聚能切缝药包爆破机理研究进展*

黄武虎，刘大荣，陈 浩，段应明，王建国

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院， 云南 昆明 650093；2.云南省教育厅爆破新技术工程研究中心，云南 昆明 650093；3.永善金沙矿业有限公司，云南 昭通 657000；4.玉溪矿业有限公司，云南 玉溪 653100)

0 引言

聚能切缝药包爆破是定向断裂控制爆破的重要方法之一，相较传统爆破技术，其孔间距较大，减少了在爆破器材与凿岩方面的耗费，大幅降低了对岩石的损伤，提高了围岩的稳固性，减少了超欠挖现象的发生，爆破效果良好，应用最为广泛。

早在20世纪70年代，FOURNEY等[1-2]在对一种圆管形状的药包进行切缝处理后，将其应用于岩体爆破，在药包爆炸后发现岩体内会形成定向裂缝。上述方法的原理是：药包在爆炸后，切缝方向上由于会产生压应力集中现象，因而会促使剪切应力差的形成，破坏面会沿着切缝方向延伸。

20世纪末，我国开始研究切缝药包爆破技术的现场应用以及作用机理[3]。杨永琦等[4]通过现场试验发现，聚能切缝药包在施工中效果良好，应用前景十分广阔。唐中华等[5]通过力学分析手段研究了切缝药包爆破裂纹产生的条件以及机理。张玉明等[6]根据切缝药包的现场应用和模型试验分析了切缝药包的成缝机理，介绍了制作过程和装填施工工艺，优化了切缝药包参数。杨国梁等[7]提出了“先切后掏”的概念，并采用矩形切缝药包进行了掏槽数值模拟研究，发现切缝药包掏槽爆破具有一定的可行性。李世禄等[8]开展了动焦散线实验，通过观察有机玻璃板上的实验现象发现聚能切缝药包具有聚能效应。余永强等[9]通过对比普通药包爆破和切缝药包爆破的作用效果，发现切缝药包爆破效果较佳，提高了围岩的稳固性，减轻了围岩损伤。

为了解聚能切缝药包定向断裂爆破的作用机理及其影响因素，本文对国内外相关文献进行了综述分析，并对目前遇到的问题进行了讨论。

1 切缝药包的发展历程

1.1 定向断裂控制爆破理论

定向断裂控制爆破源于传统的光面爆破技术，其在节理、裂隙较发育的岩石中具有良好的应用效果。定向断裂控制爆破目前主要分为3类：孔壁切槽定向断裂爆破、聚能药包定向断裂爆破、切缝药包定向断裂爆破。

1.1.1 孔壁切槽定向断裂爆破

在20世纪初，FOSTER等[10]提出了一种新的爆破方法，即在岩石爆破中通过预制“V”形槽的方式达到控制裂纹扩展的目的。20世纪80年代，BJARNHOLT等[11]采用断裂控制实验的方式研究了“V”形槽的药柱，得到了某些参数的值及孔压的计算结果。岳中文等[12]利用动态焦散线实验系统研究了普通掏槽和切槽孔爆破裂纹扩展的规律。杨立云等[13]采用动态焦散线实验系统研究了切槽爆破的机理，发现切槽孔在初始应力场中会改变炮孔周边的应力集中分布。切槽爆破炮孔力学模型如图1所示。

图1 切槽爆破炮孔力学模型[13]

1.1.2 聚能药包定向断裂爆破

18世纪70年代，BAADER最先提出了聚能现象。20世纪40年代，THOMANEK推动了自旋补偿药型罩的发展。20世纪80年代后，聚能装药结构得到了快速发展。HAYES[14]做了大量关于线性聚能装药的研究；罗勇等[15]通过现场试验研究了聚能药包作用机理，发现聚能药包爆破形成的切缝具有显著的定向作用，为相关理论的研究提供了借鉴；邓永兴等[16]提出了一种螺旋管聚能药包，通过数值计算和现场应用发现，相比于普通药包，该药包有效提高了炮孔利用率，爆破效果得到了极大改善且降低了施工成本。国内外学者陆续对定向断裂控制爆破进行了深入研究，尤其在聚能爆破方面做了大量的理论研究和现场试验，这为切缝药包的发展和应用奠定了基础。

1.2 切缝药包作用原理

聚能切缝药包中的切缝管的主要作用是改变炮孔壁在爆炸起始阶段的均衡性，使其发生应力集中现象，进而促使定向裂缝的形成。聚能切缝药包的实质是在管状药包上打孔或沿着药包轴线方向切缝，通过改变不同的打孔方式、钻孔数量和切缝角度，控制爆破应力场的分布范围以及爆生气体对切缝管内介质的劈尖作用和准静态作用。聚能切缝药包爆破原理如图2所示[17-18]。

图2 双向聚能张拉爆破作用原理示意图[17-18]

