銅絲電爆炸載荷下紅砂巖破裂行為實(shí)驗(yàn)

王兆寒，張晨暉，于 航，匡春霖，張鳳鵬，彭建宇

(東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819)

目前，常見的破巖方法主要有鉆爆法與機(jī)械破巖法，然而鉆爆法存在可控性差、危險(xiǎn)性高與爆后產(chǎn)生有毒有害氣體等問題，而機(jī)械破巖設(shè)備在硬巖環(huán)境中磨損嚴(yán)重且工作效率低，成為制約機(jī)械破巖在硬巖地下工程應(yīng)用的一大難題。由此，在當(dāng)前的破巖技術(shù)領(lǐng)域中亟需一種綠色、安全、高效的破巖手段。金屬絲電爆炸技術(shù)破碎巖石，即通過在金屬絲兩端施加高功率脈沖電壓，在很短的時(shí)間內(nèi)使金屬絲發(fā)生電爆炸，經(jīng)歷“固態(tài)—液態(tài)—?dú)鈶B(tài)—等離子態(tài)”的相態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生高溫和強(qiáng)沖擊波致裂巖石[1-2]。通過金屬絲電爆炸的方法能夠產(chǎn)生可控且穩(wěn)定的沖擊波，且無有毒有害氣體產(chǎn)生，被認(rèn)為是一種非常有前景的巖石破碎技術(shù)。

國外學(xué)者已經(jīng)開展了利用金屬絲電爆炸技術(shù)破碎巖石、混凝土等脆性材料的研究。例如，KUZNETSOVA等[3]分析了銅絲電爆炸時(shí)沖擊波的形成以及破碎混凝土的機(jī)理。YUDIN等[4]的研究結(jié)果表明金屬絲電爆炸電流曲線的前半個(gè)周期內(nèi)有50%～80%的儲存能量被釋放。YUDIN等[5]還開展了金屬絲電爆炸破碎混凝土實(shí)驗(yàn)，比較了同時(shí)起爆和逐孔起爆時(shí)的能量利用情況。LOEFFLER等[6]詳細(xì)分析了金屬絲電爆炸的成本，討論了使用電爆炸技術(shù)作為能量源替代炸藥破碎巖石的可行性。此外，VOITENKO等[7]使用金屬絲電爆炸聯(lián)合生成氣體的材料來提高固體材料的破碎效率。國內(nèi)金屬絲電爆炸應(yīng)用研究多集中在化石能源開發(fā)領(lǐng)域，其金屬絲電爆炸環(huán)境為液相介質(zhì)，例如張永民等[8]和周海濱等[9]提出利用金屬絲電爆炸驅(qū)動(dòng)含能材料釋能，進(jìn)而增強(qiáng)沖擊波效應(yīng)，來改善儲層物性，提高巖石樣品的透氣性和滲透率。而本文使金屬絲電爆炸載荷直接作用于巖石，不依賴于液相介質(zhì)而直接爆破，從而實(shí)現(xiàn)高效破巖目的。目前，這種金屬絲電爆炸直接破巖技術(shù)在國內(nèi)的研究較少。

本文將銅絲通過鉆孔預(yù)埋在紅砂巖試件內(nèi)部，利用電爆炸設(shè)備將高電壓、大電流的電脈沖注入銅絲，使之發(fā)生爆炸形成強(qiáng)沖擊波破碎試件；借助超高速相機(jī)觀測試件的動(dòng)態(tài)斷裂過程，研究不同放電電壓和不同爆源位置下紅砂巖的破裂模式，研究結(jié)果能夠?yàn)槔媒饘俳z電爆炸載荷破碎巖石提供進(jìn)一步的認(rèn)識。

