楊仁樹, 左進(jìn)京, 楊國(guó)梁

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2. 深部巖土力學(xué)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

隨著巖土工程與井巷工程量的增加，對(duì)定向斷裂控制爆破技術(shù)的要求越來(lái)越高，切縫藥包的獨(dú)特結(jié)構(gòu)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(guò)試驗(yàn)研究其定向斷裂效果，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了應(yīng)用。Wang[2]采用動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)值模擬軟件，分析了切縫藥包在有機(jī)玻璃板中的定向斷裂效果。Yang等[3]分析了切縫藥包產(chǎn)生的定向裂紋起裂與止裂的斷裂強(qiáng)度因子，并分析了裂紋與缺陷介質(zhì)的相互作用規(guī)律。李清等[4]采用有機(jī)玻璃板為試驗(yàn)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(kuò)展規(guī)律。楊仁樹等[5-6]利用動(dòng)態(tài)加載焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了切縫藥包定向爆破作用下裂紋的擴(kuò)展行為，以及相向擴(kuò)展裂紋之間的相互作用關(guān)系。宋俊生等[7]采用實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)方法，研究了切縫藥包對(duì)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(qū)的彈性力學(xué)解析解。Hao等[9]通過(guò)數(shù)值分析得出了爆炸載荷對(duì)周圍一定范圍內(nèi)巖體造成了損傷破壞，并觀測(cè)了損傷在外界壓力情況下的進(jìn)一步演化。閆長(zhǎng)斌等[10]基于聲波測(cè)試原理，對(duì)爆破累積作用下巷道圍巖損傷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，既有開挖爆破對(duì)巷道圍巖的影響深度為 0.8～1.2 m。楊小林等[11]對(duì)大理石材料進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，分析了巖體細(xì)觀裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其損傷特性，并對(duì)爆生氣體驅(qū)動(dòng)作用下巖體的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究。嚴(yán)鵬等[12]通過(guò)對(duì)邊坡爆破振動(dòng)和聲波測(cè)試分析，通過(guò)回歸分析手段建立距不同爆心處損傷深度與質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的關(guān)系。朱和玲等[13]結(jié)合巖體爆破損傷研究方法和核磁共振檢測(cè)技術(shù)，研究爆破作用下巖石損傷特性，以及核磁共振成像技術(shù)定量確定巖體爆破損傷范圍。

目前對(duì)切縫藥包在有機(jī)玻璃板和模型試驗(yàn)上開展了一些研究，但切縫藥包爆炸波與爆生氣體作用機(jī)理還不是很清楚，基于此本文采用高速紋影系統(tǒng)和損傷測(cè)試技術(shù)，研究切縫藥包在空氣自由場(chǎng)中爆炸沖擊波與爆生氣體的擴(kuò)展形態(tài)，尤其是切縫方向兩者的傳播機(jī)制。同時(shí)對(duì)花崗巖體進(jìn)行切縫藥包爆破試驗(yàn)，確定不同炸藥量下花崗巖試件的損傷情況。試驗(yàn)對(duì)切縫藥包爆炸波與爆生氣體的傳播機(jī)制進(jìn)行了探討，同時(shí)對(duì)不同藥量下切縫藥包對(duì)巖體的損傷范圍進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)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(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

高速紋影試驗(yàn)系統(tǒng)組成部分如圖1所示。激光器發(fā)射的線光源經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后變成發(fā)散光，發(fā)散光經(jīng)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(chǎng)的信息，再由接收凹面反射鏡2聚焦在刀口上，經(jīng)刀口切去部分焦點(diǎn)光線后可用高速相機(jī)拍攝，獲得紋影圖像[14-15]。切縫藥包放置在激光流場(chǎng)中，當(dāng)炸藥爆炸后，爆炸沖擊波壓塑空氣，使得空氣密度發(fā)生變化。試驗(yàn)時(shí)把藥包放置在直徑1.2 m的木箱內(nèi)，木箱在光場(chǎng)方向上開2個(gè)窗口，以便激光能夠穿過(guò)，窗口處用有機(jī)玻璃板進(jìn)行防護(hù)。把高速相機(jī)放置在刀口后，高速相機(jī)的拍攝速度為100 000 fra/s。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的切縫藥包管材為不銹鋼，外直徑10 mm，內(nèi)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(zhǎng)度為8 cm，有效裝藥長(zhǎng)度3.4 cm。采用扭結(jié)的漆包線作為起爆探針，用功率為2 200 V的發(fā)爆器進(jìn)行起爆，起爆點(diǎn)位于藥包中心位置。采用懸吊的方式將切縫藥包放置到預(yù)定位置。

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

2 切縫藥包爆炸波動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 切縫藥包爆炸波動(dòng)過(guò)程