2 切缝药包作用下爆生裂纹扩展机理研究进展

2.1 炸药起爆至初始冲击波阶段

切缝药包主要采用点起爆方式，爆炸时爆轰波形成的球面形波阵面向周围扩展，并且总是垂直于波阵面方向传播。对于聚能切缝药包，由于爆轰气体不断膨胀，会使初始冲击波形成于切缝处(见图3)。

图3 切缝药包爆炸荷载集中过程

为了研究聚能切缝药包初始阶段的爆破机理，程兵等[19]构建了一个不耦合系数为2.0的爆破模型，研究发现药包爆炸时产生的粒子不受切缝管的约束，产生很高的速度向前运动，造成岩体的初始损伤，同时爆轰产物在切缝管内产生的膨胀作用进一步破坏了岩体内部结构。

2.2 初始裂纹形成阶段

20世纪70年代，KATSUYAMA等[20]通过观察雷管攻击聚甲基丙烯酸甲酯板而产生的裂纹表面，讨论了裂纹扩展行为，发现当炸药在材料中被引爆时，在球形应力波中环形应力的作用下，会产生径向裂纹并在爆炸点周围生长。目前普遍认为，聚能切缝药包爆破在孔壁内形成初始裂纹主要有两种方式：一是炮孔侧壁受切缝管的保护，在切缝处产生环向拉应力；二是切缝方向岩体与周围岩体在冲击波作用下形成剪应力差，孔壁受到剪应力作用后开始发生初始破坏，压力分布简图如图4所示。

图4 孔壁压力分布[5]

杨仁树等[21]利用理论公式推导了初始裂纹的形成条件，设Pd为冲击波作用在炮孔壁上的压力，Pi为孔壁受到的穿过切缝管冲击波的作用，孔壁受到的剪应力差为

τ>Sds，

(1)

τ=Pd-Pi，

(2)

Sds=σtanφ+C，

(3)

式中，τ为孔壁受到的剪应力，σ为最大环向拉应力，Sds为岩石动态强度，C为岩石动态内聚力，φ为岩石动态摩擦角。

当切缝处炮孔壁岩石发生拉伸破坏时，其破坏准则公式为

σ>Sdt，

(4)

式中，Sdt为岩石在动态条件下的单轴抗拉强度。

而径向应力与环向应力还存在如下关系：

(5)

式中，μ为岩石的泊松比；p为炮孔壁上产生的压力。

由式(2)、式(3)可知，在单孔条件下，如要使岩体受到环向拉应力作用而开裂，则炮孔压力p需要满足以下条件：

p>(1-μ)·Sdt/μ，

(6)

p>(1-μ)(C-τ)/(μ·tanφ)。

(7)

聚能切缝药包爆炸时形成的初始裂纹需满足式(6)、式(7)。

2.3 裂纹扩展阶段

应力波与爆生气体在初始裂纹形成初期就共同作用于裂纹尖端处，促进裂纹继续扩展，裂缝的扩展方向与开裂方向一致[22](见图5)。

图5 裂缝尖端附近应力状态[22]

切缝药包爆炸时，外壳会受到爆轰产物的冲击，而在切缝方向上最先受到爆轰产物直接冲击的是炮孔壁。能流本身密度大且聚集范围较小，爆轰产物在飞散时会受到外壳的阻碍，促使能流更加向切缝方向集中，从而增强了切缝方向的破坏作用，爆炸作用过程示意图如图6所示。

图6 爆炸作用过程示意图

3 切缝药包爆破机理实验研究现状

3.1 动态焦散线实验

为了更好地研究分析聚能切缝药包爆破爆生动态裂纹的扩展机理，PAPADOPOULOS等[23]结合焦散线实验系统观察了裂纹的动态扩展，而张士春等[24]设计的新型动态焦散线测试系统可以更好地观察裂纹的扩展(见图7)。

图7 动态焦散线测试系统[24]

杨仁树等[25]研究了切缝药包爆破爆生裂纹扩展距离的变化规律，发现爆炸能量会全部集中于切缝方向释放。丁晨曦等[26]研究了张开节理对切缝药包爆生裂纹扩展的影响，发现爆生裂纹的扩展会受张开节理的控制，定向裂纹在扩展时不会直接穿过张开节理，而是与其相互作用后产生两条位于节理端部的翼裂纹。岳中文等[27-30]研究了装药结构、单向围压、炮孔间距、微差时间等因素对切缝药包爆生裂纹扩展的影响，得出了不耦合装药结构会加速爆生裂纹的扩展、单向围压的加载方向会影响爆生裂纹扩展的速度和距离、炮孔间距较小时更有利于爆生裂纹的扩展、增长延迟时间可使爆生裂纹分布呈现“牵手”状的结论。李清等[31-32]研究了不同装药量下聚能切缝药包的爆生裂纹在玻璃板中的扩展规律。许鹏等[33-34]研究了不同孔数聚能切缝药包起爆时爆生裂纹在层理介质中的扩展规律，发现相比于无层理介质，在有垂直层理介质的情况下，层理与炮孔之间的距离越小，该侧炮孔处产生的裂纹受到层理的阻碍作用越大，从而会抑制爆生裂纹的扩展。

