水耦合裝藥不耦合系數(shù)對(duì)爆破效果的影響研究*

李書萱，王雁冰，2，王寶珠，王兆陽

(1.中國礦業(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)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

如何提高炸藥能量利用率、提高爆破效果同時(shí)降低爆破成本，一直都是實(shí)際爆破作業(yè)中急需解決的問題。隨著爆破技術(shù)理論研究的日趨完善，許多不同的提高炸藥能量利用率，提高爆破效果的方法被專家學(xué)者們發(fā)現(xiàn)并發(fā)展起來。龔玖等以理論結(jié)合室內(nèi)爆破模型試驗(yàn)研究，探究了以空氣和水為不同耦合介質(zhì)時(shí)對(duì)爆破塊度的影響[1]；宗琦等以水泥砂漿試塊為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)空氣不耦合裝藥和水耦合裝藥的幾種不耦合系數(shù)下炮孔周圍介質(zhì)中爆炸應(yīng)力的分布特性進(jìn)行了研究[2]；楊躍宗等利用數(shù)值模擬軟件對(duì)徑向不耦合與軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析[3]；田浩等對(duì)以空氣和聚苯乙烯( EPS)泡沫作為介質(zhì)的徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的炸藥能量利用率進(jìn)行了對(duì)比[4]；付強(qiáng)等利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不耦合裝藥爆破的孔壁壓力變化規(guī)律進(jìn)行了分析[5]；岳中文等通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬的方法，得到了空氣不耦合裝藥爆破中的最佳不耦合系數(shù)[6]；莊又軍等以新驛煤礦硬巖巷道為工程背景，驗(yàn)證了水介質(zhì)耦合裝藥爆破的優(yōu)越性[7]；茍倩倩等對(duì)連續(xù)耦合裝藥，空氣徑向、間隔不耦合裝藥和水不耦合裝藥爆破的爆破振動(dòng)能量進(jìn)行了對(duì)比分析[8]。

綜上所述，關(guān)于徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的爆破機(jī)理與爆破效果的研究已經(jīng)日趨完善，但是關(guān)于水耦合裝藥的徑向不耦合系數(shù)對(duì)爆破效果的影響研究仍然較少，且以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主。為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到更直觀可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借鑒了Hoyoung Jeong等研究爆破荷載下脆性材料孔周圍斷裂行為的方法[9]，以透明均勻的PMMA材料作為試件，DDNP炸藥用于施加爆破載荷，使用水耦合裝藥結(jié)構(gòu)和不同的不耦合系數(shù)，利用PMMA試件孔周圍的斷裂行為來評(píng)價(jià)并對(duì)比各自的爆破作用效果。

1 不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破試驗(yàn)

1.1 試件

試驗(yàn)采用PMMA，全稱聚甲基丙烯酸甲酯，又稱作亞克力、有機(jī)玻璃，具有高透明度，易于機(jī)械加工等特點(diǎn)。由于PMMA高透明度的特性，使其在爆破試驗(yàn)中的斷裂行為更容易被觀察記錄，因此PMMA被廣泛用于研究爆破加載過程中的裂紋擴(kuò)展行為。在試驗(yàn)中準(zhǔn)備了三個(gè)圓柱形PMMA試件，并在每個(gè)試件的中心鉆了一個(gè)小孔，試件與小孔的尺寸等數(shù)據(jù)見表1，PMMA材料物理性質(zhì)參數(shù)見表2。

表 1 試件規(guī)格參數(shù)表

表 2 PMMA材料性質(zhì)參數(shù)表

1.2 爆炸物及起爆器

試驗(yàn)使用DDNP(二硝基重氮酚)炸藥作為爆炸物，固定裝藥量為40 mg，使用數(shù)字式高能脈沖起爆器進(jìn)行起爆。DDNP炸藥的爆炸特性參數(shù)見表3。

表 3 DDNP爆炸特性參數(shù)表

1.3 試件試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)使用水耦合裝藥結(jié)構(gòu)，將3個(gè)相同規(guī)格(250 mm×200 mm)的試件分別編號(hào)為“1、2、3”，其中試件1、2、3的孔徑分別為7 mm、6 mm、8 mm。分別將40 mg DDNP炸藥填裝入直徑為5 mm、3 mm、3 mm的透明吸管中，將金屬導(dǎo)線埋入炸藥中，最后用棉花堵塞吸管，然后將這三根吸管對(duì)應(yīng)放入1、2、3號(hào)試件的小孔下部，并在周圍灌入水，使水位距孔底50 mm，然后用沙子堵塞小孔，試驗(yàn)前圖片見下圖1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

