螺旋管聚能药包根底光面爆破机理研究及应用*

2020-04-09邓永兴张中雷管志强杨中树马宏昊沈兆武

爆炸与冲击 2020年1期

邓永兴，张中雷，管志强，杨中树，马宏昊,3，沈兆武

（1. 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥 230026；2. 大昌建设集团有限公司，浙江舟山 316021；3. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230026）

自20 世纪50 年代，光面爆破技术在瑞典兴起以来，随后在各国广泛应用。相对于普通爆破，光面爆破后巷道或硐室成型质量有较大改观，但围岩损伤仍较严重，轮廓不平整度大，尤其在软弱破碎岩体中问题更为突出，根底超欠挖严重，在一定程度上限制了该技术的应用与发展[1-3]。针对这种现状，国内外很多学者做了相关研究并取得很好的成果。切缝管状药包是实现光面爆破的新思路，从1978 年Fourney 等[4]提出了切缝管状药包后，此技术在我国也得到了大力地推广并做了很多研究。杨仁树等[5-6]通过动光弹爆炸加载实验和井巷爆破实验获得了切缝药包用于钻孔爆破时岩石产生裂纹及发展过程和爆破后光面效果。何满潮等[7-8]研究了双向聚能拉伸爆破技术，该技术施工工艺简单易于在工程中推广使用。但这些技术仅能减轻周边孔的超欠挖问题，不能解决根底光面爆破问题。针对根底光面爆破问题，Singh 等[9]通过对药包破岩机理分析，提出了通过减小抵抗线、增加超深来降低根底不平整；刘亮[10]等通过数值模拟研究了起爆方式对台阶爆破根底影响，得出正向起爆有利于减小根底高度差。这些研究对根底光面爆破有重要指导意义，但未能提高炸药做功能力仍会形成爆破漏斗，存在缺陷。在运用聚能射流方面，李晓杰等[11]等提出了一种深孔爆破聚能平底弹，通过在孔底加装多个线性聚能药型罩对孔壁进行横向侵彻，进而达到根底光面爆破效果；Chen 等[12]提出了在孔内使用环形聚能药包对孔壁进行横向侵彻，并做了相关实验。但这些研究未进行工程试验及效果分析，且这些方式成本较高，操作繁琐，未能广泛推广使用。

针对上述爆破方式的缺陷，本文研究了一种螺旋管聚能药包，其由圆管紧密螺旋制成药型罩，并在螺旋管围成的空腔内装填炸药而制成。此药包利用圆管的聚能效应，提高了炸药做功能力和根底光面爆破效果。

1 钻孔爆破试验

1.1 试验装置及方案

为验证螺旋管聚能药包的定向侵彻孔壁和聚能作用，设计了钻孔爆破试验方案，其主要包括加钢管约束的水泥砂浆试样和药包。其中药包有普通柱状药包和螺旋管聚能药包；水泥砂浆试样是在钢管内浇筑水泥沙浆制成，钢管不但保证试件成型后具有高强度，还可削弱模型的边缘效应[13]。试验装置如图1 所示。

(1)药包装药结构

试验所用聚能药包的药型罩由圆管紧密螺旋而成，在螺旋管围成空腔内装填炸药，并在炸药端面中心固定雷管。金属铝具有延展性、柔韧性、易加工且工程造价低，试验采用铝管制作药型罩。试验采用黑索金作为聚能药包主装药，其机械感度低、能量高、爆速高。钻孔爆破试验在爆炸罐内进行，不宜采用大尺寸装药。药型罩所用铝圆管外径5 mm，管壁厚1.2 mm，螺旋管所围空腔直径20 mm，共4 匝，炸药共9 g，装药密度约为1.4 g/cm3。为得到药包加装螺旋管药型罩与不加装药型罩爆破效果的差异，设计普通药柱对比试验。对比试验中控制有无药型罩单一变量，对比聚能药包尺寸，设计普通圆柱状药包由铝箔作为外壳，其内径20 mm，内部装填高20 mm 的黑索金，共9 g。两种药包结构如图2所示。

图 1 试验装置Fig. 1 Experimental apparatus

(2)试样设计

所用约束钢管直径为200 mm、高为300 mm；内部装填水泥砂浆，其中500#普通硅酸盐水泥、砂子和水的质量配比为1∶2∶0.4；室外养护超3 个月，在水泥砂浆端面中心钻孔，孔深80 mm，孔径36 mm。

1.2 试验结果

爆破后根底如图3 所示。对爆破根底测量得出螺旋管聚能药包试样炮孔利用率为64.3%，柱状药包试样炮孔利用率为57.1%，螺旋管聚能药包试样的炮孔利用率提高了7.2%。在螺旋管聚能爆破试样中，有以炮孔为内径，外径约为110 mm 的环形平整区，即图3(b)中红线区域，区域内根底高度差小于3 mm，而柱状药包爆破试样无平整区。

