切缝药包定向控制爆破的试验研究

杨仁树, 左进京, 杨国梁

(1. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083;2. 深部岩土力学与地下工程重点实验室，北京 100083)

随着岩土工程与井巷工程量的增加，对定向断裂控制爆破技术的要求越来越高，切缝药包的独特结构使其在定向开采中起着非常重要的作用。Fourney等[1]采用轴向带有缝隙的管束药包，通过试验研究其定向断裂效果，并在现场中得到了应用。Wang[2]采用动态焦散线试验系统和数值模拟软件，分析了切缝药包在有机玻璃板中的定向断裂效果。Yang等[3]分析了切缝药包产生的定向裂纹起裂与止裂的断裂强度因子，并分析了裂纹与缺陷介质的相互作用规律。李清等[4]采用有机玻璃板为试验材料，研究不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。杨仁树等[5-6]利用动态加载焦散线试验系统，研究了切缝药包定向爆破作用下裂纹的扩展行为，以及相向扩展裂纹之间的相互作用关系。宋俊生等[7]采用实验室模型试验方法，研究了切缝药包对水泥砂浆的定向断裂效果。Bobet[8]给出了深埋圆形隧道锚固条件下开挖损伤区的弹性力学解析解。Hao等[9]通过数值分析得出了爆炸载荷对周围一定范围内岩体造成了损伤破坏，并观测了损伤在外界压力情况下的进一步演化。闫长斌等[10]基于声波测试原理，对爆破累积作用下巷道围岩损伤进行了现场测试，既有开挖爆破对巷道围岩的影响深度为 0.8～1.2 m。杨小林等[11]对大理石材料进行了爆破试验，分析了岩体细观裂纹扩展规律及其损伤特性，并对爆生气体驱动作用下岩体的裂纹扩展进行研究。严鹏等[12]通过对边坡爆破振动和声波测试分析，通过回归分析手段建立距不同爆心处损伤深度与质点峰值振动速度的关系。朱和玲等[13]结合岩体爆破损伤研究方法和核磁共振检测技术，研究爆破作用下岩石损伤特性，以及核磁共振成像技术定量确定岩体爆破损伤范围。

目前对切缝药包在有机玻璃板和模型试验上开展了一些研究，但切缝药包爆炸波与爆生气体作用机理还不是很清楚，基于此本文采用高速纹影系统和损伤测试技术，研究切缝药包在空气自由场中爆炸冲击波与爆生气体的扩展形态，尤其是切缝方向两者的传播机制。同时对花岗岩体进行切缝药包爆破试验，确定不同炸药量下花岗岩试件的损伤情况。试验对切缝药包爆炸波与爆生气体的传播机制进行了探讨，同时对不同药量下切缝药包对岩体的损伤范围进行了测定，对丰富切缝药包定向断裂理论提供了参考。

1 切缝药包高速纹影试验

1.1 试验系统

高速纹影试验系统组成部分如图1所示。激光器发射的线光源经过扩束镜后变成发散光，发散光经平面反射镜1入射凹面反射镜1后变成平行光，平行光携带了流场的信息，再由接收凹面反射镜2聚焦在刀口上，经刀口切去部分焦点光线后可用高速相机拍摄，获得纹影图像[14-15]。切缝药包放置在激光流场中，当炸药爆炸后，爆炸冲击波压塑空气，使得空气密度发生变化。试验时把药包放置在直径1.2 m的木箱内，木箱在光场方向上开2个窗口，以便激光能够穿过，窗口处用有机玻璃板进行防护。把高速相机放置在刀口后，高速相机的拍摄速度为100 000 fra/s。

1.2 试验方案

试验采用的切缝药包管材为不锈钢，外直径10 mm，内径6 mm，壁厚2 mm，切缝宽度2 mm。炸药为叠氮化铅(PbN6)，药量为200 mg，先把称量好的炸药装到外径5 mm的热塑管中，然后将热塑管放入到钢制切缝管中。药包长度为8 cm，有效装药长度3.4 cm。采用扭结的漆包线作为起爆探针，用功率为2 200 V的发爆器进行起爆，起爆点位于药包中心位置。采用悬吊的方式将切缝药包放置到预定位置。

