不同水量下不耦合裝藥混凝土試件爆破對比分析

張大寧 胡銀林 郭連軍 李秀虎 潘 博(遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧 鞍山 114051 )

不耦合裝藥爆破是一種特殊的控制爆破，自上世紀50年代首次在瑞典被成功應用，取得了良好的爆破效果[1]。在以后的幾十年里，世界各國逐漸把不耦合爆破技術應用到礦山邊坡、隧道開挖、水利水電等工程，很好地保護了礦山邊坡的穩(wěn)定、隧道圍巖的穩(wěn)定和機電峒室的安全。在實際工程中，由于地下涌水、自然降水和巖層的滲水等原因，出現(xiàn)了大量的含水炮孔。在這種情況下，炸藥和炮孔壁之間的介質由原來空氣介質變成水介質，即是炮孔水介質不耦合裝藥。由于水的物理特性不同空氣，其相對于空氣不可壓縮性、密度大,并且水中的聲速遠大于空氣中的聲速[2]。因此，水不耦合裝藥爆破的發(fā)展過程和傳播規(guī)律與空氣不耦合裝藥爆破的過程和規(guī)律相似不盡相同。

隨著乳化炸藥等各種高猛度的抗水炸藥的出現(xiàn)，對水不耦合裝藥爆破的研究逐漸增多，陳士海等人根據(jù)水介質的特點[3]，進行水壓爆破破巖理論的研究，得出水壓爆破孔壁壓力、孔壁圍巖應力場、水楔作用及最佳不耦合系數(shù)；杜俊林、羅云滾等人對水介質不耦合裝藥爆破[4]水中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律進行理論研究，提出正入射情況下孔壁巖石內的初始沖擊波壓力；過江等[5]利用ANSYS-DYNA動力有限元程序對空氣和水不耦合系數(shù)進行研究，得出空氣不耦合裝藥有效應力衰減較快，空氣不耦合裝藥相對水不耦合裝藥減少裂紋分叉，易形成良好的貫穿裂縫。

由于在實際工程爆破過程中每一個炮孔的含水量不盡相同，本研究使用動力有限元分析軟件LS-DNAY，采用JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)損傷本構模型建立不同水量條件下不耦合裝藥爆破的雙孔計算模型，并且結合了混凝土模型試驗，研究不同水量下的不耦合裝藥結構對混凝土介質的破壞差異。

1 不同介質不耦合裝藥的理論分析

1.1 空氣不耦合裝藥爆破機理

空氣不耦合裝藥預裂爆破時，炮孔壁與藥柱之間充滿了空氣，炸藥爆炸產生的爆轟波最初作用在炸藥周圍的空氣上，爆轟波在空氣中沿炮孔徑向向外傳播，并與炮孔壁處的巖石產生碰撞，可以假設爆轟波與炮孔壁處的巖石表面之間產生彈性碰撞，使用彈性和波動理論進行求解炮孔壁的初始壓力[6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 水介質不耦合裝藥爆破機理

水不耦合裝藥爆破產生的爆轟沖擊波在炮孔內徑向向外傳播，同時壓縮炸藥周圍的水介質，使炸藥的爆炸沖擊波峰值得到降低。實際工程爆破中炮孔裝藥大多采用為柱狀裝藥，水作為不耦合介質時，水中爆炸沖擊波傳到孔壁時的峰值壓力為[7]

(5)

式中，PW是炮孔徑向方向上距離炸藥軸心R處水中沖擊波壓力，MPa；Kd是炮孔裝藥不耦合系數(shù)；QC是TNT炸藥藥柱當量，kg；QT為所使用炸藥的藥柱量；ρe為使用炸藥的密度，g/cm3。

由于巖石和水是2種不同的介質，當沖擊波到達水和巖石的交界面時，將產生反射波和透射波，其中透射到炮孔壁上的沖擊波峰值壓力為[8]：

(6)

式中，ρ1D1為沖擊波波速為D1時水的波阻抗；

(7)

式中，A和β均為常數(shù)，A=394 MPa，β=8。

1.3 空氣與水不耦合裝藥炮孔壁壓力的對比

根據(jù)上述理論分析，在炮孔孔徑及不耦合裝藥結構相同的情況下，選用的TNT炸藥參數(shù)：ρe=1.65 g/cm3，D=6 900 m/s，ρm=2.8 g/cm3，Cp=5 050 m/s，進行空氣和水不耦合裝藥爆破計算，得出孔壁處巖石的初始沖擊波壓力，結果如圖1所示。

