螺旋管聚能藥包根底光面爆破機理研究及應用*

鄧永興，張中雷，管志強，楊中樹，馬宏昊,3，沈兆武

（1. 中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230026；2. 大昌建設集團有限公司，浙江 舟山 316021；3. 中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026）

自20 世紀50 年代，光面爆破技術在瑞典興起以來，隨后在各國廣泛應用。相對于普通爆破，光面爆破后巷道或硐室成型質量有較大改觀，但圍巖損傷仍較嚴重，輪廓不平整度大，尤其在軟弱破碎巖體中問題更為突出，根底超欠挖嚴重，在一定程度上限制了該技術的應用與發展[1-3]。針對這種現狀，國內外很多學者做了相關研究并取得很好的成果。切縫管狀藥包是實現光面爆破的新思路，從1978 年Fourney 等[4]提出了切縫管狀藥包后，此技術在我國也得到了大力地推廣并做了很多研究。楊仁樹等[5-6]通過動光彈爆炸加載實驗和井巷爆破實驗獲得了切縫藥包用于鉆孔爆破時巖石產生裂紋及發展過程和爆破后光面效果。何滿潮等[7-8]研究了雙向聚能拉伸爆破技術，該技術施工工藝簡單 易于在工程中推廣使用。但這些技術僅能減輕周邊孔的超欠挖問題，不能解決根底光面爆破問題。針對根底光面爆破問題，Singh 等[9]通過對藥包破巖機理分析，提出了通過減小抵抗線、增加超深來降低根底不平整；劉亮[10]等通過數值模擬研究了起爆方式對臺階爆破根底影響，得出正向起爆有利于減小根底高度差。這些研究對根底光面爆破有重要指導意義，但未能提高炸藥做功能力仍會形成爆破漏斗，存在缺陷。在運用聚能射流方面，李曉杰等[11]等提出了一種深孔爆破聚能平底彈，通過在孔底加裝多個線性聚能藥型罩對孔壁進行橫向侵徹，進而達到根底光面爆破效果；Chen 等[12]提出了在孔內使用環形聚能藥包對孔壁進行橫向侵徹，并做了相關實驗。但這些研究未進行工程試驗及效果分析，且這些方式成本較高，操作繁瑣，未能廣泛推廣使用。

針對上述爆破方式的缺陷，本文研究了一種螺旋管聚能藥包，其由圓管緊密螺旋制成藥型罩，并在螺旋管圍成的空腔內裝填炸藥而制成。此藥包利用圓管的聚能效應，提高了炸藥做功能力和根底光面爆破效果。

1 鉆孔爆破試驗

1.1 試驗裝置及方案

為驗證螺旋管聚能藥包的定向侵徹孔壁和聚能作用，設計了鉆孔爆破試驗方案，其主要包括加鋼管約束的水泥砂漿試樣和藥包。其中藥包有普通柱狀藥包和螺旋管聚能藥包；水泥砂漿試樣是在鋼管內澆筑水泥沙漿制成，鋼管不但保證試件成型后具有高強度，還可削弱模型的邊緣效應[13]。試驗裝置如圖1 所示。

(1)藥包裝藥結構

試驗所用聚能藥包的藥型罩由圓管緊密螺旋而成，在螺旋管圍成空腔內裝填炸藥，并在炸藥端面中心固定雷管。金屬鋁具有延展性、柔韌性、易加工且工程造價低，試驗采用鋁管制作藥型罩。試驗采用黑索金作為聚能藥包主裝藥，其機械感度低、能量高、爆速高。鉆孔爆破試驗在爆炸罐內進行，不宜采用大尺寸裝藥。藥型罩所用鋁圓管外徑5 mm，管壁厚1.2 mm，螺旋管所圍空腔直徑20 mm，共4 匝，炸藥共9 g，裝藥密度約為1.4 g/cm3。為得到藥包加裝螺旋管藥型罩與不加裝藥型罩爆破效果的差異，設計普通藥柱對比試驗。對比試驗中控制有無藥型罩單一變量，對比聚能藥包尺寸，設計普通圓柱狀藥包由鋁箔作為外殼，其內徑20 mm，內部裝填高20 mm 的黑索金，共9 g。兩種藥包結構如圖2所示。

