切縫藥包定向控制爆破的試驗研究

楊仁樹, 左進京, 楊國梁

(1. 中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083;2. 深部巖土力學與地下工程重點實驗室，北京 100083)

隨著巖土工程與井巷工程量的增加，對定向斷裂控制爆破技術的要求越來越高，切縫藥包的獨特結構使其在定向開采中起著非常重要的作用。Fourney等[1]采用軸向帶有縫隙的管束藥包，通過試驗研究其定向斷裂效果，并在現場中得到了應用。Wang[2]采用動態焦散線試驗系統和數值模擬軟件，分析了切縫藥包在有機玻璃板中的定向斷裂效果。Yang等[3]分析了切縫藥包產生的定向裂紋起裂與止裂的斷裂強度因子，并分析了裂紋與缺陷介質的相互作用規律。李清等[4]采用有機玻璃板為試驗材料，研究不同藥量的切縫藥包雙孔爆破主裂紋及分支裂紋的擴展規律。楊仁樹等[5-6]利用動態加載焦散線試驗系統，研究了切縫藥包定向爆破作用下裂紋的擴展行為，以及相向擴展裂紋之間的相互作用關系。宋俊生等[7]采用實驗室模型試驗方法，研究了切縫藥包對水泥砂漿的定向斷裂效果。Bobet[8]給出了深埋圓形隧道錨固條件下開挖損傷區的彈性力學解析解。Hao等[9]通過數值分析得出了爆炸載荷對周圍一定范圍內巖體造成了損傷破壞，并觀測了損傷在外界壓力情況下的進一步演化。閆長斌等[10]基于聲波測試原理，對爆破累積作用下巷道圍巖損傷進行了現場測試，既有開挖爆破對巷道圍巖的影響深度為 0.8～1.2 m。楊小林等[11]對大理石材料進行了爆破試驗，分析了巖體細觀裂紋擴展規律及其損傷特性，并對爆生氣體驅動作用下巖體的裂紋擴展進行研究。嚴鵬等[12]通過對邊坡爆破振動和聲波測試分析，通過回歸分析手段建立距不同爆心處損傷深度與質點峰值振動速度的關系。朱和玲等[13]結合巖體爆破損傷研究方法和核磁共振檢測技術，研究爆破作用下巖石損傷特性，以及核磁共振成像技術定量確定巖體爆破損傷范圍。

目前對切縫藥包在有機玻璃板和模型試驗上開展了一些研究，但切縫藥包爆炸波與爆生氣體作用機理還不是很清楚，基于此本文采用高速紋影系統和損傷測試技術，研究切縫藥包在空氣自由場中爆炸沖擊波與爆生氣體的擴展形態，尤其是切縫方向兩者的傳播機制。同時對花崗巖體進行切縫藥包爆破試驗，確定不同炸藥量下花崗巖試件的損傷情況。試驗對切縫藥包爆炸波與爆生氣體的傳播機制進行了探討，同時對不同藥量下切縫藥包對巖體的損傷范圍進行了測定，對豐富切縫藥包定向斷裂理論提供了參考。

1 切縫藥包高速紋影試驗

1.1 試驗系統

高速紋影試驗系統組成部分如圖1所示。激光器發射的線光源經過擴束鏡后變成發散光，發散光經平面反射鏡1入射凹面反射鏡1后變成平行光，平行光攜帶了流場的信息，再由接收凹面反射鏡2聚焦在刀口上，經刀口切去部分焦點光線后可用高速相機拍攝，獲得紋影圖像[14-15]。切縫藥包放置在激光流場中，當炸藥爆炸后，爆炸沖擊波壓塑空氣，使得空氣密度發生變化。試驗時把藥包放置在直徑1.2 m的木箱內，木箱在光場方向上開2個窗口，以便激光能夠穿過，窗口處用有機玻璃板進行防護。把高速相機放置在刀口后，高速相機的拍攝速度為100 000 fra/s。

1.2 試驗方案

試驗采用的切縫藥包管材為不銹鋼，外直徑10 mm，內徑6 mm，壁厚2 mm，切縫寬度2 mm。炸藥為疊氮化鉛(PbN6)，藥量為200 mg，先把稱量好的炸藥裝到外徑5 mm的熱塑管中，然后將熱塑管放入到鋼制切縫管中。藥包長度為8 cm，有效裝藥長度3.4 cm。采用扭結的漆包線作為起爆探針，用功率為2 200 V的發爆器進行起爆，起爆點位于藥包中心位置。采用懸吊的方式將切縫藥包放置到預定位置。

