爆破荷載下膠結充填體裂紋擴展規律研究

喻圓圓 劉躍 隋顯毅 吳霄

【摘? 要】為探究爆破荷載下膠結充填體的裂紋擴展規律，論文基于高速攝影技術對強度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結充填體模型進行觀測，得到該強度下膠結充填體的裂紋擴展長度為18cm，裂紋擴展持續時間為30.4ms，裂紋初始擴展速度為2.85×103cm/s。

【Abstract】In order to explore the crack propagation law of cementing backfill body under blasting load， the paper observes the cementing backfill body model with a strength of 0.45MPa （the cement addition is 100kg/m3） based on the high-speed photography technology. It is concluded that the crack propagation length of the cementing backfill body at this strength is 18cm， the crack propagation duration is 30.4ms， and the initial crack propagation speed is 2.85×103cm/s.

【關鍵詞】爆破;膠結充填體;裂紋;高速攝影

【Keywords】blasting; cementing backfill body; crack; high-speed photography

【中圖分類號】TD235;TD853? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0175-02

1 引言

高速攝影技術作為一種無需直接測量的研究手段，現已廣泛應用于科研試驗中，由于炸藥爆炸是一個短暫瞬時、無法用肉眼觀測到的過程，要想對此次爆破過程有清楚直觀的認識，高速攝影技術無疑是首選的研究手段。

就爆破領域而言，學者司劍峰等[1]對素混凝土模型進行模型試驗研究，通過高速攝影拍攝模型破碎過程，所拍攝圖片應用MATLAB平臺進行識別，以此來確定炮孔間最佳延期時間;杜博軍等[2]應用高速攝影儀數據采集及視覺測量解算軌跡的方法得到爆破作用下靜爆破片的速度衰減系數;李祥龍等[3]利用高速攝影儀拍攝球形藥包作用下爆破漏斗自由面鼓包運動軌跡，得到鼓包運動輪廓、表面中心位移以及速度分布;何理等[4]應用高速攝影儀及超動態應變儀對毫秒延期爆破進行檢測，以此得出臺階自由面裂紋擴展規律、延期時間對邊坡表面應力峰值、內部應力場疊加的影響大小;李清等[5]為解決三維模型爆破試驗中裝藥結構問題，采用高速攝影儀和超動態應變儀研究模擬臺階爆破的水泥砂漿模型破裂過程;Wu Liwei等[6]利用高速攝影儀拍攝爆破荷載作用下夾層玻璃破碎的全過程速度變化;Radzuan等[7]通過三維數字圖像相關技術和高速攝影相結合的研究手段研究爆破荷載狀態下不同曲率半徑碳纖維復合材料板的動態響應。

故本文應用高速攝影技術對爆破過程中模型實驗中模擬礦體、膠結充填體的裂紋擴展進行觀測并加以分析。

2 模型制作

2.1 模具制作

本次模型試驗的模具設計為長2m、寬0.4m、高度0.4m的長方體，針對性制作2個大型模具，模具內部用于盛放膠結充填體。其中模具相同，其設計圖、實物分別如圖1、圖2所示。

2.2 材料砂漿選擇

充填材料配比以礦山現有配比為基礎，試驗采用100kg/m3配比，試驗采場強度和模型試驗中充填體強度一致，具體參數如表1所示。

3 試驗藥量選擇

對于膠結充填體爆破藥量選擇的原則：炸藥爆炸后膠結充填體上裂紋未貫穿;故本文選取強度為0.45MPa的膠結充填體（水泥添加量為100kg/m3）進行藥量測試實驗，實驗選取1枚導爆管雷管（裝藥為梯恩梯TNT）約為1.07g梯恩梯當量，5cm導爆索（裝藥為黑索金RDX）該導爆索每米裝藥量裝藥密度約為10.5g，查閱相關文獻[8]黑索金RDX的爆力值ARDX為480mL，梯恩梯TNT爆力值ATNT為285mL，某礦山爆破作業所使用巖石乳化炸藥的爆力值AE為320mL，換算系數k=AE/ATNT+AE/ARDX。經計算藥量為1.54g，并對模型（強度為0.45MPa）中的膠結充填體進行爆破試驗，試驗效果如圖3a所示。由此可見，藥量選擇過大，充填體裂紋貫穿，針對此爆破效果將爆破使用藥量進行調整，更改為1枚雷管，根據換算系數k=AE/ARDX推算藥量為1.2g，并對模型（強度為0.45MPa）中膠結充填體進行爆破，爆破后膠結充填體裂紋未貫穿，故將膠結充填體爆破藥量選為1枚雷管，其中爆破后效果如圖3b所示。