圖 1 試驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus

(2)試樣設計

所用約束鋼管直徑為200 mm、高為300 mm；內部裝填水泥砂漿，其中500#普通硅酸鹽水泥、砂子和水的質量配比為1∶2∶0.4；室外養護超3 個月，在水泥砂漿端面中心鉆孔，孔深80 mm，孔徑36 mm。

1.2 試驗結果

爆破后根底如圖3 所示。對爆破根底測量得出螺旋管聚能藥包試樣炮孔利用率為64.3%，柱狀藥包試樣炮孔利用率為57.1%，螺旋管聚能藥包試樣的炮孔利用率提高了7.2%。在螺旋管聚能爆破試樣中，有以炮孔為內徑，外徑約為110 mm 的環形平整區，即圖3(b)中紅線區域，區域內根底高度差小于3 mm，而柱狀藥包爆破試樣無平整區。

爆破后殘留炮孔如圖4 所示。螺旋管聚能藥包試樣殘留炮孔直徑擴大為51.5 mm，擴孔率約為43.1%，柱狀藥包試樣殘留炮孔直徑擴大為48.5 mm，擴孔率約為34.7%，螺旋管聚能藥包擴孔率提高了8.4%，說明螺旋管聚能藥包對孔壁做功更大，具有聚能效果。柱狀藥包爆破試樣孔內壁呈圓柱形，而螺旋管聚能爆破試樣的殘留炮孔孔壁有螺旋形侵徹縫，侵徹縫上有鋁屑殘余，說明有金屬射流產生。其中最上面侵徹縫較深，水泥砂漿試樣出現層裂，說明聚能藥包能產生射流垂直侵徹孔壁，致使水泥砂漿試樣出現侵徹縫，進而在侵徹縫水平面形成層裂、脫落，實現根底光面爆破。

圖 2 藥包結構Fig. 2 Structure of explosive charge

圖 3 爆破根底結果Fig. 3 Results of root bottoms

圖 4 爆破殘留炮孔結果Fig. 4 Results of residual boreholes

2 侵徹過程數值模擬

螺旋管聚能藥包鉆孔爆破過程復雜且迅速，不易直接觀測，因此采用LS-DYNA 軟件對螺旋管聚能藥包侵徹過程進行模擬。計算模型由炸藥、混凝土、鋁管和空氣組成，炸藥、鋁管和空氣采用歐拉網格建模，單元使用多物質ALE 算法，混凝土采用拉格朗日算法。混凝土與炸藥、空氣、鋁管之間采用流固耦合接觸算法。整個模型采用cm-g-μs 單位制。

2.1 計算模型

建立計算模型時，藥包結構不對稱，模型復雜不易建立。因環形圓管藥型罩與螺旋圓管藥型罩作用原理相同，故可將螺旋管藥型罩簡化為環形圓管藥型罩，此時模型為軸對稱結構，取一匝圓管的四分之一建立模型，如圖5 所示。為模擬混凝土爆炸破壞，引入失效關鍵字MAT_ADD_EROSION，當混凝土單元受到拉應力為1.54 MPa 或壓應力為17.4 MPa時[14]，單元失效被刪除。

模型中黑索金炸藥采用高能燃燒(High-Explosive-Burn)本構模型及其Jones-Wikins-Lee(JWL) 狀態方程；藥型罩采用鋁的Johnson-Cook 材料模型及其Grüneison 狀態方程；空氣采用空材料模型及其Grüneison 狀態方程；混凝土靶板采用Johnson-Holmquist-Concrete (JHC)本構模型。

2.2 計算結果

圖 5 計算模型Fig. 5 Calculation model

射流形成過程如圖6 所示，炸藥起爆后爆轟波在炸藥內傳播；爆轟波傳到炸藥一側的管壁時管壁被壓垮，頂部出現外翻；隨后管壁金屬粒子在爆轟波的作用下向軸線方向運動；由于圓管的對稱性，運動的金屬粒子垂直于軸線方向的速度相互抵消，從而形成沿軸線方向運動的射流；最后高速運動的金屬射流穿過背離炸藥一側的管壁繼續運動。