图1 高速纹影系统示意图Fig.1 Sketch of high speed schlieren system

2 切缝药包爆炸波动试验结果

2.1 切缝药包爆炸波动过程

图2为切缝药包在高速纹影系统下的冲击波与爆生气体的传播过程图，其中切缝药包轴向平行于光场，这样可以直观观测到切缝药包切缝方向上冲击波与爆生气体形态与传播过程。图中的各时间点是从观测到切缝处产生冲击波时开始计时，炸药在切缝管中的爆轰传播过程并未观测到。从图中可以看出，10 μs时，切缝处开始出现冲击波，其他方向上并没有冲击波产生。20 μs时，冲击波主要沿切缝方向传播，并开始向其他方向绕流。30 μs时，爆生气体开始从切缝处溢出，此时冲击波呈对称结构分布。40 μs时，可以明显观察到切缝处的爆生气体，紧随冲击波波阵面，绕流至垂直切缝方向上冲击波开始出现叠加现象。50 μs时，冲击波和爆生气体呈对称状分布，冲击波整体形态呈以切缝方向为长轴的椭圆形分布。50～80 μs期间，爆生气体紧随冲击波后扩展，爆生气体形状类似“蝴蝶”形，80 μs以后，冲击波与爆生气体逐渐开始分离，冲击波传播速度要远大于爆生气体的传播速度，在270 μs时，爆生气体在垂直切缝方向上基本停止扩展。冲击波继续以椭圆形扩展，直至跑出视场以外，爆生气体主要以对称孪生态的形式沿切缝方向呈“一”字型扩展。

2.2 切缝药包爆炸波阵面速度

由切缝药包高速纹影试验结果，可以得到切缝药包爆炸前沿激波阵面速度和爆生气体的扩展速度，图4(a)为切缝药包切缝方向与垂直切缝方向的爆炸冲击波位移-速度图，由图可知，切缝药包切缝方向爆炸波波阵面的速度一直处于优势状态，切缝方向的波阵面速度比垂直切缝方向的速度要快，垂直切缝方向的冲击波由于其是由切缝方向冲击波绕流所致，所以在前期其速度曲线由0开始。两方向上冲击波速度衰减趋势一致，尤其在近区其速度衰减很快，中远区速度衰减加速度逐渐变缓。图4(b)为切缝药包切缝方向与垂直切缝方向的爆生气体的位移-速度曲线，从图中可以看出切缝方向爆生气体传播速度大于垂直切缝方向，垂直切缝方向爆生气体衰减加速度要大于切缝方向。

从切缝药包的爆炸波动过程中可以看出，炸药首先在切缝管中起爆产生爆轰波，爆轰波在空气中衰减为冲击波，并首先从切缝方向向外传播，其它方向处的冲击波是切缝方向冲击波绕流扩展所致。爆生气体首先沿切缝处向外扩展，并且主要沿切缝方向呈“一”字型扩展。

(a)爆炸冲击波

(b)爆生气体图4 切缝药包爆炸冲击波与爆生气体位移-速度随时间变化曲线Fig.4 Curve of slotted cartridge explosion shock waveand explosion gas displacement-speed over time

3 切缝药包岩石爆破损伤测试

3.1 试验方案与测试仪器

根据切缝药包纹影试验结果，得出切缝药包的爆炸波与爆生气体的传播特性，为了验证切缝药包破岩效果，进一步研究切缝药包定向爆破作用下岩石损伤范围的变化规律，试验材料采用花岗岩石，因为其强度大，更能说明切缝药包的定向断裂效果。花岗岩试件长200 mm，宽200 mm，高150 mm，在试验开始之前，对试件表面进行打磨，其表面光滑，确保声波探头能够完全贴合岩石表面。在试件长、宽的中心打直径12 mm、孔深10 mm的炮孔。试件尺寸如图5(a)所示。

切缝药包与纹影试验采用的药包相同，岩样的超声波测试采用Tektronix公司生产的DPO 5104B电子示波器联合Olympus脉冲发射器进行试验，声波换能器为100 kMz 非金属超声波探头，采用超声波专用耦合剂确保超声波探头与岩石试样表面紧密接触，试验测试设备如图5(b)所示。设计装药量分别为0.4 g，0.8 g，1.2 g。研究不同药量下切缝药包定向爆破作用岩石损伤范围的变化规律。文献[16]通过弹性力学相关原理建立了材料爆破损伤量与材料弹性模量、材料爆破前后波速降低率的对应关系

