爆破荷載下膠結(jié)充填體裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究

喻圓圓 劉躍 隋顯毅 吳霄

【摘? 要】為探究爆破荷載下膠結(jié)充填體的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，論文基于高速攝影技術(shù)對(duì)強(qiáng)度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結(jié)充填體模型進(jìn)行觀測(cè)，得到該強(qiáng)度下膠結(jié)充填體的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為18cm，裂紋擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間為30.4ms，裂紋初始擴(kuò)展速度為2.85×103cm/s。

【Abstract】In order to explore the crack propagation law of cementing backfill body under blasting load， the paper observes the cementing backfill body model with a strength of 0.45MPa （the cement addition is 100kg/m3） based on the high-speed photography technology. It is concluded that the crack propagation length of the cementing backfill body at this strength is 18cm， the crack propagation duration is 30.4ms， and the initial crack propagation speed is 2.85×103cm/s.

【關(guān)鍵詞】爆破;膠結(jié)充填體;裂紋;高速攝影

【Keywords】blasting; cementing backfill body; crack; high-speed photography

【中圖分類號(hào)】TD235;TD853? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）06-0175-02

1 引言

高速攝影技術(shù)作為一種無需直接測(cè)量的研究手段，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于科研試驗(yàn)中，由于炸藥爆炸是一個(gè)短暫瞬時(shí)、無法用肉眼觀測(cè)到的過程，要想對(duì)此次爆破過程有清楚直觀的認(rèn)識(shí)，高速攝影技術(shù)無疑是首選的研究手段。

就爆破領(lǐng)域而言，學(xué)者司劍峰等[1]對(duì)素混凝土模型進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，通過高速攝影拍攝模型破碎過程，所拍攝圖片應(yīng)用MATLAB平臺(tái)進(jìn)行識(shí)別，以此來確定炮孔間最佳延期時(shí)間;杜博軍等[2]應(yīng)用高速攝影儀數(shù)據(jù)采集及視覺測(cè)量解算軌跡的方法得到爆破作用下靜爆破片的速度衰減系數(shù);李祥龍等[3]利用高速攝影儀拍攝球形藥包作用下爆破漏斗自由面鼓包運(yùn)動(dòng)軌跡，得到鼓包運(yùn)動(dòng)輪廓、表面中心位移以及速度分布;何理等[4]應(yīng)用高速攝影儀及超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對(duì)毫秒延期爆破進(jìn)行檢測(cè)，以此得出臺(tái)階自由面裂紋擴(kuò)展規(guī)律、延期時(shí)間對(duì)邊坡表面應(yīng)力峰值、內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)疊加的影響大小;李清等[5]為解決三維模型爆破試驗(yàn)中裝藥結(jié)構(gòu)問題，采用高速攝影儀和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀研究模擬臺(tái)階爆破的水泥砂漿模型破裂過程;Wu Liwei等[6]利用高速攝影儀拍攝爆破荷載作用下夾層玻璃破碎的全過程速度變化;Radzuan等[7]通過三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和高速攝影相結(jié)合的研究手段研究爆破荷載狀態(tài)下不同曲率半徑碳纖維復(fù)合材料板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

故本文應(yīng)用高速攝影技術(shù)對(duì)爆破過程中模型實(shí)驗(yàn)中模擬礦體、膠結(jié)充填體的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行觀測(cè)并加以分析。

2 模型制作

2.1 模具制作

本次模型試驗(yàn)的模具設(shè)計(jì)為長(zhǎng)2m、寬0.4m、高度0.4m的長(zhǎng)方體，針對(duì)性制作2個(gè)大型模具，模具內(nèi)部用于盛放膠結(jié)充填體。其中模具相同，其設(shè)計(jì)圖、實(shí)物分別如圖1、圖2所示。

2.2 材料砂漿選擇

充填材料配比以礦山現(xiàn)有配比為基礎(chǔ)，試驗(yàn)采用100kg/m3配比，試驗(yàn)采場(chǎng)強(qiáng)度和模型試驗(yàn)中充填體強(qiáng)度一致，具體參數(shù)如表1所示。