圖 6 射流形成過程Fig. 6 Process of jet formation

當高速運動的金屬射流撞擊孔壁時，混凝土產生破壞，過程如圖7 所示。射流作用于孔壁，混凝土受到遠大于其抗壓強度的壓應力而被壓碎，并有應力波向遠處傳播。隨著射流繼續侵徹，炮孔內壁被侵徹出垂直于孔壁方向的初始導向裂縫。當應力波向周圍傳播到達侵徹縫附近孔壁時，在空氣-混凝土界面反射大于混凝土抗拉強度的拉應力，混凝土被破壞。孔壁混凝土徑向受壓收縮，釋放彈性能，在環向上受到拉應力，當此拉應力大于混凝土抗拉強度時產生環向裂縫[15]，如圖7 中t=13.4 μs 時混凝土上表面。在應力波作用下和應力集中效應，裂縫逐漸擴展。最后射流速度和應力都逐漸衰減，裂縫停止擴展呈發射狀，如圖7 中t=20 μs，同時也印證了試驗結果圖3(b)。

3 結果分析與討論

3.1 射流侵徹分析

在螺旋管圍成的空腔裝填炸藥后，靠近炸藥一側管壁有一半嵌入到炸藥中，此部分管壁充當聚能藥型罩。此藥型罩形成射流原理與半球形藥型罩相似，藥包起爆后，爆轟波到達管壁時，管壁被壓垮朝圓管軸線運動，由于圓管具有對稱性，金屬粒子垂直于軸線方向的速度抵消，金屬粒子沿軸線運動形成射流[16]。相比于楔形藥型罩，圓形藥型罩產生射流直徑粗、藥型罩利用率高[17]。當射流到達背離炸藥一側的管壁時，如圖6 所示管壁對射流頭部有阻礙作用，致使射流頭部速度減慢，被后面的射流追上從而射流頭部質量增大，有助于形成較寬侵徹縫，如試驗結果中圖4 所示。

圖 7 混凝土破碎過程Fig. 7 Process of concrete breaking

高速運動的射流對孔壁侵徹過程，可用考慮靶板強度的準定常理想不可壓縮流體力學侵徹理論描述[18]。此理論假設射流侵徹靶板時是準定常過程，射流釋放的能量一部分轉化為靶板的動能，另一部分為克服材料強度做功，記這部分功為W。根據伯努利方程則有：

式中：ρJ、vJ為射流的密度和速度，UT為侵徹速度，ρT為靶板密度。由于射流終止侵徹時，UT=0，且射流速度小于等于臨界速度vJC，即射流小于此速度時不再侵徹靶板，代入式(1)可得：

消去W 可得[19]：

在侵徹軸線上彈靶界面處靶板速度為0，故此處壓力P 可由伯努利方程給出：

式中：PT為靶板初始壓力，可忽略不計。由數值模擬結果可知vJ=2 400 m/s，vJC=500 m/s，鋁管和混凝土密度分別為2.7 和2.5 g/cm3。代入計算可得P=1.7 GPa，遠大于靶板的動載抗壓強度，故靶板被破壞，被侵徹出裂縫，隨著裂縫不斷加深，射流能量不斷消耗，侵徹逐漸停止。

3.2 巖石破碎分析

當孔壁巖石被射流侵徹出裂縫后即作為初始導向裂縫，此導向裂縫在自身擴展和巖石脫落方向起重要控制作用[20]。并且在應力波和氣楔的共同作用下裂縫朝初始方向逐漸擴展[21]，裂縫尖端處有應力集中效應，加速裂縫擴展。隨后形成徑向發射狀裂縫，形狀如試驗結果圖3(b)和模擬結果圖7 所示，最后裂縫在射流侵徹平面內貫穿，巖體出現層裂、脫落。