從圖1可知：①在相同的徑向不耦合系數(shù)條件下，水介質不耦合裝藥爆炸產生的孔壁壓力大于空氣介質不耦合裝藥時的壓力，水介質不耦合裝藥炮孔壁的壓力隨著不耦合系數(shù)增大而相對緩慢地減?。徊获詈舷禂?shù)在1～2范圍內，空氣不耦合裝藥的孔壁壓力急速下降，當不耦合系數(shù)大于2時，孔壁壓力緩慢下降；②當炮孔孔壁壓力相同時，水介質不耦合系數(shù)遠大于空氣不耦合系數(shù)；③當不耦合裝藥系數(shù)相同時，水介質不耦合裝藥產生的孔壁壓力遠大于空氣不耦合裝藥時的壓力，證明水比空氣具有更好的傳能作用，在相同的不耦合裝藥結構條件下，水介質比空氣介質能量利用率高，在炮孔附近形成更強的準靜態(tài)應力，且作用均勻、作用時間長，因此可以更好地節(jié)約炸藥使用量。

2 爆破數(shù)值模型

2.1 混凝土介質損傷模型

由于炸藥爆炸過程中，混凝土材料受到爆轟波和爆生氣體的聯(lián)合作用，材料內部呈現(xiàn)大的應變、損傷及破壞等特征。為了更加合理地描述混凝土在爆破中的破壞過程，本研究采用混凝土JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)材料模型。混凝土JHC模型的參數(shù)見表1所示。

表1 JHC混凝土材料本構參數(shù)[9]Fig.1 Constitutive parameters of JHC concrete materials

2.2 炸藥狀態(tài)方程

數(shù)值計算中選擇高能炸藥，高能炸藥的主要參數(shù)設定如下：ρ0=1.64 g/cm3，D=6 930 m/s，使用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸爆轟過程中壓力和比容的關系[10]：

(8)

式中，A，B，R1，R2，ω是描述JWL狀態(tài)方程的5個物理常數(shù)，其取值見表2。

表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)Table2 Parameters of state equation of dynamite GPa

炸藥爆破過程中，空氣和水材料普遍使用采用EOS_Gruneisen狀態(tài)方程[11]描述：

(γ0+aμ)E0,

(9)

式中，a是γ0和E0的一階修正量體積；μ=ρe/ρ0-1;ρ0，C，S1，S2，S3，γ0，E0等參數(shù)取值見表3、表4所示。

表3 空氣狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Parameters of state equation of air

表4 水狀態(tài)方程參數(shù)Table 4 Parameters of state equation of water

2.3 有限元模型的建立

不同水量不耦合裝藥計算模型如圖2、圖3所示，本研究建立實體模型，材料使用3種物質：炸藥、混凝土、約束介質(空氣、水)，炮孔直徑為15 mm，裝藥直徑為5 mm，炮孔間距為120 mm，裝藥長度為100 mm，填塞長度為100 mm。為了簡化計算，填塞部分與混凝土材料相同。為了可視化和減少運算量，本研究建立1/2模型作為研究對象。炸藥、空氣、水與混凝土4種介質單元均使用3D SOLID164單元，模型簡化成一個單元厚度的三維模型，混凝土使用Lagrange算法，炸藥與約束介質(空氣、水)采用多物質ALE算法，混凝土與約束介質(空氣或水)之間采用流固耦合算法。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

圖3 不同水量裝藥結構Fig.3 Charge structure of different water yield

為了研究不同水量下預裂爆破的炮孔孔壁壓力，依次在孔壁上選取距離其底部為2.5、5.0、7.5 cm處的單元點(分別在圖3選取3個炮孔距離)進行研究。

2.4 計算結果與分析

由圖4可知，在相同的裝藥條件下，干孔孔壁的變形明顯小于含水炮孔孔壁變形；空氣-水混合炮孔中，含水段炮孔孔壁變形大于空氣段的變形，由此表明含水炮孔的孔壁粉碎區(qū)面積大于干孔的粉碎區(qū)面積，不利于預裂縫的形成。

圖4 相同時刻不同水量下的損傷破壞分布(30 μs)Fig.4 Damage distribution of different water levels at the same time

不同水量不耦合裝藥爆破的孔壁單元壓力如表5所示。

表5 不同水量不耦合裝藥爆破的孔壁單元壓力Table 5 Unit pressure of hole wall of uncoupled charge blasting under different water yield