爆破后残留炮孔如图4 所示。螺旋管聚能药包试样残留炮孔直径扩大为51.5 mm，扩孔率约为43.1%，柱状药包试样残留炮孔直径扩大为48.5 mm，扩孔率约为34.7%，螺旋管聚能药包扩孔率提高了8.4%，说明螺旋管聚能药包对孔壁做功更大，具有聚能效果。柱状药包爆破试样孔内壁呈圆柱形，而螺旋管聚能爆破试样的残留炮孔孔壁有螺旋形侵彻缝，侵彻缝上有铝屑残余，说明有金属射流产生。其中最上面侵彻缝较深，水泥砂浆试样出现层裂，说明聚能药包能产生射流垂直侵彻孔壁，致使水泥砂浆试样出现侵彻缝，进而在侵彻缝水平面形成层裂、脱落，实现根底光面爆破。

图 2 药包结构Fig. 2 Structure of explosive charge

图 3 爆破根底结果Fig. 3 Results of root bottoms

图 4 爆破残留炮孔结果Fig. 4 Results of residual boreholes

2 侵彻过程数值模拟

螺旋管聚能药包钻孔爆破过程复杂且迅速，不易直接观测，因此采用LS-DYNA 软件对螺旋管聚能药包侵彻过程进行模拟。计算模型由炸药、混凝土、铝管和空气组成，炸药、铝管和空气采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE 算法，混凝土采用拉格朗日算法。混凝土与炸药、空气、铝管之间采用流固耦合接触算法。整个模型采用cm-g-µs 单位制。

2.1 计算模型

建立计算模型时，药包结构不对称，模型复杂不易建立。因环形圆管药型罩与螺旋圆管药型罩作用原理相同，故可将螺旋管药型罩简化为环形圆管药型罩，此时模型为轴对称结构，取一匝圆管的四分之一建立模型，如图5 所示。为模拟混凝土爆炸破坏，引入失效关键字MAT_ADD_EROSION，当混凝土单元受到拉应力为1.54 MPa 或压应力为17.4 MPa时[14]，单元失效被删除。

模型中黑索金炸药采用高能燃烧(High-Explosive-Burn)本构模型及其Jones-Wikins-Lee(JWL) 状态方程；药型罩采用铝的Johnson-Cook 材料模型及其Grüneison 状态方程；空气采用空材料模型及其Grüneison 状态方程；混凝土靶板采用Johnson-Holmquist-Concrete (JHC)本构模型。

2.2 计算结果

图 5 计算模型Fig. 5 Calculation model

射流形成过程如图6 所示，炸药起爆后爆轰波在炸药内传播；爆轰波传到炸药一侧的管壁时管壁被压垮，顶部出现外翻；随后管壁金属粒子在爆轰波的作用下向轴线方向运动；由于圆管的对称性，运动的金属粒子垂直于轴线方向的速度相互抵消，从而形成沿轴线方向运动的射流；最后高速运动的金属射流穿过背离炸药一侧的管壁继续运动。

图 6 射流形成过程Fig. 6 Process of jet formation

当高速运动的金属射流撞击孔壁时，混凝土产生破坏，过程如图7 所示。射流作用于孔壁，混凝土受到远大于其抗压强度的压应力而被压碎，并有应力波向远处传播。随着射流继续侵彻，炮孔内壁被侵彻出垂直于孔壁方向的初始导向裂缝。当应力波向周围传播到达侵彻缝附近孔壁时，在空气-混凝土界面反射大于混凝土抗拉强度的拉应力，混凝土被破坏。孔壁混凝土径向受压收缩，释放弹性能，在环向上受到拉应力，当此拉应力大于混凝土抗拉强度时产生环向裂缝[15]，如图7 中t=13.4 µs 时混凝土上表面。在应力波作用下和应力集中效应，裂缝逐渐扩展。最后射流速度和应力都逐渐衰减，裂缝停止扩展呈发射状，如图7 中t=20 µs，同时也印证了试验结果图3(b)。

3 结果分析与讨论

3.1 射流侵彻分析

在螺旋管围成的空腔装填炸药后，靠近炸药一侧管壁有一半嵌入到炸药中，此部分管壁充当聚能药型罩。此药型罩形成射流原理与半球形药型罩相似，药包起爆后，爆轰波到达管壁时，管壁被压垮朝圆管轴线运动，由于圆管具有对称性，金属粒子垂直于轴线方向的速度抵消，金属粒子沿轴线运动形成射流[16]。相比于楔形药型罩，圆形药型罩产生射流直径粗、药型罩利用率高[17]。当射流到达背离炸药一侧的管壁时，如图6 所示管壁对射流头部有阻碍作用，致使射流头部速度减慢，被后面的射流追上从而射流头部质量增大，有助于形成较宽侵彻缝，如试验结果中图4 所示。