在射流和沖擊波作用于炮孔孔壁時，除產生裂隙外，孔壁附近巖石受到遠大于其抗壓強度的壓應力而破碎，形成粉碎區。同時巖體徑向方向受到壓應力被壓縮，釋放彈性能，在彈性階段當巖體徑向受到壓應力，其垂直方向即環向受到拉應力。而混凝土抗拉強度小于抗壓強度，當此拉應力大于巖體抗拉強度時，巖體產生環向裂縫[15]，如圖7 所示。隨后在應力波和沖擊波共同作用下，粉碎區和環向裂縫區貫通，形成炮孔擴孔。

在巖體受力過程中，巖體處于混合拉壓三向應力狀態[22]，其內任一點應力強度為：

式中：σi為任一點應力強度；σr為徑向應力強度；σθ為環向應力強度；σz為豎直方向應力強度。當巖體受到有效應力峰值(σi)max≥Scd時，形成粉碎區，當(σi)max≥Std形成裂隙區，其中Scd為巖體動態抗壓強度，Std為巖體動態抗拉強度。

通過上述分析可知，此聚能藥包利用螺旋管藥型罩聚能效應，提高炸藥做功能力，在孔壁形成初始導向裂縫。在氣楔和應力波的作用下，裂縫沿初始方向擴展，在射流侵徹平面貫通，最后巖體出現層裂、脫落，實現定向切縫及根底平整的目的。

4 工程應用

為測試螺旋管聚能藥包在深孔爆破中的效果，在舟山綠色石化基地圍墾區進行了試驗。此次試驗在一次臺階爆破中進行，共90 個孔，其中28 個炮孔在孔底填裝一個螺旋管藥包，上部裝填2 號巖石乳化炸藥，剩余62 個炮孔全部裝填2 號巖石乳化炸藥。起爆后，清理掉爆破產生的碎石，用載波相位差分技術(RTK)測量根底基巖三維坐標，用測點z 方向高度評判聚能藥包爆破的根底效果。分別用公式：

計算出z 方向坐標的平均值和標準差，用來表示根底平均高度和平整度。通過計算得到正常孔區域根底高度平均值和標準差分別為3.92 m 和0.32 m；聚能孔區域根底高度平均值和標準差分別為3.78 m和0.20 m。從結果可得使用聚能藥包區域根底高度的平均值和標準差比正常孔區域的分別低14 cm 和12 cm。平均值降低14 cm，證明裝填聚能藥包比正常裝藥情況下平均多打出14 cm 的深度，在工程應用中可以節省14 cm 的孔深和裝藥長度；標準差降低12 cm，證明裝填聚能藥包的根底高度比正常裝藥的接近平均高度，根底不平整度降低。故此聚能藥包既可降低前期的打孔和裝藥成本，也可降低后期根底的處理成本。

5 結 論

（1）通過鉆孔爆破試驗，對比螺旋管聚能藥包和柱狀藥包對水泥砂漿試樣的爆破結果，得出此聚能藥包提高了7.2%的炮孔利用率，提高了8.4%的擴孔率。并且聚能藥包能產生射流垂直侵徹孔壁，使孔壁產生徑向裂縫，在爆生氣體作用下使裂縫擴展，水泥砂漿試樣出現層裂、脫落，有助于產生平整根底。

（2）運用LS-DYNA 軟件對螺旋管聚能藥包侵徹混凝土進行數值模擬，得到了射流形成過程和裂縫發展過程。得到的侵徹縫形狀以及裂縫形貌和鉆孔爆破試驗結果相同，進一步印證聚能藥包可以降低根底不平整度。

（3）通過鉆孔爆破試驗和數值模擬的結果，分析了螺旋管聚能藥包爆破機理。此藥包利用圓管的聚能效應，將炸藥能量集中在垂直孔壁方向，侵徹出徑向初始導向裂縫。隨后此裂縫在氣楔作用下沿初始方向迅速擴展，最后裂縫在射流侵徹平面內貫通形成層裂，巖石脫落，從而達到根底平整的目的。

（4）將此藥包應用在舟山綠色石化基地圍墾區的深孔爆破工程。通過和正常裝藥炮孔區域根底高度作對比，得出使用聚能藥包的根底平均降低約14 cm、不平整度平均減少約12 cm。故此聚能藥包既可降低前期的打孔和裝藥成本，也可降低后期根底的處理成本。