(1)

(a) 花岗岩试件尺寸

(b) 声波测试仪图5 花岗岩模型及声波测试仪Fig.5 Granite model and acoustic tester

式中：E0，E分别为材料受爆破载荷作用前、后的弹性模量；v0，v分别为材料损伤前、后的声波速度;D为岩体的损伤量。

根据我国《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》[17](SL 47-94)规定, 当岩体爆破前后，其声速变化率(η=1-v/v0)超过10%时，即判定岩体受到爆破损伤破坏。

3.2 测试结果及分析

沿岩石试件长和宽方向每4 cm作为一个网格点用以声波测试点，在试件表面共布置25个测点，试验开始前对原始花岗岩进行声波测速，以确定爆破前花岗岩体的声速。放置切缝药包时，把切缝方向垂直对准岩石试件的一边，采用沙子加502胶对炮孔进行封堵。

试验结果如图6所示，试验发现当药量为1.2 g时花岗岩试件沿着切缝方向发生断裂，断裂面比较平整。其它2组药量试件没有发生断裂，对这两组试件在相同测点处测其声速，按照式(1)进行转化为岩体的损伤量，如表1和表2所示。

图6 试验结果Fig.6 Experimental result

表1 装药0.4 g时岩体的损伤量Tab.1 Rock damage value when charging 0.4 g

表2 装药0.8 g时岩体的损伤量Tab.2 Rock damage value when charging 0.8 g

根据表1和表2的测试数据，采用克里金插值法对数据进行插值，做出爆破后岩石试件的损伤分布图。图7和图8为花岗岩试件的损伤分布等值线图和3D曲面图，从图中可以看出岩体在测试平面内都会产生爆破损伤，切缝药包在岩体中造成的损伤区域呈以椭圆形的状态分布，在切缝药包附近岩体损伤值更大一些，尤其在切缝方向损伤范围明显大于非切缝方向。随着药量的增大，切缝方向上的损伤范围明显增大，直至药量超过某个极限值后，岩石发生断裂。

(a) 损伤分布等值线图

(b) 3D曲面图图7 装药0.4 g时岩体的损伤分布图Fig.7 The picture of rock damage when charging is 0.4 g

(a) 损伤分布等值线图

(b) 3D曲面图图8 装药0.8 g时岩体的损伤分布图Fig.8 The picture of rock damage when charging is 0.8 g

距炮孔每隔10 mm提取切缝方向和垂直切缝方向的损伤值，做出损伤值随炮孔距离的变化曲线，如图9所示。从曲线上可以看出，在炮孔直径1.5倍的范围内，两方向上的损伤值差别不是很大，随着与炮孔间距的增大，两方向上的损伤值逐渐拉开，药量的增加对切缝方向岩体的损伤程度的影响较大。

(a) 0.4 g装药

(b) 0.8 g装药图9 切缝方向和垂直切缝方向岩体损伤量变化曲线Fig.9 The rock damage value curves of kerf widthdirection and the vertical direction

4 结 论

(1)通过采用高速纹影试验系统，对切缝药包爆炸冲击波与爆生气体进行跟踪拍摄，实现了对两者作用的分离研究，切缝药包爆炸冲击波和爆生气体从扩展形态上保持着高度对称形态。

(2)爆炸冲击波优先沿切缝方向传播，其它方向的冲击波是切缝方向冲击波绕流扩展所致，爆炸冲击波扩展形态由开始的哑铃形变为椭圆形向空气中传播。

(3)爆生气体首先从切缝处扩展，并且主要沿切缝方向呈“一”字型扩展，爆生气体在垂直切缝方向有限的范围内扩展。爆生气体开始紧随爆炸冲击波波阵面，后两者慢慢分离。

(4)切缝药包在岩体中造成的损伤区域以椭圆形的状态分布，切缝方向岩体损伤值要大于垂直切缝方向。药量的增加对切缝方向岩体的损伤程度的影响较大。

简而言之，通过对切缝药包的爆炸试验研究，得出了爆炸冲击波优先沿切缝方向释放能量，形成的“导流”作用于孔壁产生初始损伤区；高压爆生气体的准静态压力作用，促进累积损伤区继续发展，形成沿切缝方向的“射流”效应，推动裂纹持续扩展。