫藥包爆破的幾個(gè)重要因素。劉永勝等［7］提出了一種新的水耦合切縫藥包裝藥結(jié)構(gòu)。蒲傳金等［8］通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究了切縫藥包爆破機(jī)理和爆破參數(shù)。肖正學(xué)等［9］用動(dòng)態(tài)光彈性法研究了不同切縫寬度對(duì)爆破效果的影響。張志雄等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)研究了切縫外殼參數(shù)對(duì)裂紋定向擴(kuò)展的影響?？諝忾g隔裝藥爆破研究方面，宗琦等［11］從理論上探討了空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)主要參數(shù)軸向不耦合系數(shù)的計(jì)算方法。李遙等［12］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空氣間隔裝藥爆破中空氣層位置和比例對(duì)塊度分布的影響規(guī)律。本文中進(jìn)行了空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的切縫藥包爆破實(shí)驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試和高速攝影系統(tǒng)，對(duì)比分析不同方向的應(yīng)變分布規(guī)律及裂紋擴(kuò)展速度。提出了切縫管最佳間隔裝藥結(jié)構(gòu)，并在露天邊坡和地下隧道工程爆破中進(jìn)行應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用水泥砂漿模型，炮孔直徑10mm，孔深250mm。澆筑前預(yù)先制備好應(yīng)變磚，在澆筑過(guò)程中預(yù)埋，每個(gè)試塊中放置6個(gè)。切縫管采用硬質(zhì)塑料管，內(nèi)徑6mm，外徑8mm，壁厚1mm，切縫寬1mm，切縫方向與模型長(zhǎng)邊方向一致。總裝藥量1 200mg（DDNP為200mg，RDX為1 000mg），裝藥總長(zhǎng)度為50mm。切縫管長(zhǎng)度分別為50.00、62.50、75.00和100.00mm，管內(nèi)采用4種裝藥結(jié)構(gòu)，軸向不耦合系數(shù)α（藥室總長(zhǎng)與炸藥長(zhǎng)度之比）分別為1.00、1.25、1.50和2.00，其中α＝1時(shí)為耦合裝藥。采用電火花起爆，耦合裝藥在底部設(shè)置1個(gè)起爆點(diǎn)，其余結(jié)構(gòu)在各段底部分別設(shè)置起爆點(diǎn)同時(shí)起爆。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)方案Fig.1 Schematics diagram of the test

動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)包括：（1）SDY2107A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀；（2）TST3406C動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡；（3）顯示器。高速攝影實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括：（1）MS55KB2高速攝影儀；（2）預(yù)裝Mega Speed圖像處理軟件的筆記本電腦；（3）功率為2 500W的LED燈。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖2所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：軸向不耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)變影響顯著，當(dāng)α＝1.00時(shí)應(yīng)變波形為陡峭的三角波，這說(shuō)明耦合裝藥時(shí)，爆炸能量釋放速度急劇增長(zhǎng)，應(yīng)變瞬間達(dá)到最大。α＝1.25時(shí)，曲線出現(xiàn)多個(gè)二次波形，且持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。α＝1.50和α＝2.00時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值顯著下降，但是曲線連續(xù)出現(xiàn)近視相等的2個(gè)波峰。上述測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，隨著空氣間隔長(zhǎng)度的增加，2段炸藥爆炸形成的能量匯聚作用降低，但持續(xù)作用時(shí)間更長(zhǎng)。

圖2 不同軸向不耦合系數(shù)下應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.2 Histories of strain with different axial decoupling coefficients

分別計(jì)算距炮孔50、100和150mm處，不同方向上測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變比為γ（即ε1／ε4，ε2／ε5，ε3／ε6），得到的曲線如圖3所示。同時(shí)提取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變作用時(shí)間，求均值后得到的曲線如圖4所示。由圖3可知，α＝1.00時(shí)炮孔兩側(cè)的應(yīng)變比在1.7～1.9之間。α＝1.25時(shí)，距炮孔100mm處應(yīng)變比達(dá)到最大，在2.0左右。當(dāng)α＝1.50時(shí)，距炮孔50mm處應(yīng)變比最大，為2.10。當(dāng)α＝2.00時(shí)，距炮孔100mm處應(yīng)變比最小，為1.56。由圖4可知，隨著空氣間隔長(zhǎng)度的增加，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變作用時(shí)間顯著增長(zhǎng)，α由1.00增加到2.00，相應(yīng)的應(yīng)變作用時(shí)間增長(zhǎng)了3倍。

圖3 不同方向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變比Fig.3 Strain ratio of measuring point in different directions

圖4 平均持續(xù)作用時(shí)間隨隨軸向不耦合系數(shù)關(guān)系Fig.4 Average duration time vs.axial decoupling coefficient

由圖3～4可以得到如下規(guī)律：切縫管軸向不耦合裝藥的爆破效果由應(yīng)變比和應(yīng)變作用時(shí)間共同決定。應(yīng)變比大，但作用時(shí)間短，定向斷裂方向難以控制（α＝1.00，1.25時(shí)）；應(yīng)變比小，作用時(shí)間長(zhǎng)，可以形成定向裂紋，但容易形成次生裂紋（α＝2.00時(shí)）；同時(shí)提高應(yīng)變比和作用時(shí)間才可以取得較好的定向斷裂爆破效果。

2.2 高速攝影結(jié)果分析

典型的爆破效果如圖5所示。圖6給出了α＝1.50時(shí)，高速攝影捕捉到的定向斷裂爆破過(guò)程。圖7所為不同時(shí)刻裂紋的擴(kuò)展位置，其中：a代表炮孔左側(cè)裂紋，b代表炮孔右側(cè)裂紋；a0、b0分別表示炮孔的左右邊緣，a0～a8，b0～b8分別表示在不同時(shí)刻裂紋發(fā)展的位置。