1 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

1.1 試件與方案

采用圖1所示紅砂巖試件開展爆破實(shí)驗(yàn)，其尺寸為200 mm × 200 mm × 150 mm，基本力學(xué)參數(shù)見表1。試件準(zhǔn)備過程中，沿試件的厚度方向鉆通孔，孔徑為6 mm。所用銅絲的長度為80 mm，直徑為0.4 mm。采用膠水進(jìn)行填充并固定金屬絲。24 h后，膠水完全凝固，即可開展電爆炸破巖實(shí)驗(yàn)。

表1 紅砂巖基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of red sandstone

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of specimen

本文共設(shè)計(jì)了五組實(shí)驗(yàn)，分別研究放電電壓及爆源位置對巖石破裂模式的作用。具體方案見表2。其中試件S1、S2和S3采用不同的放電電壓，用于研究不同爆炸能量下試件的破裂情況。試件S3、S4和S5采用不同的鉆孔位置，用于研究爆破位置對紅砂巖破裂行為的影響。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用圖2所示電爆炸綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于向金屬絲注入能量，使其發(fā)生電爆炸，產(chǎn)生沖擊波效應(yīng)破碎巖石。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電爆炸爆源、雙極性充電電源、光電延時(shí)同步觸發(fā)系統(tǒng)、放電保護(hù)開關(guān)及示波器等幾部分組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作步驟如下：1)利用雙極性充電電源給電爆炸爆源充電；2)充電完成后，光電延時(shí)同步控制系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)信號；3)高壓脈沖發(fā)生器觸發(fā)電爆炸爆源破碎巖石，示波器采集電流曲線，超高速相機(jī)記錄巖石破裂過程。

圖2 電爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental platform of electric explosion

圖3給出了試件表面爆破裂紋演化過程的非接觸觀測系統(tǒng)，其中超高速相機(jī)型號為Kirana-05M。該相機(jī)能夠全分辨率來支持所有的拍攝速率，也就是提高拍攝速率并不會導(dǎo)致照片像素的降低。超高速相機(jī)最高拍攝速度為500萬幀/s，一次可獲取180張圖片。

圖3 超高速相機(jī)Fig.3 Ultra-high speed camera

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 放電電壓對巖石破裂的影響

圖4給出了不同電壓下紅砂巖試件的破裂結(jié)果?？梢钥闯?，30 kV電壓下，試件S1僅在電極附近出現(xiàn)了輕微的破壞，并沒有宏觀裂紋的產(chǎn)生。35 kV電壓下，試件S2發(fā)生了破碎?？梢娙龡l宏觀徑向裂紋由炮孔中心一直擴(kuò)展至試件邊界，將試件切割成三個(gè)碎塊。此外，在炮孔周邊可見黑色的灼燒痕跡，這是金屬絲發(fā)生電爆炸后的高溫作用導(dǎo)致的。繼續(xù)增加電壓至40 kV，試件S3的破裂程度進(jìn)一步增強(qiáng)，四條宏觀徑向裂紋擴(kuò)展至邊界。在35和40 kV電壓條件下，炮孔的周邊均可見少量的次生裂紋。

圖4 不同放電電壓下紅砂巖的破裂結(jié)果Fig.4 Fracture results of red sandstone under different discharge voltages

公式(1)給出了電壓和爆炸能量之間的關(guān)系：

(1)

式中：W為設(shè)備存儲能量；C為電容，4 μF；U為放電電壓。

30、35和40 kV電壓對應(yīng)的爆炸能量分別為1.8、2.45和3.2 kJ。也就是說放電電壓越大，高壓脈沖設(shè)備注入銅絲中的爆炸能量越大，從而能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊波，導(dǎo)致了試件破裂程度的加劇。

