聚能切縫藥包爆破機理研究進展*

黃武虎，劉大榮，陳 浩，段應(yīng)明，王建國

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院， 云南 昆明 650093；2.云南省教育廳爆破新技術(shù)工程研究中心，云南 昆明 650093；3.永善金沙礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657000；4.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100)

0 引言

聚能切縫藥包爆破是定向斷裂控制爆破的重要方法之一，相較傳統(tǒng)爆破技術(shù)，其孔間距較大，減少了在爆破器材與鑿巖方面的耗費，大幅降低了對巖石的損傷，提高了圍巖的穩(wěn)固性，減少了超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生，爆破效果良好，應(yīng)用最為廣泛。

早在20世紀70年代，F(xiàn)OURNEY等[1-2]在對一種圓管形狀的藥包進行切縫處理后，將其應(yīng)用于巖體爆破，在藥包爆炸后發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)會形成定向裂縫。上述方法的原理是：藥包在爆炸后，切縫方向上由于會產(chǎn)生壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而會促使剪切應(yīng)力差的形成，破壞面會沿著切縫方向延伸。

20世紀末，我國開始研究切縫藥包爆破技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用以及作用機理[3]。楊永琦等[4]通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，聚能切縫藥包在施工中效果良好，應(yīng)用前景十分廣闊。唐中華等[5]通過力學分析手段研究了切縫藥包爆破裂紋產(chǎn)生的條件以及機理。張玉明等[6]根據(jù)切縫藥包的現(xiàn)場應(yīng)用和模型試驗分析了切縫藥包的成縫機理，介紹了制作過程和裝填施工工藝，優(yōu)化了切縫藥包參數(shù)。楊國梁等[7]提出了“先切后掏”的概念，并采用矩形切縫藥包進行了掏槽數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)切縫藥包掏槽爆破具有一定的可行性。李世祿等[8]開展了動焦散線實驗，通過觀察有機玻璃板上的實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)聚能切縫藥包具有聚能效應(yīng)。余永強等[9]通過對比普通藥包爆破和切縫藥包爆破的作用效果，發(fā)現(xiàn)切縫藥包爆破效果較佳，提高了圍巖的穩(wěn)固性，減輕了圍巖損傷。

為了解聚能切縫藥包定向斷裂爆破的作用機理及其影響因素，本文對國內(nèi)外相關(guān)文獻進行了綜述分析，并對目前遇到的問題進行了討論。

1 切縫藥包的發(fā)展歷程

1.1 定向斷裂控制爆破理論

定向斷裂控制爆破源于傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)，其在節(jié)理、裂隙較發(fā)育的巖石中具有良好的應(yīng)用效果。定向斷裂控制爆破目前主要分為3類：孔壁切槽定向斷裂爆破、聚能藥包定向斷裂爆破、切縫藥包定向斷裂爆破。

1.1.1 孔壁切槽定向斷裂爆破

在20世紀初，F(xiàn)OSTER等[10]提出了一種新的爆破方法，即在巖石爆破中通過預制“V”形槽的方式達到控制裂紋擴展的目的。20世紀80年代，BJARNHOLT等[11]采用斷裂控制實驗的方式研究了“V”形槽的藥柱，得到了某些參數(shù)的值及孔壓的計算結(jié)果。岳中文等[12]利用動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)研究了普通掏槽和切槽孔爆破裂紋擴展的規(guī)律。楊立云等[13]采用動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)研究了切槽爆破的機理，發(fā)現(xiàn)切槽孔在初始應(yīng)力場中會改變炮孔周邊的應(yīng)力集中分布。切槽爆破炮孔力學模型如圖1所示。

圖1 切槽爆破炮孔力學模型[13]

1.1.2 聚能藥包定向斷裂爆破

18世紀70年代，BAADER最先提出了聚能現(xiàn)象。20世紀40年代，THOMANEK推動了自旋補償藥型罩的發(fā)展。20世紀80年代后，聚能裝藥結(jié)構(gòu)得到了快速發(fā)展。HAYES[14]做了大量關(guān)于線性聚能裝藥的研究；羅勇等[15]通過現(xiàn)場試驗研究了聚能藥包作用機理，發(fā)現(xiàn)聚能藥包爆破形成的切縫具有顯著的定向作用，為相關(guān)理論的研究提供了借鑒；鄧永興等[16]提出了一種螺旋管聚能藥包，通過數(shù)值計算和現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，相比于普通藥包，該藥包有效提高了炮孔利用率，爆破效果得到了極大改善且降低了施工成本。國內(nèi)外學者陸續(xù)對定向斷裂控制爆破進行了深入研究，尤其在聚能爆破方面做了大量的理論研究和現(xiàn)場試驗，這為切縫藥包的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.2 切縫藥包作用原理