由表5可知，①同一種介質的連續(xù)不耦合裝藥預裂爆破，在炮孔壁不同單元產生幾乎相同的炮孔壁壓力；②在相同不耦合裝藥條件下，不同的不耦合介質的炮孔壁壓力差別很大，全水不耦合裝藥炮孔孔壁壓力最大，并且遠大于空氣不耦合、水與空氣混合不耦合裝藥的孔壁壓力；③在水與空氣混合不耦合裝藥的炮孔中，含水部分孔壁壓力大于空氣部分孔壁壓力，空氣和水的交界面為孔壁壓力的轉折點；④水與空氣混合不耦合裝藥時，含水部分孔壁壓力遠小于相同位置全水炮孔孔壁壓力，但是大于相同位置全空氣炮孔孔壁的壓力。因此，在相同裝藥結構條件下，爆炸時水中沖擊波峰值壓力遠大于空氣中的峰值壓力，導致預裂爆破時炮孔附近的介質表面平整度較差，不利于預裂縫的形成。

距離炮孔底部不同位置有效應力衰減曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：①從炮孔壁到炮孔連心線中點，全水炮孔的有效應力遠大于干孔、水與空氣混合炮孔的有效應力；②空氣與水混合不耦合裝藥時，含水段的有效應力大于空氣段的有效應力，有效應力變化的轉折點在空氣和水的交界面處；③水與空氣混合不耦合裝藥時，空氣段的有效應力與相同位置全空氣炮孔的有效應力相差不大；④空氣與水混合不耦合裝藥時，含水段的有效應力大于同部位全空氣炮孔的有效應力，但是小于相同位置全水炮孔的有效應力。說明水相對于空氣具有良好的儲能量和傳到能量作用，在相同的裝藥結構情況下，水不耦合的有效應力遠大于空氣不耦合，嚴重影響到了預裂縫的形成和預裂面的平整度。

圖5 不同位置有效應力衰減曲線Fig.5 Effective stress attenuation curve at different locations■—干孔；●—25%水量；▲—50%水量；▼—75%水量；◆—100%水量

3 混凝土試件試驗研究

3.1 試驗方案

試驗模型采用525#硅酸鹽水泥和篩分后的細河砂澆筑而成，水、水泥和細砂的質量配比為1∶2∶6，常溫下在實驗室養(yǎng)護28 d，儲存60 d?；炷聊Ｐ蜑?0 cm的正方體，在模型中心線上預留2個相同的炮孔，炮孔直徑為1.5 cm，炮孔間距為12 cm，炮孔深度為10 cm。試驗采用工業(yè)瞬發(fā)電雷管(0.4 g)，反向起爆5 m長度的導爆索(0.6 g)，實際每孔裝藥量為1.0 g。試驗分別采用干孔、水柱為2.5 cm、水柱為5 cm，水柱為7.5 cm、水柱為10 cm的5種情況，填塞長度均為10 cm。其爆破效果如圖6所示。

3.2 爆破效果分析

從圖6中可以看出:①干孔和25%水量的炮孔取得良好的爆破效果，半孔比較完整，預裂面較平整，采用空氣不耦合裝藥結構爆破，炸藥和炮孔壁之間充滿空氣介質，爆轟產物經過空氣介質后，降低了炮孔壁上的應力峰值，可以有效地減小炮孔壁處巖石的過粉碎，擴大裂隙區(qū)范圍；②含水量為50%、75%和100%的炮孔，隨著水量的增加，爆破效果越來越差，水介質不耦合裝藥爆破時，由于水介質相對于空氣介質不可壓縮，同時水介質具有良好的傳遞能量的作用，炮孔壁上的應力峰值壓力未能得到有效降低，炮孔壁產生較大范圍的粉碎區(qū)。因此，不同水量下不耦合裝藥爆破時，隨著水量的增加，混凝土表面的平整度逐漸降低。

4 結 論

(1)全水不耦合裝藥爆炸產生的初始應力大于全空氣(不耦合裝藥)、空氣與水混合不耦合裝藥(條件下的初始應力，同時空氣與水混合不耦合裝藥時，含水段孔壁壓力明顯高于空氣段孔壁壓力。

(2)水和空氣的相同不耦合裝藥時，炮孔連心線上的Von Miss 應力差別很大，水不耦合的Von Miss應力是空氣不耦合的2～3倍。

(3)裝藥條件相同，空氣不耦合會形成更好的預裂面；水不耦合會造成炮孔壁周圍巖石形成較大的粉碎區(qū)；水與空氣混合不耦合裝藥時，隨著炮孔中水量的增加，爆破后的預裂面平整度越差。

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圖6 不同水量不耦合裝藥爆破效果Fig.6 Blasting effect of uncoupled charge with different water yield

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