2.2 不同爆源位置下的破裂過程

保持放電電壓40 kV不變的條件下，研究爆源位置對紅砂巖破裂過程的影響。圖5給出了試件S4平行炮孔的側(cè)表面裂紋擴(kuò)展過程，爆源與該試件側(cè)面距離為30 mm。結(jié)果表明，起爆后50 μs時(shí)，試件表面中部出現(xiàn)平行金屬絲的豎向裂紋，這些裂紋寬度較小。隨著爆破過程的進(jìn)行，裂紋數(shù)量不斷增多，裂紋寬度不斷增大。80 μs時(shí)，試件端部區(qū)域出現(xiàn)斜裂紋，120 μs時(shí)，試件中部區(qū)域出現(xiàn)橫向裂紋。隨著爆破過程的進(jìn)行，試件表面的裂紋密度進(jìn)一步變大?？梢?，該試件表面的裂紋網(wǎng)由豎向裂紋、橫向裂紋及斜裂紋共同構(gòu)成。

圖5 超高速相機(jī)觀測的試件S4的破裂過程Fig.5 Fracture process of specimen S4 observed by an ultra-high speed camera

圖6給出了試件S5平行炮孔的側(cè)表面裂紋擴(kuò)展過程，爆源與側(cè)面距離為40 mm?？梢钥闯?，起爆60 μs后，試件側(cè)表面中部出現(xiàn)兩條主要的豎向裂紋。80 μs時(shí)貫通試件表面的裂紋形成，之后，試件表面出現(xiàn)向端部延伸的斜裂紋及近似水平方向擴(kuò)展的裂紋。

圖6 超高速相機(jī)觀測的試件S5的破裂過程Fig.6 Fracture process of block S5 observed by ultra-high speed camera

對比試件S4和S5的破裂過程可以看出，不同爆源距離下紅砂巖試件均是先出現(xiàn)豎向裂紋，隨后出現(xiàn)斜裂紋和近水平方向的裂紋，也就是說裂紋出現(xiàn)的時(shí)序基本是一致的，且均以平行金屬絲的豎向裂紋為主導(dǎo)。但二者的破裂過程存在顯著差異，試件S4表面裂紋密集且分布均勻，巖石破碎充分，而試件S5表面裂紋以單條豎向裂紋為主，其他類型的裂紋發(fā)育程度較差。

2.3 不同爆源位置下的破裂結(jié)果

圖7給出了不同爆源位置紅砂巖試件的破壞結(jié)果。在試件垂直炮孔的上表面，S4和S5的裂紋模式基本一致，主要是由炮孔中心向外擴(kuò)展的徑向裂紋。而試件側(cè)面，兩個(gè)試件的破裂差異顯著，試件S4的碎塊多且破碎塊度更小，而S5僅出現(xiàn)四個(gè)較大的塊體，這與前文高速相機(jī)的觀測結(jié)果相吻合。出現(xiàn)這種差異的原因可歸結(jié)為：試件S4金屬絲爆源與自由面距離較小，造成試件局部破壞，形成類似漏斗爆破的效果，而增大爆源與自由面的距離，試件局部漏斗爆破破壞效果減弱，巖石碎裂成少量大塊(見圖4c、圖7b和圖7d)。

圖7 不同爆源位置的破裂結(jié)果Fig.7 Fracture results at different explosion source locations

3 結(jié)論

1)本文利用高壓脈沖設(shè)備將能量注入銅絲，使之發(fā)生電爆炸破碎紅砂巖試件。結(jié)果表明銅絲電爆炸產(chǎn)生的載荷能夠有效地破碎紅砂巖試件。

2)金屬絲布置在試件中間時(shí)，紅砂巖試件的破裂以徑向裂紋為主。隨著放電電壓的增加，試件的破裂程度變大。30 kV電壓下，試件上沒有形成宏觀裂紋；電壓增大到40 kV時(shí)，四條宏觀裂紋貫通整個(gè)試件。

3)超高速相機(jī)的觀測結(jié)果顯示，試件側(cè)面的裂紋主要由豎向裂紋、斜裂紋及橫向裂紋構(gòu)成。爆源與試件表面距離影響爆生裂紋的發(fā)育程度，銅絲與試件表面的距離越近，形成的裂紋網(wǎng)越密集。