3 試驗(yàn)藥量選擇

對(duì)于膠結(jié)充填體爆破藥量選擇的原則：炸藥爆炸后膠結(jié)充填體上裂紋未貫穿;故本文選取強(qiáng)度為0.45MPa的膠結(jié)充填體（水泥添加量為100kg/m3）進(jìn)行藥量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選取1枚導(dǎo)爆管雷管（裝藥為梯恩梯TNT）約為1.07g梯恩梯當(dāng)量，5cm導(dǎo)爆索（裝藥為黑索金RDX）該導(dǎo)爆索每米裝藥量裝藥密度約為10.5g，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[8]黑索金RDX的爆力值A(chǔ)RDX為480mL，梯恩梯TNT爆力值A(chǔ)TNT為285mL，某礦山爆破作業(yè)所使用巖石乳化炸藥的爆力值A(chǔ)E為320mL，換算系數(shù)k=AE/ATNT+AE/ARDX。經(jīng)計(jì)算藥量為1.54g，并對(duì)模型（強(qiáng)度為0.45MPa）中的膠結(jié)充填體進(jìn)行爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖3a所示。由此可見，藥量選擇過大，充填體裂紋貫穿，針對(duì)此爆破效果將爆破使用藥量進(jìn)行調(diào)整，更改為1枚雷管，根據(jù)換算系數(shù)k=AE/ARDX推算藥量為1.2g，并對(duì)模型（強(qiáng)度為0.45MPa）中膠結(jié)充填體進(jìn)行爆破，爆破后膠結(jié)充填體裂紋未貫穿，故將膠結(jié)充填體爆破藥量選為1枚雷管，其中爆破后效果如圖3b所示。

4 高速攝影儀觀測(cè)

4.1 高速攝影儀器簡(jiǎn)介

為研究爆破過程中，模擬礦體及膠結(jié)充填體的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，此次模型試驗(yàn)選擇MotionPro-Y7型高速攝影儀進(jìn)行觀測(cè)，其最大分辨率為1920×1080，最大拍攝頻率為9000fps。為防止在拍攝過程中由于飛石對(duì)儀器造成損壞，額外定制鋼化玻璃對(duì)儀器進(jìn)行保護(hù)，由于井下光線較暗，為使觀測(cè)更清晰，此次模型實(shí)驗(yàn)選擇了2個(gè)強(qiáng)光燈提供光源、反光板使光源盡可能地集中在需要觀測(cè)的位置。

4.2 高速攝影儀拍攝結(jié)果及分析

對(duì)爆破過程中膠結(jié)充填體裂紋擴(kuò)展速度進(jìn)行記錄并分析，如圖4所示。

通過對(duì)強(qiáng)度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結(jié)充填體進(jìn)行高速觀測(cè)，可知：在12261幀時(shí)，膠結(jié)充填體表面1#宏觀裂紋出現(xiàn)。在12275幀時(shí)，1#裂紋開始進(jìn)一步擴(kuò)展，由于高速攝影儀幀率設(shè)置為8000幀/s，故12260～12275幀經(jīng)過時(shí)間為1.75ms，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為5cm，計(jì)算可知此段時(shí)間內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速度為2.85103cm/s。在12364幀時(shí)，膠結(jié)充填體表面有2#、3#裂紋出現(xiàn)，但由于3#裂紋拍攝較為模糊，無法判斷12275～12364幀過程中裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，故在此不進(jìn)行贅述。而1#裂紋又進(jìn)一步擴(kuò)展，12275～12364幀經(jīng)過時(shí)間為11.125ms，縱向裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為5cm，此時(shí)1#裂紋擴(kuò)展速度為0.45103cm/s。2#裂紋在此時(shí)間段內(nèi)擴(kuò)展長(zhǎng)度為12.2cm，經(jīng)計(jì)算2#裂紋擴(kuò)展速度為1.10103cm/s。12504幀為爆破荷載下膠結(jié)充填體的最終形態(tài)，此時(shí)膠結(jié)充填體表面所有裂紋擴(kuò)展完全，12364～12504幀經(jīng)過時(shí)間為17.5ms，炮孔1#裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為6.3cm，此時(shí)1#裂紋擴(kuò)展速度為0.36103cm/s。2#裂紋在此時(shí)間段內(nèi)擴(kuò)展長(zhǎng)度為5.8cm，則2#裂紋擴(kuò)展速度為0.33103cm/s。

綜上所述，1#裂紋作為強(qiáng)度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結(jié)充填體表面首先出現(xiàn)的裂紋，其最終裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度達(dá)16.3cm，由圖4d可知，在12504幀時(shí)，裂隙尖端的應(yīng)力值小于充填體抗拉強(qiáng)度，裂紋終止擴(kuò)展;而2#裂紋作為爆破荷載下一段時(shí)間萌生出的新裂紋，裂紋長(zhǎng)度可達(dá)18 cm，由于2#裂紋距離自由面較近，所能承受破壞的強(qiáng)度較低，較1#裂紋而言，其裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度更長(zhǎng)，在擴(kuò)展過程中2#裂紋作為萌生裂紋，因應(yīng)力波進(jìn)行衰減，又會(huì)出現(xiàn)裂紋衰減速度更快的情況。

5 結(jié)論

本文以模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用高速攝影儀觀測(cè)爆破荷載下強(qiáng)度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結(jié)充填體，得到以下結(jié)論：

①試驗(yàn)所需藥量為1.2g。②膠結(jié)充填體上表面共出現(xiàn)2條裂紋。③膠結(jié)充填體裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為18cm，裂紋擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間為30.4ms，裂紋初始擴(kuò)展速度為2.85103cm/s。

【參考文獻(xiàn)】

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