4 高速攝影儀觀測

4.1 高速攝影儀器簡介

為研究爆破過程中，模擬礦體及膠結充填體的裂紋擴展規律，此次模型試驗選擇MotionPro-Y7型高速攝影儀進行觀測，其最大分辨率為1920×1080，最大拍攝頻率為9000fps。為防止在拍攝過程中由于飛石對儀器造成損壞，額外定制鋼化玻璃對儀器進行保護，由于井下光線較暗，為使觀測更清晰，此次模型實驗選擇了2個強光燈提供光源、反光板使光源盡可能地集中在需要觀測的位置。

4.2 高速攝影儀拍攝結果及分析

對爆破過程中膠結充填體裂紋擴展速度進行記錄并分析，如圖4所示。

通過對強度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結充填體進行高速觀測，可知：在12261幀時，膠結充填體表面1#宏觀裂紋出現。在12275幀時，1#裂紋開始進一步擴展，由于高速攝影儀幀率設置為8000幀/s，故12260～12275幀經過時間為1.75ms，裂紋擴展長度為5cm，計算可知此段時間內，裂紋擴展速度為2.85103cm/s。在12364幀時，膠結充填體表面有2#、3#裂紋出現，但由于3#裂紋拍攝較為模糊，無法判斷12275～12364幀過程中裂紋擴展長度，故在此不進行贅述。而1#裂紋又進一步擴展，12275～12364幀經過時間為11.125ms，縱向裂紋擴展長度為5cm，此時1#裂紋擴展速度為0.45103cm/s。2#裂紋在此時間段內擴展長度為12.2cm，經計算2#裂紋擴展速度為1.10103cm/s。12504幀為爆破荷載下膠結充填體的最終形態，此時膠結充填體表面所有裂紋擴展完全，12364～12504幀經過時間為17.5ms，炮孔1#裂紋擴展長度為6.3cm，此時1#裂紋擴展速度為0.36103cm/s。2#裂紋在此時間段內擴展長度為5.8cm，則2#裂紋擴展速度為0.33103cm/s。

綜上所述，1#裂紋作為強度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結充填體表面首先出現的裂紋，其最終裂紋擴展長度達16.3cm，由圖4d可知，在12504幀時，裂隙尖端的應力值小于充填體抗拉強度，裂紋終止擴展;而2#裂紋作為爆破荷載下一段時間萌生出的新裂紋，裂紋長度可達18 cm，由于2#裂紋距離自由面較近，所能承受破壞的強度較低，較1#裂紋而言，其裂紋擴展長度更長，在擴展過程中2#裂紋作為萌生裂紋，因應力波進行衰減，又會出現裂紋衰減速度更快的情況。

5 結論

本文以模型試驗為基礎，采用高速攝影儀觀測爆破荷載下強度為0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的膠結充填體，得到以下結論：

①試驗所需藥量為1.2g。②膠結充填體上表面共出現2條裂紋。③膠結充填體裂紋擴展長度為18cm，裂紋擴展持續時間為30.4ms，裂紋初始擴展速度為2.85103cm/s。

【參考文獻】

【1】司劍峰，鐘東望，涂圣武，等.爆破裂紋形態統計的圖像特征提取技術研究[J].金屬礦山，2018（3）：146-150.

【2】杜博軍，劉澤慶，王亞林，等.基于高速攝影視覺測量的靜爆破片運動參數測試方法[J].爆炸與沖擊，2019，39（9）：114-120.

【3】李祥龍，胡濤，張智宇，等.基于高速攝影技術爆破鼓包運動規律的研究[J].北京理工大學學報，2015，35（12）：1228-1232.

【4】何理，鐘冬望，李琳娜，等.巖體爆破綜合實驗研究系統及其應用[J].礦冶工程，2017，37（2）：36-39.

【5】李清，王漢軍，楊仁樹.多孔臺階爆破破裂過程的模型試驗研究[J].煤炭學報，2005（5）：34-37.

【6】Wu Liwei，Wang Lei，Huang Dan，et al.An ordinary state-based peridynamic modeling for dynamic fracture of laminated glass under low-velocity impact[J].Composite Structures，2020，234（C）.

【7】Nabilah Afiqah Mohd Radzuan，Abu Bakar Sulong，Mahendra Rao Somalu，et al.Fibre orientation effect on polypropylene/milled carbon fiber composites in the presence of carbon nanotubes or graphene as a secondary filler： Application on PEM fuel cell bipolar plate[J].International Journal of Hydrogen Energy，2019，44（58）：30618-30626.

【8】胡啟文.精確延時數（單）孔一響預裂爆破試驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2018.