聚能切縫藥包中的切縫管的主要作用是改變炮孔壁在爆炸起始階段的均衡性，使其發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而促使定向裂縫的形成。聚能切縫藥包的實質(zhì)是在管狀藥包上打孔或沿著藥包軸線方向切縫，通過改變不同的打孔方式、鉆孔數(shù)量和切縫角度，控制爆破應(yīng)力場的分布范圍以及爆生氣體對切縫管內(nèi)介質(zhì)的劈尖作用和準靜態(tài)作用。聚能切縫藥包爆破原理如圖2所示[17-18]。

圖2 雙向聚能張拉爆破作用原理示意圖[17-18]

2 切縫藥包作用下爆生裂紋擴展機理研究進展

2.1 炸藥起爆至初始沖擊波階段

切縫藥包主要采用點起爆方式，爆炸時爆轟波形成的球面形波陣面向周圍擴展，并且總是垂直于波陣面方向傳播。對于聚能切縫藥包，由于爆轟氣體不斷膨脹，會使初始沖擊波形成于切縫處(見圖3)。

圖3 切縫藥包爆炸荷載集中過程

為了研究聚能切縫藥包初始階段的爆破機理，程兵等[19]構(gòu)建了一個不耦合系數(shù)為2.0的爆破模型，研究發(fā)現(xiàn)藥包爆炸時產(chǎn)生的粒子不受切縫管的約束，產(chǎn)生很高的速度向前運動，造成巖體的初始損傷，同時爆轟產(chǎn)物在切縫管內(nèi)產(chǎn)生的膨脹作用進一步破壞了巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2 初始裂紋形成階段

20世紀70年代，KATSUYAMA等[20]通過觀察雷管攻擊聚甲基丙烯酸甲酯板而產(chǎn)生的裂紋表面，討論了裂紋擴展行為，發(fā)現(xiàn)當炸藥在材料中被引爆時，在球形應(yīng)力波中環(huán)形應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生徑向裂紋并在爆炸點周圍生長。目前普遍認為，聚能切縫藥包爆破在孔壁內(nèi)形成初始裂紋主要有兩種方式：一是炮孔側(cè)壁受切縫管的保護，在切縫處產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力；二是切縫方向巖體與周圍巖體在沖擊波作用下形成剪應(yīng)力差，孔壁受到剪應(yīng)力作用后開始發(fā)生初始破壞，壓力分布簡圖如圖4所示。

圖4 孔壁壓力分布[5]

楊仁樹等[21]利用理論公式推導了初始裂紋的形成條件，設(shè)Pd為沖擊波作用在炮孔壁上的壓力，Pi為孔壁受到的穿過切縫管沖擊波的作用，孔壁受到的剪應(yīng)力差為

τ>Sds，

(1)

τ=Pd-Pi，

(2)

Sds=σtanφ+C，

(3)

式中，τ為孔壁受到的剪應(yīng)力，σ為最大環(huán)向拉應(yīng)力，Sds為巖石動態(tài)強度，C為巖石動態(tài)內(nèi)聚力，φ為巖石動態(tài)摩擦角。

當切縫處炮孔壁巖石發(fā)生拉伸破壞時，其破壞準則公式為

σ>Sdt，

(4)

式中，Sdt為巖石在動態(tài)條件下的單軸抗拉強度。

而徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力還存在如下關(guān)系：

(5)

式中，μ為巖石的泊松比；p為炮孔壁上產(chǎn)生的壓力。

由式(2)、式(3)可知，在單孔條件下，如要使巖體受到環(huán)向拉應(yīng)力作用而開裂，則炮孔壓力p需要滿足以下條件：

p>(1-μ)·Sdt/μ，

(6)

p>(1-μ)(C-τ)/(μ·tanφ)。

(7)

聚能切縫藥包爆炸時形成的初始裂紋需滿足式(6)、式(7)。

2.3 裂紋擴展階段

應(yīng)力波與爆生氣體在初始裂紋形成初期就共同作用于裂紋尖端處，促進裂紋繼續(xù)擴展，裂縫的擴展方向與開裂方向一致[22](見圖5)。

圖5 裂縫尖端附近應(yīng)力狀態(tài)[22]

