切縫管軸向不耦合裝藥爆破實驗＊

楊國梁，程帥杰，王 平，李學海，閆玉崗

（中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083）

切縫管軸向不耦合裝藥爆破實驗＊

楊國梁，程帥杰，王 平，李學海，閆玉崗

（中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083）

采用動態應變測試和高速攝影系統，對切縫管空氣間隔裝藥定向斷裂爆破機理進行研究。共采用4種裝藥結構，研究發現：當軸向不耦合系數為1.5時，炮孔兩側測點的應變比最大為2.1，壓力持續作用時間達到9μs，定向斷裂效果顯著。通過高速攝影測試發現裂紋的擴展速度并不是一個常量，擴展速度呈現震蕩變化，并對其形成機理進行分析。在模型實驗的基礎上，分別采用不耦合裝藥系數1.5和1.66，進行地下隧道和露天邊坡工程爆破現場實驗，取得了良好的效果。

爆炸力學；軸向不耦合系數；應變比；定向斷裂爆破；切縫管

切縫藥包爆破的實質是在具有一定密度和強度的炸藥外殼上開有不同角度，不同形狀和數量的切縫，利用切縫控制爆炸應力場的分布和爆生氣體對（孔壁）介質的準靜態作用和尖劈作用，達到控制所爆介質的開裂方向的目的［1］。軸向間隔裝藥爆破，其爆破作用機理與耦合裝藥時不同。采用空氣間隔裝藥爆破時，雖然作用于炮孔側壁的平均壓力要顯著低于耦合裝藥爆破，但是在空氣層間隔界面形成的系列加載波作用下，炮孔內壓力作用時間顯著增長。相關學者對切縫藥包爆破和空氣間隔裝藥爆破機理分別進行了探索性研究。楊仁樹等［2－4］等采用動焦散實驗系統，研究了切縫藥包定向斷裂爆破的裂紋擴展規律，得到了裂紋尖端的動態強度因子。姜琳琳［5］、高祥濤［6］采用模型和現場實驗的方法對切縫藥包定向斷裂爆破機理進行了深入研究，分析了影響切縫藥包爆破的幾個重要因素。劉永勝等［7］提出了一種新的水耦合切縫藥包裝藥結構。蒲傳金等［8］通過理論和實驗研究了切縫藥包爆破機理和爆破參數。肖正學等［9］用動態光彈性法研究了不同切縫寬度對爆破效果的影響。張志雄等［10］通過實驗室模型實驗研究了切縫外殼參數對裂紋定向擴展的影響。空氣間隔裝藥爆破研究方面，宗琦等［11］從理論上探討了空氣墊層裝藥結構主要參數軸向不耦合系數的計算方法。李遙等［12］通過實驗發現空氣間隔裝藥爆破中空氣層位置和比例對塊度分布的影響規律。本文中進行了空氣間隔裝藥結構的切縫藥包爆破實驗，采用動態應變測試和高速攝影系統，對比分析不同方向的應變分布規律及裂紋擴展速度。提出了切縫管最佳間隔裝藥結構，并在露天邊坡和地下隧道工程爆破中進行應用。

1 實 驗

1.1 實驗方案設計

實驗采用水泥砂漿模型，炮孔直徑10mm，孔深250mm。澆筑前預先制備好應變磚，在澆筑過程中預埋，每個試塊中放置6個。切縫管采用硬質塑料管，內徑6mm，外徑8mm，壁厚1mm，切縫寬1mm，切縫方向與模型長邊方向一致。總裝藥量1 200mg（DDNP為200mg，RDX為1 000mg），裝藥總長度為50mm。切縫管長度分別為50.00、62.50、75.00和100.00mm，管內采用4種裝藥結構，軸向不耦合系數α（藥室總長與炸藥長度之比）分別為1.00、1.25、1.50和2.00，其中α＝1時為耦合裝藥。采用電火花起爆，耦合裝藥在底部設置1個起爆點，其余結構在各段底部分別設置起爆點同時起爆。

