螺旋管聚能藥包根底光面爆破機(jī)理研究及應(yīng)用*

鄧永興，張中雷，管志強(qiáng)，楊中樹，馬宏昊,3，沈兆武

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；2. 大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021；3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026）

自20 世紀(jì)50 年代，光面爆破技術(shù)在瑞典興起以來，隨后在各國廣泛應(yīng)用。相對于普通爆破，光面爆破后巷道或硐室成型質(zhì)量有較大改觀，但圍巖損傷仍較嚴(yán)重，輪廓不平整度大，尤其在軟弱破碎巖體中問題更為突出，根底超欠挖嚴(yán)重，在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[1-3]。針對這種現(xiàn)狀，國內(nèi)外很多學(xué)者做了相關(guān)研究并取得很好的成果。切縫管狀藥包是實(shí)現(xiàn)光面爆破的新思路，從1978 年Fourney 等[4]提出了切縫管狀藥包后，此技術(shù)在我國也得到了大力地推廣并做了很多研究。楊仁樹等[5-6]通過動光彈爆炸加載實(shí)驗(yàn)和井巷爆破實(shí)驗(yàn)獲得了切縫藥包用于鉆孔爆破時(shí)巖石產(chǎn)生裂紋及發(fā)展過程和爆破后光面效果。何滿潮等[7-8]研究了雙向聚能拉伸爆破技術(shù)，該技術(shù)施工工藝簡單 易于在工程中推廣使用。但這些技術(shù)僅能減輕周邊孔的超欠挖問題，不能解決根底光面爆破問題。針對根底光面爆破問題，Singh 等[9]通過對藥包破巖機(jī)理分析，提出了通過減小抵抗線、增加超深來降低根底不平整；劉亮[10]等通過數(shù)值模擬研究了起爆方式對臺階爆破根底影響，得出正向起爆有利于減小根底高度差。這些研究對根底光面爆破有重要指導(dǎo)意義，但未能提高炸藥做功能力仍會形成爆破漏斗，存在缺陷。在運(yùn)用聚能射流方面，李曉杰等[11]等提出了一種深孔爆破聚能平底彈，通過在孔底加裝多個(gè)線性聚能藥型罩對孔壁進(jìn)行橫向侵徹，進(jìn)而達(dá)到根底光面爆破效果；Chen 等[12]提出了在孔內(nèi)使用環(huán)形聚能藥包對孔壁進(jìn)行橫向侵徹，并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。但這些研究未進(jìn)行工程試驗(yàn)及效果分析，且這些方式成本較高，操作繁瑣，未能廣泛推廣使用。

針對上述爆破方式的缺陷，本文研究了一種螺旋管聚能藥包，其由圓管緊密螺旋制成藥型罩，并在螺旋管圍成的空腔內(nèi)裝填炸藥而制成。此藥包利用圓管的聚能效應(yīng)，提高了炸藥做功能力和根底光面爆破效果。

1 鉆孔爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及方案

為驗(yàn)證螺旋管聚能藥包的定向侵徹孔壁和聚能作用，設(shè)計(jì)了鉆孔爆破試驗(yàn)方案，其主要包括加鋼管約束的水泥砂漿試樣和藥包。其中藥包有普通柱狀藥包和螺旋管聚能藥包；水泥砂漿試樣是在鋼管內(nèi)澆筑水泥沙漿制成，鋼管不但保證試件成型后具有高強(qiáng)度，還可削弱模型的邊緣效應(yīng)[13]。試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

(1)藥包裝藥結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)所用聚能藥包的藥型罩由圓管緊密螺旋而成，在螺旋管圍成空腔內(nèi)裝填炸藥，并在炸藥端面中心固定雷管。金屬鋁具有延展性、柔韌性、易加工且工程造價(jià)低，試驗(yàn)采用鋁管制作藥型罩。試驗(yàn)采用黑索金作為聚能藥包主裝藥，其機(jī)械感度低、能量高、爆速高。鉆孔爆破試驗(yàn)在爆炸罐內(nèi)進(jìn)行，不宜采用大尺寸裝藥。藥型罩所用鋁圓管外徑5 mm，管壁厚1.2 mm，螺旋管所圍空腔直徑20 mm，共4 匝，炸藥共9 g，裝藥密度約為1.4 g/cm3。為得到藥包加裝螺旋管藥型罩與不加裝藥型罩爆破效果的差異，設(shè)計(jì)普通藥柱對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)中控制有無藥型罩單一變量，對比聚能藥包尺寸，設(shè)計(jì)普通圓柱狀藥包由鋁箔作為外殼，其內(nèi)徑20 mm，內(nèi)部裝填高20 mm 的黑索金，共9 g。兩種藥包結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 1 試驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental apparatus

(2)試樣設(shè)計(jì)