在試驗(yàn)過程中，可以觀察到爆炸開始后，由于炸藥的膨脹，爆炸孔的半徑瞬間增大，首先在炮孔壁底部形成并傳播了一個(gè)錐形斷裂破碎區(qū)，并在破碎區(qū)的半徑擴(kuò)展到一定長度后，炮孔壁附近出現(xiàn)突出的徑向裂紋，這主要是由應(yīng)力波的傳播而引起的。徑向裂紋在爆生氣體膨脹作用下繼續(xù)擴(kuò)展并形成耳型裂紋。試件1、2、3的試驗(yàn)結(jié)果每60°選取一張圖片作為代表，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。其中，選取試件1的一張圖片作為代表來展示應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)所形成的破碎區(qū)以及爆生氣體驅(qū)動(dòng)形成的耳型裂紋，見圖3。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，試件1、2、3均有3條爆生氣體驅(qū)動(dòng)的徑向裂紋的半徑大于試件半徑，從而導(dǎo)致試件被炸裂成3塊，根據(jù)試驗(yàn)后試件頂、底部照片來看，不耦合系數(shù)為2.0和2.67時(shí)3條貫通裂縫的夾角各自成近120°，即試件近似被炸裂為3等分，而不耦合系數(shù)為1.4時(shí)，試件明顯被炸裂為1大2小的三塊，說明不耦合系數(shù)為2.0和2.67時(shí)，爆炸對(duì)孔壁的壓力更均勻。試件頂、底部圖片見圖4。

除了貫通裂縫，爆后試件內(nèi)部還有未貫通的徑向裂縫。經(jīng)計(jì)數(shù)，試件1內(nèi)部約有6道未貫通徑向裂紋，裂紋大多數(shù)沿垂直于孔壁發(fā)展或沿炮孔壁向下發(fā)展；試件2內(nèi)部約有8道未貫通徑向裂紋，和試件1中裂紋類似，大多數(shù)沿垂直于孔壁發(fā)展或沿炮孔壁向下發(fā)展，但耳型裂紋的直徑略短；試件3內(nèi)部約有9道未貫通徑向裂紋，裂紋多呈發(fā)射狀，長度較長。同時(shí)從圖中可以看出，當(dāng)不耦合系數(shù)為2.67時(shí)，爆后試件的裂紋每60°分布較為均勻，而另外兩個(gè)分布差異性較大。

除了裂紋外，還可以通過沖擊波驅(qū)動(dòng)裂紋所形成的破碎區(qū)底部直徑大小進(jìn)行分析。爆炸后試件底部可以看到破碎區(qū)底部區(qū)域，見圖5。爆后試件的裂紋及破碎區(qū)參數(shù)見表4。

圖 5 爆后試件破碎區(qū)直徑Fig. 5 Diameter of fracture zone

表 4 爆后試件裂紋及破碎區(qū)參數(shù)表

在PMMA模型試驗(yàn)爆破的過程中會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓從而產(chǎn)生粉碎區(qū)，爆破沖擊波階段，一部分能量用于產(chǎn)生這個(gè)粉碎區(qū)，另一部分則用來產(chǎn)生裂隙，所以粉碎區(qū)體積的大小從一定程度上可以反映爆破過程中沖擊能量的大小。粉碎區(qū)的體積可以近似認(rèn)為是圓柱體，不耦合系數(shù)對(duì)粉碎區(qū)體積的影響，可以認(rèn)為是通過對(duì)粉碎區(qū)的直徑和高度的影響來影響粉碎區(qū)體積的。米中陽等通過模型試驗(yàn)證明在水耦合裝藥下[10]，不耦合系數(shù)對(duì)粉碎區(qū)的高度影響并不顯著，主要是通過影響粉碎區(qū)的直徑來影響粉碎區(qū)的體積。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)不耦合系數(shù)為1.4和2.0時(shí)，破碎區(qū)底部直徑約為35 mm；當(dāng)不耦合系數(shù)提升至2.67時(shí)，破碎區(qū)底部直徑減小到29.6 mm。綜上可以分析出，當(dāng)不耦合系數(shù)為2.67時(shí)，爆破能量用于粉碎試件的那部分占比減小了，更多的爆破能量用于產(chǎn)生徑向裂紋，擴(kuò)展了裂隙區(qū)的面積，同時(shí)，不耦合系數(shù)為2.67時(shí)，爆破產(chǎn)生的徑向裂紋的方位、長度更加均勻，能產(chǎn)生更好的爆破效果。因此通過該實(shí)驗(yàn)可以得出，在1.4、2.0、2.67這幾個(gè)不耦合系數(shù)中，水耦合裝藥的最佳不耦合系數(shù)應(yīng)在2.67左右,該結(jié)果與林哲等利用ANSYS/LS-DYNA 軟件得到的在爆破水耦合裝藥下的最佳不耦合系數(shù)(為2.6)基本相符[11]。

3 結(jié)論

通過PMMA試件模型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了不同不耦合系數(shù)下的水耦合裝藥模型爆破實(shí)驗(yàn)，分析了水耦合裝藥不耦合系數(shù)對(duì)爆破效果的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)水耦合裝藥爆破的不耦合系數(shù)增大，徑向裂紋的數(shù)量會(huì)增多且分布更均勻。

(2)水耦合裝藥爆破的不耦合系數(shù)增大，使破碎區(qū)減小，裂隙區(qū)擴(kuò)大，避免過度破碎而浪費(fèi)能量。

(3)水耦合裝藥爆破效果達(dá)到最佳的不耦合系數(shù)應(yīng)在2.67左右，可以為以后的工程實(shí)踐提供理論支持。