圖1 高速紋影系統示意圖Fig.1 Sketch of high speed schlieren system

2 切縫藥包爆炸波動試驗結果

2.1 切縫藥包爆炸波動過程

圖2為切縫藥包在高速紋影系統下的沖擊波與爆生氣體的傳播過程圖，其中切縫藥包軸向平行于光場，這樣可以直觀觀測到切縫藥包切縫方向上沖擊波與爆生氣體形態與傳播過程。圖中的各時間點是從觀測到切縫處產生沖擊波時開始計時，炸藥在切縫管中的爆轟傳播過程并未觀測到。從圖中可以看出，10 μs時，切縫處開始出現沖擊波，其他方向上并沒有沖擊波產生。20 μs時，沖擊波主要沿切縫方向傳播，并開始向其他方向繞流。30 μs時，爆生氣體開始從切縫處溢出，此時沖擊波呈對稱結構分布。40 μs時，可以明顯觀察到切縫處的爆生氣體，緊隨沖擊波波陣面，繞流至垂直切縫方向上沖擊波開始出現疊加現象。50 μs時，沖擊波和爆生氣體呈對稱狀分布，沖擊波整體形態呈以切縫方向為長軸的橢圓形分布。50～80 μs期間，爆生氣體緊隨沖擊波后擴展，爆生氣體形狀類似“蝴蝶”形，80 μs以后，沖擊波與爆生氣體逐漸開始分離，沖擊波傳播速度要遠大于爆生氣體的傳播速度，在270 μs時，爆生氣體在垂直切縫方向上基本停止擴展。沖擊波繼續以橢圓形擴展，直至跑出視場以外，爆生氣體主要以對稱孿生態的形式沿切縫方向呈“一”字型擴展。

2.2 切縫藥包爆炸波陣面速度

由切縫藥包高速紋影試驗結果，可以得到切縫藥包爆炸前沿激波陣面速度和爆生氣體的擴展速度，圖4(a)為切縫藥包切縫方向與垂直切縫方向的爆炸沖擊波位移-速度圖，由圖可知，切縫藥包切縫方向爆炸波波陣面的速度一直處于優勢狀態，切縫方向的波陣面速度比垂直切縫方向的速度要快，垂直切縫方向的沖擊波由于其是由切縫方向沖擊波繞流所致，所以在前期其速度曲線由0開始。兩方向上沖擊波速度衰減趨勢一致，尤其在近區其速度衰減很快，中遠區速度衰減加速度逐漸變緩。圖4(b)為切縫藥包切縫方向與垂直切縫方向的爆生氣體的位移-速度曲線，從圖中可以看出切縫方向爆生氣體傳播速度大于垂直切縫方向，垂直切縫方向爆生氣體衰減加速度要大于切縫方向。

從切縫藥包的爆炸波動過程中可以看出，炸藥首先在切縫管中起爆產生爆轟波，爆轟波在空氣中衰減為沖擊波，并首先從切縫方向向外傳播，其它方向處的沖擊波是切縫方向沖擊波繞流擴展所致。爆生氣體首先沿切縫處向外擴展，并且主要沿切縫方向呈“一”字型擴展。

(a)爆炸沖擊波

(b)爆生氣體圖4 切縫藥包爆炸沖擊波與爆生氣體位移-速度隨時間變化曲線Fig.4 Curve of slotted cartridge explosion shock waveand explosion gas displacement-speed over time

3 切縫藥包巖石爆破損傷測試

3.1 試驗方案與測試儀器

根據切縫藥包紋影試驗結果，得出切縫藥包的爆炸波與爆生氣體的傳播特性，為了驗證切縫藥包破巖效果，進一步研究切縫藥包定向爆破作用下巖石損傷范圍的變化規律，試驗材料采用花崗巖石，因為其強度大，更能說明切縫藥包的定向斷裂效果。花崗巖試件長200 mm，寬200 mm，高150 mm，在試驗開始之前，對試件表面進行打磨，其表面光滑，確保聲波探頭能夠完全貼合巖石表面。在試件長、寬的中心打直徑12 mm、孔深10 mm的炮孔。試件尺寸如圖5(a)所示。

切縫藥包與紋影試驗采用的藥包相同，巖樣的超聲波測試采用Tektronix公司生產的DPO 5104B電子示波器聯合Olympus脈沖發射器進行試驗，聲波換能器為100 kMz 非金屬超聲波探頭，采用超聲波專用耦合劑確保超聲波探頭與巖石試樣表面緊密接觸，試驗測試設備如圖5(b)所示。設計裝藥量分別為0.4 g，0.8 g，1.2 g。研究不同藥量下切縫藥包定向爆破作用巖石損傷范圍的變化規律。文獻[16]通過彈性力學相關原理建立了材料爆破損傷量與材料彈性模量、材料爆破前后波速降低率的對應關系