1.2 實驗測試系統

圖1 實驗方案Fig.1 Schematics diagram of the test

動態應變測試系統包括：（1）SDY2107A型動態電阻應變儀；（2）TST3406C動態數據采集卡；（3）顯示器。高速攝影實驗測試系統包括：（1）MS55KB2高速攝影儀；（2）預裝Mega Speed圖像處理軟件的筆記本電腦；（3）功率為2 500W的LED燈。

2 測試結果分析

2.1 應變測試結果分析

應變測試結果如圖2所示。對比發現：軸向不耦合系數對應變影響顯著，當α＝1.00時應變波形為陡峭的三角波，這說明耦合裝藥時，爆炸能量釋放速度急劇增長，應變瞬間達到最大。α＝1.25時，曲線出現多個二次波形，且持續時間增長。α＝1.50和α＝2.00時，測點應變峰值顯著下降，但是曲線連續出現近視相等的2個波峰。上述測試結果說明，隨著空氣間隔長度的增加，2段炸藥爆炸形成的能量匯聚作用降低，但持續作用時間更長。

圖2 不同軸向不耦合系數下應變時程曲線Fig.2 Histories of strain with different axial decoupling coefficients

分別計算距炮孔50、100和150mm處，不同方向上測點的應變比為γ（即ε1／ε4，ε2／ε5，ε3／ε6），得到的曲線如圖3所示。同時提取測點的應變作用時間，求均值后得到的曲線如圖4所示。由圖3可知，α＝1.00時炮孔兩側的應變比在1.7～1.9之間。α＝1.25時，距炮孔100mm處應變比達到最大，在2.0左右。當α＝1.50時，距炮孔50mm處應變比最大，為2.10。當α＝2.00時，距炮孔100mm處應變比最小，為1.56。由圖4可知，隨著空氣間隔長度的增加，測點的應變作用時間顯著增長，α由1.00增加到2.00，相應的應變作用時間增長了3倍。

圖3 不同方向測點應變比Fig.3 Strain ratio of measuring point in different directions

圖4 平均持續作用時間隨隨軸向不耦合系數關系Fig.4 Average duration time vs.axial decoupling coefficient

由圖3～4可以得到如下規律：切縫管軸向不耦合裝藥的爆破效果由應變比和應變作用時間共同決定。應變比大，但作用時間短，定向斷裂方向難以控制（α＝1.00，1.25時）；應變比小，作用時間長，可以形成定向裂紋，但容易形成次生裂紋（α＝2.00時）；同時提高應變比和作用時間才可以取得較好的定向斷裂爆破效果。

2.2 高速攝影結果分析

典型的爆破效果如圖5所示。圖6給出了α＝1.50時，高速攝影捕捉到的定向斷裂爆破過程。圖7所為不同時刻裂紋的擴展位置，其中：a代表炮孔左側裂紋，b代表炮孔右側裂紋；a0、b0分別表示炮孔的左右邊緣，a0～a8，b0～b8分別表示在不同時刻裂紋發展的位置。

圖5 典型爆破效果Fig.5 Typical blasting effect

圖6 裂紋擴展過程Fig.6 Cracks propagation process

圖7 不同時刻裂紋擴展位置Fig.7 Crack positions at different times

提取2條裂紋在不同時刻的傳播速度，形成曲線如圖8所示。可以看到：（1）2條曲線的形態基本一致，均有3個波峰和3個波谷；（2）裂紋擴展初始階段，2條裂紋擴展速度在350～400m／s之間；（3）裂紋擴展中段（距炮孔100～150mm），裂紋擴展速度達到最大，最大值在520m／s以上；（4）裂紋發展至模型邊界，裂紋擴展速度再次增長。