切縫藥包爆炸時，外殼會受到爆轟產(chǎn)物的沖擊，而在切縫方向上最先受到爆轟產(chǎn)物直接沖擊的是炮孔壁。能流本身密度大且聚集范圍較小，爆轟產(chǎn)物在飛散時會受到外殼的阻礙，促使能流更加向切縫方向集中，從而增強了切縫方向的破壞作用，爆炸作用過程示意圖如圖6所示。

圖6 爆炸作用過程示意圖

3 切縫藥包爆破機理實驗研究現(xiàn)狀

3.1 動態(tài)焦散線實驗

為了更好地研究分析聚能切縫藥包爆破爆生動態(tài)裂紋的擴展機理，PAPADOPOULOS等[23]結(jié)合焦散線實驗系統(tǒng)觀察了裂紋的動態(tài)擴展，而張士春等[24]設(shè)計的新型動態(tài)焦散線測試系統(tǒng)可以更好地觀察裂紋的擴展(見圖7)。

圖7 動態(tài)焦散線測試系統(tǒng)[24]

楊仁樹等[25]研究了切縫藥包爆破爆生裂紋擴展距離的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)爆炸能量會全部集中于切縫方向釋放。丁晨曦等[26]研究了張開節(jié)理對切縫藥包爆生裂紋擴展的影響，發(fā)現(xiàn)爆生裂紋的擴展會受張開節(jié)理的控制，定向裂紋在擴展時不會直接穿過張開節(jié)理，而是與其相互作用后產(chǎn)生兩條位于節(jié)理端部的翼裂紋。岳中文等[27-30]研究了裝藥結(jié)構(gòu)、單向圍壓、炮孔間距、微差時間等因素對切縫藥包爆生裂紋擴展的影響，得出了不耦合裝藥結(jié)構(gòu)會加速爆生裂紋的擴展、單向圍壓的加載方向會影響爆生裂紋擴展的速度和距離、炮孔間距較小時更有利于爆生裂紋的擴展、增長延遲時間可使爆生裂紋分布呈現(xiàn)“牽手”狀的結(jié)論。李清等[31-32]研究了不同裝藥量下聚能切縫藥包的爆生裂紋在玻璃板中的擴展規(guī)律。許鵬等[33-34]研究了不同孔數(shù)聚能切縫藥包起爆時爆生裂紋在層理介質(zhì)中的擴展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相比于無層理介質(zhì)，在有垂直層理介質(zhì)的情況下，層理與炮孔之間的距離越小，該側(cè)炮孔處產(chǎn)生的裂紋受到層理的阻礙作用越大，從而會抑制爆生裂紋的擴展。

3.2 數(shù)值模擬實驗研究

程兵等[35]采用LS-DYNA對復合型切縫藥包進行了數(shù)值模擬實驗，發(fā)現(xiàn)復合型切縫藥包可以使爆炸產(chǎn)生的能量得以充分利用且減少了圍巖的損傷(見圖8)。魏晨慧等[36]對切縫藥包在不同地應(yīng)力下的裂紋擴展機制進行了數(shù)值模擬實驗，發(fā)現(xiàn)切縫藥包爆破控制裂紋擴展的作用明顯，裂紋的擴展方向主要由切縫角度和最大地應(yīng)力決定。尹忠昌等[37]對基于切縫藥包的堅硬頂板超深孔松動預裂技術(shù)進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可使裂紋定向擴展范圍變大，可以解決底部炮眼間距過大的問題。上述成果為定性和準定量分析研究聚能切縫藥包爆破時巖石產(chǎn)生裂縫并使裂縫穩(wěn)定發(fā)展提供了可行的方法，為爆破參數(shù)設(shè)計的合理化提供了思路和基礎(chǔ)。

圖8 切縫藥包作用下炮孔周圍巖體損傷演化[35]

4 聚能切縫藥包影響因素研究進展

4.1 切縫寬度

切縫寬度是影響聚能切縫藥包爆破效果的關(guān)鍵因素，在實際工程應(yīng)用中，切縫寬度的取值需滿足以下條件[38]：

(1)根據(jù)彈性破壞假設(shè)，炮孔壁巖石受到的線集中荷載P和炮孔壁上垂直方向的切應(yīng)力σθ存在如下線性函數(shù)關(guān)系：

σθ=kP=kB×Pc≤σt，

(8)