图 7 混凝土破碎过程Fig. 7 Process of concrete breaking

高速运动的射流对孔壁侵彻过程，可用考虑靶板强度的准定常理想不可压缩流体力学侵彻理论描述[18]。此理论假设射流侵彻靶板时是准定常过程，射流释放的能量一部分转化为靶板的动能，另一部分为克服材料强度做功，记这部分功为W。根据伯努利方程则有：

式中：ρJ、vJ为射流的密度和速度，UT为侵彻速度，ρT为靶板密度。由于射流终止侵彻时，UT=0，且射流速度小于等于临界速度vJC，即射流小于此速度时不再侵彻靶板，代入式(1)可得：

消去W 可得[19]：

在侵彻轴线上弹靶界面处靶板速度为0，故此处压力P 可由伯努利方程给出：

式中：PT为靶板初始压力，可忽略不计。由数值模拟结果可知vJ=2 400 m/s，vJC=500 m/s，铝管和混凝土密度分别为2.7 和2.5 g/cm3。代入计算可得P=1.7 GPa，远大于靶板的动载抗压强度，故靶板被破坏，被侵彻出裂缝，随着裂缝不断加深，射流能量不断消耗，侵彻逐渐停止。

3.2 岩石破碎分析

当孔壁岩石被射流侵彻出裂缝后即作为初始导向裂缝，此导向裂缝在自身扩展和岩石脱落方向起重要控制作用[20]。并且在应力波和气楔的共同作用下裂缝朝初始方向逐渐扩展[21]，裂缝尖端处有应力集中效应，加速裂缝扩展。随后形成径向发射状裂缝，形状如试验结果图3(b)和模拟结果图7 所示，最后裂缝在射流侵彻平面内贯穿，岩体出现层裂、脱落。

在射流和冲击波作用于炮孔孔壁时，除产生裂隙外，孔壁附近岩石受到远大于其抗压强度的压应力而破碎，形成粉碎区。同时岩体径向方向受到压应力被压缩，释放弹性能，在弹性阶段当岩体径向受到压应力，其垂直方向即环向受到拉应力。而混凝土抗拉强度小于抗压强度，当此拉应力大于岩体抗拉强度时，岩体产生环向裂缝[15]，如图7 所示。随后在应力波和冲击波共同作用下，粉碎区和环向裂缝区贯通，形成炮孔扩孔。

在岩体受力过程中，岩体处于混合拉压三向应力状态[22]，其内任一点应力强度为：

式中：σi为任一点应力强度；σr为径向应力强度；σθ为环向应力强度；σz为竖直方向应力强度。当岩体受到有效应力峰值(σi)max≥Scd时，形成粉碎区，当(σi)max≥Std形成裂隙区，其中Scd为岩体动态抗压强度，Std为岩体动态抗拉强度。

通过上述分析可知，此聚能药包利用螺旋管药型罩聚能效应，提高炸药做功能力，在孔壁形成初始导向裂缝。在气楔和应力波的作用下，裂缝沿初始方向扩展，在射流侵彻平面贯通，最后岩体出现层裂、脱落，实现定向切缝及根底平整的目的。

4 工程应用

为测试螺旋管聚能药包在深孔爆破中的效果，在舟山绿色石化基地围垦区进行了试验。此次试验在一次台阶爆破中进行，共90 个孔，其中28 个炮孔在孔底填装一个螺旋管药包，上部装填2 号岩石乳化炸药，剩余62 个炮孔全部装填2 号岩石乳化炸药。起爆后，清理掉爆破产生的碎石，用载波相位差分技术(RTK)测量根底基岩三维坐标，用测点z 方向高度评判聚能药包爆破的根底效果。分别用公式：

计算出z 方向坐标的平均值和标准差，用来表示根底平均高度和平整度。通过计算得到正常孔区域根底高度平均值和标准差分别为3.92 m 和0.32 m；聚能孔区域根底高度平均值和标准差分别为3.78 m和0.20 m。从结果可得使用聚能药包区域根底高度的平均值和标准差比正常孔区域的分别低14 cm 和12 cm。平均值降低14 cm，证明装填聚能药包比正常装药情况下平均多打出14 cm 的深度，在工程应用中可以节省14 cm 的孔深和装药长度；标准差降低12 cm，证明装填聚能药包的根底高度比正常装药的接近平均高度，根底不平整度降低。故此聚能药包既可降低前期的打孔和装药成本，也可降低后期根底的处理成本。