(1)

(a) 花崗巖試件尺寸

(b) 聲波測試儀圖5 花崗巖模型及聲波測試儀Fig.5 Granite model and acoustic tester

式中：E0，E分別為材料受爆破載荷作用前、后的彈性模量；v0，v分別為材料損傷前、后的聲波速度;D為巖體的損傷量。

根據我國《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》[17](SL 47-94)規定, 當巖體爆破前后，其聲速變化率(η=1-v/v0)超過10%時，即判定巖體受到爆破損傷破壞。

3.2 測試結果及分析

沿巖石試件長和寬方向每4 cm作為一個網格點用以聲波測試點，在試件表面共布置25個測點，試驗開始前對原始花崗巖進行聲波測速，以確定爆破前花崗巖體的聲速。放置切縫藥包時，把切縫方向垂直對準巖石試件的一邊，采用沙子加502膠對炮孔進行封堵。

試驗結果如圖6所示，試驗發現當藥量為1.2 g時花崗巖試件沿著切縫方向發生斷裂，斷裂面比較平整。其它2組藥量試件沒有發生斷裂，對這兩組試件在相同測點處測其聲速，按照式(1)進行轉化為巖體的損傷量，如表1和表2所示。

圖6 試驗結果Fig.6 Experimental result

表1 裝藥0.4 g時巖體的損傷量Tab.1 Rock damage value when charging 0.4 g

表2 裝藥0.8 g時巖體的損傷量Tab.2 Rock damage value when charging 0.8 g

根據表1和表2的測試數據，采用克里金插值法對數據進行插值，做出爆破后巖石試件的損傷分布圖。圖7和圖8為花崗巖試件的損傷分布等值線圖和3D曲面圖，從圖中可以看出巖體在測試平面內都會產生爆破損傷，切縫藥包在巖體中造成的損傷區域呈以橢圓形的狀態分布，在切縫藥包附近巖體損傷值更大一些，尤其在切縫方向損傷范圍明顯大于非切縫方向。隨著藥量的增大，切縫方向上的損傷范圍明顯增大，直至藥量超過某個極限值后，巖石發生斷裂。

(a) 損傷分布等值線圖

(b) 3D曲面圖圖7 裝藥0.4 g時巖體的損傷分布圖Fig.7 The picture of rock damage when charging is 0.4 g

(a) 損傷分布等值線圖

(b) 3D曲面圖圖8 裝藥0.8 g時巖體的損傷分布圖Fig.8 The picture of rock damage when charging is 0.8 g

距炮孔每隔10 mm提取切縫方向和垂直切縫方向的損傷值，做出損傷值隨炮孔距離的變化曲線，如圖9所示。從曲線上可以看出，在炮孔直徑1.5倍的范圍內，兩方向上的損傷值差別不是很大，隨著與炮孔間距的增大，兩方向上的損傷值逐漸拉開，藥量的增加對切縫方向巖體的損傷程度的影響較大。

(a) 0.4 g裝藥

(b) 0.8 g裝藥圖9 切縫方向和垂直切縫方向巖體損傷量變化曲線Fig.9 The rock damage value curves of kerf widthdirection and the vertical direction

4 結 論

(1)通過采用高速紋影試驗系統，對切縫藥包爆炸沖擊波與爆生氣體進行跟蹤拍攝，實現了對兩者作用的分離研究，切縫藥包爆炸沖擊波和爆生氣體從擴展形態上保持著高度對稱形態。

(2)爆炸沖擊波優先沿切縫方向傳播，其它方向的沖擊波是切縫方向沖擊波繞流擴展所致，爆炸沖擊波擴展形態由開始的啞鈴形變為橢圓形向空氣中傳播。

(3)爆生氣體首先從切縫處擴展，并且主要沿切縫方向呈“一”字型擴展，爆生氣體在垂直切縫方向有限的范圍內擴展。爆生氣體開始緊隨爆炸沖擊波波陣面，后兩者慢慢分離。

(4)切縫藥包在巖體中造成的損傷區域以橢圓形的狀態分布，切縫方向巖體損傷值要大于垂直切縫方向。藥量的增加對切縫方向巖體的損傷程度的影響較大。

簡而言之，通過對切縫藥包的爆炸試驗研究，得出了爆炸沖擊波優先沿切縫方向釋放能量，形成的“導流”作用于孔壁產生初始損傷區；高壓爆生氣體的準靜態壓力作用，促進累積損傷區繼續發展，形成沿切縫方向的“射流”效應，推動裂紋持續擴展。