高速攝影揭示了裂紋擴展的3個階段：第1階段是爆炸初期裂紋形成的階段，切縫處初始裂紋是爆炸應力波直接作用的結果。隨著裂紋的擴展，應力波的強度降低，擴展速度下降，此時形成第2個波谷；第2階段是爆生氣體驅動裂紋擴展的階段，隨著高壓爆生氣體涌出，氣體壓力下降，裂紋擴展的速度降低，出現第3個波谷；第3階段是裂紋慣性擴展的階段，當裂紋擴展至模型邊界時，能量完全釋放，出現第3個波峰。

圖8 不同時刻的裂紋擴展速度Fig.8 Histories of cracks propagation velocity

3 現場實驗

基于模型實驗的研究成果，分別進行了地鐵隧道周邊光面爆破和金屬礦山高陡邊坡預裂爆破。地鐵隧道周邊光面爆破炮孔深1.5m，孔間距600mm，孔徑32mm，單個藥卷長200mm，重200g。現場采用硬質PVC切縫管，管長600mm，管內分2段裝藥，中間空氣間隔長度200mm，軸向不耦合裝藥系數為1.5。銅礦邊坡預裂爆破炮孔深16m，間距1.5m。為了保證清除根底，底部集中裝藥，采用3個藥卷并列綁扎。上部采用切縫藥包間隔裝藥，藥卷長200mm，單根切縫管長1m，藥卷間距200mm，軸向不耦合裝藥系數為1.66。用導爆索將藥卷串聯，最后將切縫藥包綁扎在竹片上。每個炮孔使用12個切縫管，總裝藥長度為13m，炮孔頂部3m不裝藥，現場圖如圖9所示。

圖9 現場裝藥Fig.9 Field charging

爆破效果如圖10所示，采用切縫藥包空氣間隔裝藥爆破技術，隧道周邊圍巖的炮孔間距由400mm提高到600mm，光面爆破后炮孔半眼痕率達到100%，保證了隧道的成形質量，降低了圍巖的損傷，提高了隧道的后續支護強度，全面提高了隧道的掘進速度。邊坡預裂爆破后，半眼痕率達到95%，邊坡表面光滑平整，有效的提高了邊坡的整體穩定性。

圖10 爆破效果Fig.10 Blasting results

4 結 論

（1）切縫管軸向不耦合裝藥的爆破效果由應變比和應變作用時間共同決定：大應變比、短作用時間和小應變比、長作用時間均不能取得較好的定向斷裂效果。軸向不耦合裝藥系數處于1.5～2.0之間，定向斷裂爆破效果較好。

（2）高速攝影實驗發現，裂紋的擴展速度呈現出折現變化，表明裂紋的擴展對應3個物理過程，揭示了切縫藥包爆破的機理。

（3）將研究成果應用到地鐵隧道周邊光面爆破和露天高陡邊坡預裂爆破中，爆破后斷面光滑平整，半眼痕率分別達到100%和95%，有效地提高了圍巖的穩定性。

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Experiment on slotted tube blasting of axial decoupling coefficient charging

Yang Guoliang，Cheng Shuaijie，Wang Ping，Li Xuehai，Yan Yugang

（State Key Lab of Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining ＆Technology，Beijing100083，China）

In this work we performed experimental tests using the dynamic strain test and high speed photography system to study the mechanism of the air－deck slotted charging structure blasting，with four axial air－deck structures adopted.The results show that the highest strain ratio reached 2.1as the axial decoupling coefficient 1.5，and the corresponding function time of pressure was 9μs.The best result of directional fracture was achieved.The crack propagation process was recorded by high－speed photography，which show that the propagation speed of the crack was not a constant.The expansion speed of the crack fluctuated with time，and illustrated the phenomenon.Finally，the field tests were performed in the underground tunneling and open slope projects with 1.50and 1.66as the axial decoupling coefficient respectively，and with good results achieved.

mechanics of explosion；axial decoupling coefficient；strain ratio；directional fracture blasting；slotted tube

O383.2；TD235國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0134－06

（責任編輯 王易難）

2015－05－18；

2015－09－17

國家自然科學基金項目（51134025，51274203，51374210）

楊國梁（1979— ），男，博士，講師，yanggl531＠163.com。