巖石爆破應力波分布規律的水下測試

曹 祺

(淮南職業技術學院能源工程系, 安徽淮南232001)

巖石爆破應力波分布規律的水下測試

曹 祺

(淮南職業技術學院能源工程系, 安徽淮南232001)

利用水下折射法避免了爆炸應力波與應變片的不耦合現象,建立了水下巖石爆破測試模型,論證原理,制作球形試塊和DDNP集中藥包,利用集中藥包在球形試塊中產生爆炸應力波在邊界上入射角為零且無折射的特性,推導出球形試塊中應力波峰值的衰減規律,并分析了實驗結果。

球形試塊; 應力波分布; 水下測試

眾所周知,炸藥爆炸后對介質的破壞是高壓爆轟氣體和應力波的共同作用。而水下爆炸能量測試法能夠很好地將能量分為兩部分:氣泡波能和沖擊波能。與實際情況的良好吻合,也是其他測試方法難以實現的。

本文使用水下測試法,測量并計算得到不同半徑的水泥砂漿球形試塊水下爆炸后透射應力波的大小,由于集中藥包裝藥位于球心,爆炸應力波在邊界上入射角為零且無折射,推算出不同半徑的球形試塊邊界處的應力波大小,作為巖石內部距離不同點的應力波值,進一步推算出其衰減規律。國內外有關集中藥包水中爆炸能測試的研究[1,2]為本文的測試提供的依據。

1 實驗原理

本實驗采用球形水泥砂漿模型試塊測算炸藥爆炸應力場分布。假設應力波從球形試塊到自由面的傳播為彈性波,彈性波從球心傳播到自由面上的每一點都是正入射,則有折射應力σt與入射應力σi的比值為。

(1)式中:n為兩介質的波阻抗之比。

水下實驗設置如圖1所示,B點為測試點,其壓力峰值為Pm,A點是球形試塊巖面與水交界面上的點,Pa是A點透射到水中的爆炸應力波峰值壓力,σr是爆炸應力波在A點的徑向入射波的壓力峰值,Pa和σr的關系由公式(2)所示。

根據水下爆炸理論和標準藥包的實測結果,爆轟波壓力峰值隨距離的衰減律[3]為:

圖1 球形水泥砂漿試快水下爆炸示意圖

假設半徑為Rn的球形水泥砂漿試塊水中爆炸后,在B處傳感器測得的應力波壓力峰值可以看作虛擬爆源O′爆炸產生所應力波壓力峰值,因此由(3)式可得:B點透射應力波為

A點透射應力波為

公式中:W為裝藥量,g;Rn為球型模型試塊的半徑(n=1～5,n為整數),m;r為測點至球形試塊中心的距離,m;K、α分別為集中藥包水下爆炸時的系數和壓力衰減指數。

由(4)(5)式可得:

將(2)式代入(6)式可得巖石表面應力波徑向分量值為:

式中k值可由裸露藥包在水下爆炸所產生的壓力峰值,與在B點所測量峰值壓力計算比較得出。

2 實驗測試

爆炸能量水下測試系統的實驗裝置如圖1所示,該系統由信號傳輸電纜、壓力傳感器、數據采集系統、數據處理系統以及室外水池(直徑5.5 m,水深3.62 m)組成。

由于模型試塊爆破藥量較小,整個實驗是在小水池的條件下完成。所以實驗采用了爆速和猛度較低的DDNP(二硝基重氮酚)集中藥包進行水下測試。每個藥包表面做用環氧樹脂防水處理。其主要性能如表1所示。

根據相似實驗,制作不同半徑的球形水泥砂漿試塊(水泥:砂子:水=1:2:0.4),5個1組。水泥砂漿試塊的幾何尺寸和力學性質如表2、圖2和表3所示。

表1 DDNP集中藥包的主要性能參數

表2 裝藥球形試塊幾何尺寸

表3 球形試件的主要力學參數

圖2 球形水泥砂漿試塊

將DDNP集中藥包裝入球心,保證藥包距試塊邊界處處相等且入射角均為零。刷防水劑,防止水侵入試塊改變其力學性質。用環氧樹脂及石英砂堵塞炮眼。最后,在測量鐵架安裝標定好的傳感器,同時將球形試塊固定在鐵架中心,確保爆心與傳感器在同一水平面上,爆心距傳感器的距離為0.5 m。

3 實驗結果與分析

3.1 實測結果

球形水泥砂漿模型共5組,每組5個,試塊半徑20 mm遞增。

在實測過程中,隨著試塊半徑的增大,應力波峰值迅速減小,并且伴隨有大量干擾波,產生雙峰值或是三峰值的波形圖,使得典型的應力波波形圖捕捉困難,造成實驗數據的部分缺失。所測應力波參數見表4。

表4 球形水泥砂漿模型水下透射應力波實測值

以上數據用最小二乘法進行擬合得:在測量范圍內(0.86≤W1/3/R≤2.47 kg1/3/m),應力波參數及能量參數擬合方程如下:

應力波峰值衰減規律:

式中R0為測點到模型試塊的距離,線性相關系數:S=0.995 2。

3.2 實驗結果分析

DDNP集中藥包在球形水泥砂漿試塊中水下爆炸后,利用水下測試法得到的巖石內應力波峰值壓力隨試塊半徑變化的圖形如圖3所示,隨R/R0變化圖形如圖4所示。由圖3可知,應力波峰值壓力在爆炸的近區衰減的較快,隨著球形試塊半徑的增大,應力波峰值壓力衰減趨于平緩。同時,DDNP集中藥包在球形試塊中實際測量的爆炸衰減指數為1.85,前人工作總結爆炸衰減指數α的取值范圍是1.68≤α≤1.81,造成該誤差的原因,是由于應力波在介質中傳播過程中,介質的不連續性和制作試塊時產生的結構弱面對應力波的干擾作用,使得應力波在傳播過程中發生幾何發散和頻射,導致應力波峰值壓力衰減加快。此外水下測試法反推巖石內部的爆炸應力波分布特征,是建立在水為不可壓縮介質的前提下,而在實驗過程中,水的微小變形,傳播壓力轉化成體積能,也削弱了應力波的峰值壓力,故實驗所得的球形試塊應力波壓力峰值的衰減指數比理論值要稍大點,是能夠預見到的,是在實驗允許誤差范圍內的,故實驗結果是可信的。

圖3 應力波峰值壓力隨試塊半徑變化曲線圖

圖4 應力波峰值壓力隨R/R0變化曲線圖

[1] 曹祺,顏事龍,韓早.巖石爆破中爆炸能量分布的規律的現狀和發展[J],煤炭爆破,2007(4):28-32.

[2] 吳亮,盧文波.巖石中柱狀裝藥爆炸能量分布[J].巖土力學,2006(5):735-739.

[3] 顏事龍.集中藥包與條形藥包水下爆炸能量測試[J],爆破器材,2003,32(5):23-27.

[4] 王麗瓊.二硝基重氮酚的爆速與密度的關系[J].煤炭科技.1984(3).

TD235.1+1

B

1671-4733(2015)06-0005-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.002

2015-11-20

淮南職業技術學院教科研基金項目(項目編號:HKJ12-4)

曹祺(1981-),男,安徽淮南人,講師,從事井巷工程和爆破工程研究工作,電話:0554-6656921。