圖2為切縫藥包在高速紋影系統(tǒng)下的沖擊波與爆生氣體的傳播過(guò)程圖，其中切縫藥包軸向平行于光場(chǎng)，這樣可以直觀觀測(cè)到切縫藥包切縫方向上沖擊波與爆生氣體形態(tài)與傳播過(guò)程。圖中的各時(shí)間點(diǎn)是從觀測(cè)到切縫處產(chǎn)生沖擊波時(shí)開始計(jì)時(shí)，炸藥在切縫管中的爆轟傳播過(guò)程并未觀測(cè)到。從圖中可以看出，10 μs時(shí)，切縫處開始出現(xiàn)沖擊波，其他方向上并沒有沖擊波產(chǎn)生。20 μs時(shí)，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(shí)，爆生氣體開始從切縫處溢出，此時(shí)沖擊波呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布。40 μs時(shí)，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(xiàn)疊加現(xiàn)象。50 μs時(shí)，沖擊波和爆生氣體呈對(duì)稱狀分布，沖擊波整體形態(tài)呈以切縫方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓形分布。50～80 μs期間，爆生氣體緊隨沖擊波后擴(kuò)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(yuǎn)大于爆生氣體的傳播速度，在270 μs時(shí)，爆生氣體在垂直切縫方向上基本停止擴(kuò)展。沖擊波繼續(xù)以橢圓形擴(kuò)展，直至跑出視場(chǎng)以外，爆生氣體主要以對(duì)稱孿生態(tài)的形式沿切縫方向呈“一”字型擴(kuò)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(yàn)結(jié)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(kuò)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(yōu)勢(shì)狀態(tài)，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(shì)一致，尤其在近區(qū)其速度衰減很快，中遠(yuǎn)區(qū)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(dòng)過(guò)程中可以看出，炸藥首先在切縫管中起爆產(chǎn)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(kuò)展所致。爆生氣體首先沿切縫處向外擴(kuò)展，并且主要沿切縫方向呈“一”字型擴(kuò)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(shí)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(cè)試

3.1 試驗(yàn)方案與測(cè)試儀器

根據(jù)切縫藥包紋影試驗(yàn)結(jié)果，得出切縫藥包的爆炸波與爆生氣體的傳播特性，為了驗(yàn)證切縫藥包破巖效果，進(jìn)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(guī)律，試驗(yàn)材料采用花崗巖石，因?yàn)槠鋸?qiáng)度大，更能說(shuō)明切縫藥包的定向斷裂效果?；◢弾r試件長(zhǎng)200 mm，寬200 mm，高150 mm，在試驗(yàn)開始之前，對(duì)試件表面進(jìn)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(zhǎng)、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(yàn)采用的藥包相同，巖樣的超聲波測(cè)試采用Tektronix公司生產(chǎn)的DPO 5104B電子示波器聯(lián)合Olympus脈沖發(fā)射器進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)測(cè)試設(shè)備如圖5(b)所示。設(shè)計(jì)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(guī)律。文獻(xiàn)[16]通過(guò)彈性力學(xué)相關(guān)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(duì)應(yīng)關(guān)系

(1)

(a) 花崗巖試件尺寸

(b) 聲波測(cè)試儀圖5 花崗巖模型及聲波測(cè)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(jù)我國(guó)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》[17](SL 47-94)規(guī)定, 當(dāng)巖體爆破前后，其聲速變化率(η=1-v/v0)超過(guò)10%時(shí)，即判定巖體受到爆破損傷破壞。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

沿巖石試件長(zhǎng)和寬方向每4 cm作為一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)用以聲波測(cè)試點(diǎn)，在試件表面共布置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)開始前對(duì)原始花崗巖進(jìn)行聲波測(cè)速，以確定爆破前花崗巖體的聲速。放置切縫藥包時(shí)，把切縫方向垂直對(duì)準(zhǔn)巖石試件的一邊，采用沙子加502膠對(duì)炮孔進(jìn)行封堵。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)藥量為1.2 g時(shí)花崗巖試件沿著切縫方向發(fā)生斷裂，斷裂面比較平整。其它2組藥量試件沒有發(fā)生斷裂，對(duì)這兩組試件在相同測(cè)點(diǎn)處測(cè)其聲速，按照式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化為巖體的損傷量，如表1和表2所示。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental result

表1 裝藥0.4 g時(shí)巖體的損傷量Tab.1 Rock damage value when charging 0.4 g

表2 裝藥0.8 g時(shí)巖體的損傷量Tab.2 Rock damage value when charging 0.8 g

根據(jù)表1和表2的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用克里金插值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)試平面內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生爆破損傷，切縫藥包在巖體中造成的損傷區(qū)域呈以橢圓形的狀態(tài)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(guò)某個(gè)極限值后，巖石發(fā)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(shí)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(shí)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(nèi)，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(duì)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(jié) 論

(1)通過(guò)采用高速紋影試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)切縫藥包爆炸沖擊波與爆生氣體進(jìn)行跟蹤拍攝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(kuò)展形態(tài)上保持著高度對(duì)稱形態(tài)。

(2)爆炸沖擊波優(yōu)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(kuò)展所致，爆炸沖擊波擴(kuò)展形態(tài)由開始的啞鈴形變?yōu)闄E圓形向空氣中傳播。

(3)爆生氣體首先從切縫處擴(kuò)展，并且主要沿切縫方向呈“一”字型擴(kuò)展，爆生氣體在垂直切縫方向有限的范圍內(nèi)擴(kuò)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(qū)域以橢圓形的狀態(tài)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(duì)切縫方向巖體的損傷程度的影響較大。

簡(jiǎn)而言之，通過(guò)對(duì)切縫藥包的爆炸試驗(yàn)研究，得出了爆炸沖擊波優(yōu)先沿切縫方向釋放能量，形成的“導(dǎo)流”作用于孔壁產(chǎn)生初始損傷區(qū)；高壓爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用，促進(jìn)累積損傷區(qū)繼續(xù)發(fā)展，形成沿切縫方向的“射流”效應(yīng)，推動(dòng)裂紋持續(xù)擴(kuò)展。