3.2 数值模拟实验研究

程兵等[35]采用LS-DYNA对复合型切缝药包进行了数值模拟实验，发现复合型切缝药包可以使爆炸产生的能量得以充分利用且减少了围岩的损伤(见图8)。魏晨慧等[36]对切缝药包在不同地应力下的裂纹扩展机制进行了数值模拟实验，发现切缝药包爆破控制裂纹扩展的作用明显，裂纹的扩展方向主要由切缝角度和最大地应力决定。尹忠昌等[37]对基于切缝药包的坚硬顶板超深孔松动预裂技术进行了数值模拟研究，发现该技术可使裂纹定向扩展范围变大，可以解决底部炮眼间距过大的问题。上述成果为定性和准定量分析研究聚能切缝药包爆破时岩石产生裂缝并使裂缝稳定发展提供了可行的方法，为爆破参数设计的合理化提供了思路和基础。

图8 切缝药包作用下炮孔周围岩体损伤演化[35]

4 聚能切缝药包影响因素研究进展

4.1 切缝宽度

切缝宽度是影响聚能切缝药包爆破效果的关键因素，在实际工程应用中，切缝宽度的取值需满足以下条件[38]：

(1)根据弹性破坏假设，炮孔壁岩石受到的线集中荷载P和炮孔壁上垂直方向的切应力σθ存在如下线性函数关系：

σθ=kP=kB×Pc≤σt，

(8)

式中，k为比例因子，B为切缝管的切缝宽度，σt为岩石的抗拉强度。

将式(8)取等号，得到切缝宽度的最大值：

(9)

随着切缝管的切缝宽度的增大，初始导向裂纹的长度随之增大，定向断裂控制爆破的效果会更好，说明利用式(9)求解切缝宽度是合理的。

(2)罗勇等[39-40]根据Fracture Dynamics of Rock理论和Mohr-Coulomb强度推导得出：

(10)

式中：a0为初始导向裂纹长度；θ为初始导向缝的夹角，θ=(π/2)-φ，φ为岩石的内摩擦角。

切缝药包工程应用结果表明，切缝宽度在3～5 mm时[41]，爆破形成的裂纹扩展最长、定向效果最好。

4.2 切缝管材质

药包包装材料会对爆炸冲击波起到一定的抑制和引导作用，因而不同材质的切缝管会影响聚能切缝药包能量的释放。张志呈等[42]采用PVCU、PPR、PVC管在水泥砂浆模型中进行了试验研究，发现不同强度和变形特性的切缝管材质是影响爆生气体压力分布的主要因素。张志雄等[43]通过模型试验研究，发现材料密度可以改善爆轰性能、外壳采用密度较大的材料爆破效果更好。杨仁树等[44]研究得出：爆炸冲击波与爆生气体在有机玻璃管、不锈钢管、PVC管抑制下的扩展形态大致相同，都表现出高度对称的特点；切缝管材质不会改变爆炸冲击波和爆生气体沿切缝方向向外扩散的特性；不锈钢管聚能效果最佳， PVC管和有机玻璃管效果一般。

4.3 不耦合系数

不同装药结构也会影响聚能切缝药包爆破的效果，从药柱直径和炮孔直径的关系角度考虑，装药结构可分为径向耦合装药和不耦合装药。就控制爆破而言，不耦合装药结构由于应力作用时间变长，能量分布均匀，故目前的聚能切缝药包主要采用该结构[45-46]。径向不耦合系数为炮孔直径与药包直径的比值，即

(11)

式中，α为不耦合系数，Dh为炮孔直径，De为药包直径。

杨仁树等[47]采用动焦散线实验系统研究得出：当α=1.67时，切缝药包爆破效果最佳。WANG等[48]采用数字激光动态焦散线实验系统分析了不同装药结构爆破时的动态断裂效应，发现当α<1.67时，随着α的增大，爆点处的气体压力、速度峰值会随之减小。胡建华[49]采用联合模拟技术模拟了不同不耦合系数聚能切缝药包裂纹扩展过程，结果表明：随着α的增大，裂隙数量反而减少，裂纹扩展长度变短；当α=1.8时，爆破效果最好。史国利等[50]通过有机玻璃板爆炸实验得出：当α>1.67后，继续增大α反而会降低聚能切缝药包爆破效果。

由上述文献可知，影响聚能切缝药包爆破效果的主要因素有切缝宽度、切缝管材质、不耦合系数。

5 结语

综合聚能切缝药包爆破作用机理和目前的研究进展，提出如下建议：

a.工程应用时应根据爆破目的适时调整管材，以降低药包辅材成本。未来一些新材料的出现可能会使切缝药包的爆破效果更优，需要广大爆破工作者继续探索与实践。

b.目前聚能切缝药包大多采用的是轴向切缝药包，而环向切缝药包技术原理和应用研究较少，这是聚能切缝药包未来发展的重要方向。

c.对聚能切缝药包机理的研究应关注爆破介质的变化，介质改变后如何设计聚能切缝药包是爆破工程技术人员应该关注的核心问题。