式中，k為比例因子，B為切縫管的切縫寬度，σt為巖石的抗拉強度。

將式(8)取等號，得到切縫寬度的最大值：

(9)

隨著切縫管的切縫寬度的增大，初始導向裂紋的長度隨之增大，定向斷裂控制爆破的效果會更好，說明利用式(9)求解切縫寬度是合理的。

(2)羅勇等[39-40]根據(jù)Fracture Dynamics of Rock理論和Mohr-Coulomb強度推導得出：

(10)

式中：a0為初始導向裂紋長度；θ為初始導向縫的夾角，θ=(π/2)-φ，φ為巖石的內(nèi)摩擦角。

切縫藥包工程應(yīng)用結(jié)果表明，切縫寬度在3～5 mm時[41]，爆破形成的裂紋擴展最長、定向效果最好。

4.2 切縫管材質(zhì)

藥包包裝材料會對爆炸沖擊波起到一定的抑制和引導作用，因而不同材質(zhì)的切縫管會影響聚能切縫藥包能量的釋放。張志呈等[42]采用PVCU、PPR、PVC管在水泥砂漿模型中進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)不同強度和變形特性的切縫管材質(zhì)是影響爆生氣體壓力分布的主要因素。張志雄等[43]通過模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)材料密度可以改善爆轟性能、外殼采用密度較大的材料爆破效果更好。楊仁樹等[44]研究得出：爆炸沖擊波與爆生氣體在有機玻璃管、不銹鋼管、PVC管抑制下的擴展形態(tài)大致相同，都表現(xiàn)出高度對稱的特點；切縫管材質(zhì)不會改變爆炸沖擊波和爆生氣體沿切縫方向向外擴散的特性；不銹鋼管聚能效果最佳， PVC管和有機玻璃管效果一般。

4.3 不耦合系數(shù)

不同裝藥結(jié)構(gòu)也會影響聚能切縫藥包爆破的效果，從藥柱直徑和炮孔直徑的關(guān)系角度考慮，裝藥結(jié)構(gòu)可分為徑向耦合裝藥和不耦合裝藥。就控制爆破而言，不耦合裝藥結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力作用時間變長，能量分布均勻，故目前的聚能切縫藥包主要采用該結(jié)構(gòu)[45-46]。徑向不耦合系數(shù)為炮孔直徑與藥包直徑的比值，即

(11)

式中，α為不耦合系數(shù)，Dh為炮孔直徑，De為藥包直徑。

楊仁樹等[47]采用動焦散線實驗系統(tǒng)研究得出：當α=1.67時，切縫藥包爆破效果最佳。WANG等[48]采用數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)分析了不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破時的動態(tài)斷裂效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當α<1.67時，隨著α的增大，爆點處的氣體壓力、速度峰值會隨之減小。胡建華[49]采用聯(lián)合模擬技術(shù)模擬了不同不耦合系數(shù)聚能切縫藥包裂紋擴展過程，結(jié)果表明：隨著α的增大，裂隙數(shù)量反而減少，裂紋擴展長度變短；當α=1.8時，爆破效果最好。史國利等[50]通過有機玻璃板爆炸實驗得出：當α>1.67后，繼續(xù)增大α反而會降低聚能切縫藥包爆破效果。

由上述文獻可知，影響聚能切縫藥包爆破效果的主要因素有切縫寬度、切縫管材質(zhì)、不耦合系數(shù)。

5 結(jié)語

綜合聚能切縫藥包爆破作用機理和目前的研究進展，提出如下建議：

a.工程應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)爆破目的適時調(diào)整管材，以降低藥包輔材成本。未來一些新材料的出現(xiàn)可能會使切縫藥包的爆破效果更優(yōu)，需要廣大爆破工作者繼續(xù)探索與實踐。

b.目前聚能切縫藥包大多采用的是軸向切縫藥包，而環(huán)向切縫藥包技術(shù)原理和應(yīng)用研究較少，這是聚能切縫藥包未來發(fā)展的重要方向。

c.對聚能切縫藥包機理的研究應(yīng)關(guān)注爆破介質(zhì)的變化，介質(zhì)改變后如何設(shè)計聚能切縫藥包是爆破工程技術(shù)人員應(yīng)該關(guān)注的核心問題。