所用約束鋼管直徑為200 mm、高為300 mm；內(nèi)部裝填水泥砂漿，其中500#普通硅酸鹽水泥、砂子和水的質(zhì)量配比為1∶2∶0.4；室外養(yǎng)護(hù)超3 個(gè)月，在水泥砂漿端面中心鉆孔，孔深80 mm，孔徑36 mm。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

爆破后根底如圖3 所示。對爆破根底測量得出螺旋管聚能藥包試樣炮孔利用率為64.3%，柱狀藥包試樣炮孔利用率為57.1%，螺旋管聚能藥包試樣的炮孔利用率提高了7.2%。在螺旋管聚能爆破試樣中，有以炮孔為內(nèi)徑，外徑約為110 mm 的環(huán)形平整區(qū)，即圖3(b)中紅線區(qū)域，區(qū)域內(nèi)根底高度差小于3 mm，而柱狀藥包爆破試樣無平整區(qū)。

爆破后殘留炮孔如圖4 所示。螺旋管聚能藥包試樣殘留炮孔直徑擴(kuò)大為51.5 mm，擴(kuò)孔率約為43.1%，柱狀藥包試樣殘留炮孔直徑擴(kuò)大為48.5 mm，擴(kuò)孔率約為34.7%，螺旋管聚能藥包擴(kuò)孔率提高了8.4%，說明螺旋管聚能藥包對孔壁做功更大，具有聚能效果。柱狀藥包爆破試樣孔內(nèi)壁呈圓柱形，而螺旋管聚能爆破試樣的殘留炮孔孔壁有螺旋形侵徹縫，侵徹縫上有鋁屑?xì)堄?，說明有金屬射流產(chǎn)生。其中最上面侵徹縫較深，水泥砂漿試樣出現(xiàn)層裂，說明聚能藥包能產(chǎn)生射流垂直侵徹孔壁，致使水泥砂漿試樣出現(xiàn)侵徹縫，進(jìn)而在侵徹縫水平面形成層裂、脫落，實(shí)現(xiàn)根底光面爆破。

圖 2 藥包結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of explosive charge

圖 3 爆破根底結(jié)果Fig. 3 Results of root bottoms

圖 4 爆破殘留炮孔結(jié)果Fig. 4 Results of residual boreholes

2 侵徹過程數(shù)值模擬

螺旋管聚能藥包鉆孔爆破過程復(fù)雜且迅速，不易直接觀測，因此采用LS-DYNA 軟件對螺旋管聚能藥包侵徹過程進(jìn)行模擬。計(jì)算模型由炸藥、混凝土、鋁管和空氣組成，炸藥、鋁管和空氣采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE 算法，混凝土采用拉格朗日算法?；炷僚c炸藥、空氣、鋁管之間采用流固耦合接觸算法。整個(gè)模型采用cm-g-μs 單位制。

2.1 計(jì)算模型

建立計(jì)算模型時(shí)，藥包結(jié)構(gòu)不對稱，模型復(fù)雜不易建立。因環(huán)形圓管藥型罩與螺旋圓管藥型罩作用原理相同，故可將螺旋管藥型罩簡化為環(huán)形圓管藥型罩，此時(shí)模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，取一匝圓管的四分之一建立模型，如圖5 所示。為模擬混凝土爆炸破壞，引入失效關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION，當(dāng)混凝土單元受到拉應(yīng)力為1.54 MPa 或壓應(yīng)力為17.4 MPa時(shí)[14]，單元失效被刪除。

模型中黑索金炸藥采用高能燃燒(High-Explosive-Burn)本構(gòu)模型及其Jones-Wikins-Lee(JWL) 狀態(tài)方程；藥型罩采用鋁的Johnson-Cook 材料模型及其Grüneison 狀態(tài)方程；空氣采用空材料模型及其Grüneison 狀態(tài)方程；混凝土靶板采用Johnson-Holmquist-Concrete (JHC)本構(gòu)模型。

2.2 計(jì)算結(jié)果

圖 5 計(jì)算模型Fig. 5 Calculation model

射流形成過程如圖6 所示，炸藥起爆后爆轟波在炸藥內(nèi)傳播；爆轟波傳到炸藥一側(cè)的管壁時(shí)管壁被壓垮，頂部出現(xiàn)外翻；隨后管壁金屬粒子在爆轟波的作用下向軸線方向運(yùn)動；由于圓管的對稱性，運(yùn)動的金屬粒子垂直于軸線方向的速度相互抵消，從而形成沿軸線方向運(yùn)動的射流；最后高速運(yùn)動的金屬射流穿過背離炸藥一側(cè)的管壁繼續(xù)運(yùn)動。