圖5 典型爆破效果Fig.5 Typical blasting effect

圖6 裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.6 Cracks propagation process

圖7 不同時(shí)刻裂紋擴(kuò)展位置Fig.7 Crack positions at different times

提取2條裂紋在不同時(shí)刻的傳播速度，形成曲線如圖8所示。可以看到：（1）2條曲線的形態(tài)基本一致，均有3個(gè)波峰和3個(gè)波谷；（2）裂紋擴(kuò)展初始階段，2條裂紋擴(kuò)展速度在350～400m／s之間；（3）裂紋擴(kuò)展中段（距炮孔100～150mm），裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到最大，最大值在520m／s以上；（4）裂紋發(fā)展至模型邊界，裂紋擴(kuò)展速度再次增長(zhǎng)。

高速攝影揭示了裂紋擴(kuò)展的3個(gè)階段：第1階段是爆炸初期裂紋形成的階段，切縫處初始裂紋是爆炸應(yīng)力波直接作用的結(jié)果。隨著裂紋的擴(kuò)展，應(yīng)力波的強(qiáng)度降低，擴(kuò)展速度下降，此時(shí)形成第2個(gè)波谷；第2階段是爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的階段，隨著高壓爆生氣體涌出，氣體壓力下降，裂紋擴(kuò)展的速度降低，出現(xiàn)第3個(gè)波谷；第3階段是裂紋慣性擴(kuò)展的階段，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至模型邊界時(shí)，能量完全釋放，出現(xiàn)第3個(gè)波峰。

圖8 不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展速度Fig.8 Histories of cracks propagation velocity

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

基于模型實(shí)驗(yàn)的研究成果，分別進(jìn)行了地鐵隧道周邊光面爆破和金屬礦山高陡邊坡預(yù)裂爆破。地鐵隧道周邊光面爆破炮孔深1.5m，孔間距600mm，孔徑32mm，單個(gè)藥卷長(zhǎng)200mm，重200g。現(xiàn)場(chǎng)采用硬質(zhì)PVC切縫管，管長(zhǎng)600mm，管內(nèi)分2段裝藥，中間空氣間隔長(zhǎng)度200mm，軸向不耦合裝藥系數(shù)為1.5。銅礦邊坡預(yù)裂爆破炮孔深16m，間距1.5m。為了保證清除根底，底部集中裝藥，采用3個(gè)藥卷并列綁扎。上部采用切縫藥包間隔裝藥，藥卷長(zhǎng)200mm，單根切縫管長(zhǎng)1m，藥卷間距200mm，軸向不耦合裝藥系數(shù)為1.66。用導(dǎo)爆索將藥卷串聯(lián)，最后將切縫藥包綁扎在竹片上。每個(gè)炮孔使用12個(gè)切縫管，總裝藥長(zhǎng)度為13m，炮孔頂部3m不裝藥，現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)裝藥Fig.9 Field charging

爆破效果如圖10所示，采用切縫藥包空氣間隔裝藥爆破技術(shù)，隧道周邊圍巖的炮孔間距由400mm提高到600mm，光面爆破后炮孔半眼痕率達(dá)到100%，保證了隧道的成形質(zhì)量，降低了圍巖的損傷，提高了隧道的后續(xù)支護(hù)強(qiáng)度，全面提高了隧道的掘進(jìn)速度。邊坡預(yù)裂爆破后，半眼痕率達(dá)到95%，邊坡表面光滑平整，有效的提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

圖10 爆破效果Fig.10 Blasting results

4 結(jié) 論

（1）切縫管軸向不耦合裝藥的爆破效果由應(yīng)變比和應(yīng)變作用時(shí)間共同決定：大應(yīng)變比、短作用時(shí)間和小應(yīng)變比、長(zhǎng)作用時(shí)間均不能取得較好的定向斷裂效果。軸向不耦合裝藥系數(shù)處于1.5～2.0之間，定向斷裂爆破效果較好。

（2）高速攝影實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋的擴(kuò)展速度呈現(xiàn)出折現(xiàn)變化，表明裂紋的擴(kuò)展對(duì)應(yīng)3個(gè)物理過(guò)程，揭示了切縫藥包爆破的機(jī)理。

（3）將研究成果應(yīng)用到地鐵隧道周邊光面爆破和露天高陡邊坡預(yù)裂爆破中，爆破后斷面光滑平整，半眼痕率分別達(dá)到100%和95%，有效地提高了圍巖的穩(wěn)定性。

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Experiment on slotted tube blasting of axial decoupling coefficient charging

Yang Guoliang，Cheng Shuaijie，Wang Ping，Li Xuehai，Yan Yugang

（State Key Lab of Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining ＆Technology，Beijing100083，China）

In this work we performed experimental tests using the dynamic strain test and high speed photography system to study the mechanism of the air－deck slotted charging structure blasting，with four axial air－deck structures adopted.The results show that the highest strain ratio reached 2.1as the axial decoupling coefficient 1.5，and the corresponding function time of pressure was 9μs.The best result of directional fracture was achieved.The crack propagation process was recorded by high－speed photography，which show that the propagation speed of the crack was not a constant.The expansion speed of the crack fluctuated with time，and illustrated the phenomenon.Finally，the field tests were performed in the underground tunneling and open slope projects with 1.50and 1.66as the axial decoupling coefficient respectively，and with good results achieved.

mechanics of explosion；axial decoupling coefficient；strain ratio；directional fracture blasting；slotted tube

O383.2；TD235國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0134－06

（責(zé)任編輯 王易難）

2015－05－18；

2015－09－17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51134025，51274203，51374210）

楊國(guó)梁（1979— ），男，博士，講師，yanggl531＠163.com。