圖 6 射流形成過程Fig. 6 Process of jet formation

當(dāng)高速運(yùn)動的金屬射流撞擊孔壁時(shí)，混凝土產(chǎn)生破壞，過程如圖7 所示。射流作用于孔壁，混凝土受到遠(yuǎn)大于其抗壓強(qiáng)度的壓應(yīng)力而被壓碎，并有應(yīng)力波向遠(yuǎn)處傳播。隨著射流繼續(xù)侵徹，炮孔內(nèi)壁被侵徹出垂直于孔壁方向的初始導(dǎo)向裂縫。當(dāng)應(yīng)力波向周圍傳播到達(dá)侵徹縫附近孔壁時(shí)，在空氣-混凝土界面反射大于混凝土抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力，混凝土被破壞?？妆诨炷翉较蚴軌菏湛s，釋放彈性能，在環(huán)向上受到拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生環(huán)向裂縫[15]，如圖7 中t=13.4 μs 時(shí)混凝土上表面。在應(yīng)力波作用下和應(yīng)力集中效應(yīng)，裂縫逐漸擴(kuò)展。最后射流速度和應(yīng)力都逐漸衰減，裂縫停止擴(kuò)展呈發(fā)射狀，如圖7 中t=20 μs，同時(shí)也印證了試驗(yàn)結(jié)果圖3(b)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 射流侵徹分析

在螺旋管圍成的空腔裝填炸藥后，靠近炸藥一側(cè)管壁有一半嵌入到炸藥中，此部分管壁充當(dāng)聚能藥型罩。此藥型罩形成射流原理與半球形藥型罩相似，藥包起爆后，爆轟波到達(dá)管壁時(shí)，管壁被壓垮朝圓管軸線運(yùn)動，由于圓管具有對稱性，金屬粒子垂直于軸線方向的速度抵消，金屬粒子沿軸線運(yùn)動形成射流[16]。相比于楔形藥型罩，圓形藥型罩產(chǎn)生射流直徑粗、藥型罩利用率高[17]。當(dāng)射流到達(dá)背離炸藥一側(cè)的管壁時(shí)，如圖6 所示管壁對射流頭部有阻礙作用，致使射流頭部速度減慢，被后面的射流追上從而射流頭部質(zhì)量增大，有助于形成較寬侵徹縫，如試驗(yàn)結(jié)果中圖4 所示。

圖 7 混凝土破碎過程Fig. 7 Process of concrete breaking

高速運(yùn)動的射流對孔壁侵徹過程，可用考慮靶板強(qiáng)度的準(zhǔn)定常理想不可壓縮流體力學(xué)侵徹理論描述[18]。此理論假設(shè)射流侵徹靶板時(shí)是準(zhǔn)定常過程，射流釋放的能量一部分轉(zhuǎn)化為靶板的動能，另一部分為克服材料強(qiáng)度做功，記這部分功為W。根據(jù)伯努利方程則有：

式中：ρJ、vJ為射流的密度和速度，UT為侵徹速度，ρT為靶板密度。由于射流終止侵徹時(shí)，UT=0，且射流速度小于等于臨界速度vJC，即射流小于此速度時(shí)不再侵徹靶板，代入式(1)可得：

消去W 可得[19]：

在侵徹軸線上彈靶界面處靶板速度為0，故此處壓力P 可由伯努利方程給出：

式中：PT為靶板初始壓力，可忽略不計(jì)。由數(shù)值模擬結(jié)果可知vJ=2 400 m/s，vJC=500 m/s，鋁管和混凝土密度分別為2.7 和2.5 g/cm3。代入計(jì)算可得P=1.7 GPa，遠(yuǎn)大于靶板的動載抗壓強(qiáng)度，故靶板被破壞，被侵徹出裂縫，隨著裂縫不斷加深，射流能量不斷消耗，侵徹逐漸停止。

3.2 巖石破碎分析

當(dāng)孔壁巖石被射流侵徹出裂縫后即作為初始導(dǎo)向裂縫，此導(dǎo)向裂縫在自身擴(kuò)展和巖石脫落方向起重要控制作用[20]。并且在應(yīng)力波和氣楔的共同作用下裂縫朝初始方向逐漸擴(kuò)展[21]，裂縫尖端處有應(yīng)力集中效應(yīng)，加速裂縫擴(kuò)展。隨后形成徑向發(fā)射狀裂縫，形狀如試驗(yàn)結(jié)果圖3(b)和模擬結(jié)果圖7 所示，最后裂縫在射流侵徹平面內(nèi)貫穿，巖體出現(xiàn)層裂、脫落。

在射流和沖擊波作用于炮孔孔壁時(shí)，除產(chǎn)生裂隙外，孔壁附近巖石受到遠(yuǎn)大于其抗壓強(qiáng)度的壓應(yīng)力而破碎，形成粉碎區(qū)。同時(shí)巖體徑向方向受到壓應(yīng)力被壓縮，釋放彈性能，在彈性階段當(dāng)巖體徑向受到壓應(yīng)力，其垂直方向即環(huán)向受到拉應(yīng)力。而混凝土抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)此拉應(yīng)力大于巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖體產(chǎn)生環(huán)向裂縫[15]，如圖7 所示。隨后在應(yīng)力波和沖擊波共同作用下，粉碎區(qū)和環(huán)向裂縫區(qū)貫通，形成炮孔擴(kuò)孔。

在巖體受力過程中，巖體處于混合拉壓三向應(yīng)力狀態(tài)[22]，其內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度為：

式中：σi為任一點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度；σr為徑向應(yīng)力強(qiáng)度；σθ為環(huán)向應(yīng)力強(qiáng)度；σz為豎直方向應(yīng)力強(qiáng)度。當(dāng)巖體受到有效應(yīng)力峰值(σi)max≥Scd時(shí)，形成粉碎區(qū)，當(dāng)(σi)max≥Std形成裂隙區(qū)，其中Scd為巖體動態(tài)抗壓強(qiáng)度，Std為巖體動態(tài)抗拉強(qiáng)度。

通過上述分析可知，此聚能藥包利用螺旋管藥型罩聚能效應(yīng)，提高炸藥做功能力，在孔壁形成初始導(dǎo)向裂縫。在氣楔和應(yīng)力波的作用下，裂縫沿初始方向擴(kuò)展，在射流侵徹平面貫通，最后巖體出現(xiàn)層裂、脫落，實(shí)現(xiàn)定向切縫及根底平整的目的。

4 工程應(yīng)用

為測試螺旋管聚能藥包在深孔爆破中的效果，在舟山綠色石化基地圍墾區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)。此次試驗(yàn)在一次臺階爆破中進(jìn)行，共90 個(gè)孔，其中28 個(gè)炮孔在孔底填裝一個(gè)螺旋管藥包，上部裝填2 號巖石乳化炸藥，剩余62 個(gè)炮孔全部裝填2 號巖石乳化炸藥。起爆后，清理掉爆破產(chǎn)生的碎石，用載波相位差分技術(shù)(RTK)測量根底基巖三維坐標(biāo)，用測點(diǎn)z 方向高度評判聚能藥包爆破的根底效果。分別用公式：

計(jì)算出z 方向坐標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用來表示根底平均高度和平整度。通過計(jì)算得到正?？讌^(qū)域根底高度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.92 m 和0.32 m；聚能孔區(qū)域根底高度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.78 m和0.20 m。從結(jié)果可得使用聚能藥包區(qū)域根底高度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差比正常孔區(qū)域的分別低14 cm 和12 cm。平均值降低14 cm，證明裝填聚能藥包比正常裝藥情況下平均多打出14 cm 的深度，在工程應(yīng)用中可以節(jié)省14 cm 的孔深和裝藥長度；標(biāo)準(zhǔn)差降低12 cm，證明裝填聚能藥包的根底高度比正常裝藥的接近平均高度，根底不平整度降低。故此聚能藥包既可降低前期的打孔和裝藥成本，也可降低后期根底的處理成本。

5 結(jié) 論

（1）通過鉆孔爆破試驗(yàn)，對比螺旋管聚能藥包和柱狀藥包對水泥砂漿試樣的爆破結(jié)果，得出此聚能藥包提高了7.2%的炮孔利用率，提高了8.4%的擴(kuò)孔率。并且聚能藥包能產(chǎn)生射流垂直侵徹孔壁，使孔壁產(chǎn)生徑向裂縫，在爆生氣體作用下使裂縫擴(kuò)展，水泥砂漿試樣出現(xiàn)層裂、脫落，有助于產(chǎn)生平整根底。

（2）運(yùn)用LS-DYNA 軟件對螺旋管聚能藥包侵徹混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了射流形成過程和裂縫發(fā)展過程。得到的侵徹縫形狀以及裂縫形貌和鉆孔爆破試驗(yàn)結(jié)果相同，進(jìn)一步印證聚能藥包可以降低根底不平整度。

（3）通過鉆孔爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，分析了螺旋管聚能藥包爆破機(jī)理。此藥包利用圓管的聚能效應(yīng)，將炸藥能量集中在垂直孔壁方向，侵徹出徑向初始導(dǎo)向裂縫。隨后此裂縫在氣楔作用下沿初始方向迅速擴(kuò)展，最后裂縫在射流侵徹平面內(nèi)貫通形成層裂，巖石脫落，從而達(dá)到根底平整的目的。

（4）將此藥包應(yīng)用在舟山綠色石化基地圍墾區(qū)的深孔爆破工程。通過和正常裝藥炮孔區(qū)域根底高度作對比，得出使用聚能藥包的根底平均降低約14 cm、不平整度平均減少約12 cm。故此聚能藥包既可降低前期的打孔和裝藥成本，也可降低后期根底的處理成本。