爆破荷载下胶结充填体裂纹扩展规律研究

喻圆圆 刘跃 隋显毅 吴霄

【摘  要】为探究爆破荷载下胶结充填体的裂纹扩展规律，论文基于高速摄影技术对强度为0.45MPa（水泥添加量为100kg/m3）的胶结充填体模型进行观测，得到该强度下胶结充填体的裂纹扩展长度为18cm，裂纹扩展持续时间为30.4ms，裂纹初始扩展速度为2.85×103cm/s。

【Abstract】In order to explore the crack propagation law of cementing backfill body under blasting load， the paper observes the cementing backfill body model with a strength of 0.45MPa （the cement addition is 100kg/m3） based on the high-speed photography technology. It is concluded that the crack propagation length of the cementing backfill body at this strength is 18cm， the crack propagation duration is 30.4ms， and the initial crack propagation speed is 2.85×103cm/s.

【关键词】爆破;胶结充填体;裂纹;高速摄影

【Keywords】blasting; cementing backfill body; crack; high-speed photography

【中图分类号】TD235;TD853                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）06-0175-02

1 引言

高速摄影技术作为一种无需直接测量的研究手段，现已广泛应用于科研试验中，由于炸药爆炸是一个短暂瞬时、无法用肉眼观测到的过程，要想对此次爆破过程有清楚直观的认识，高速摄影技术无疑是首选的研究手段。

就爆破领域而言，学者司剑峰等[1]对素混凝土模型进行模型试验研究，通过高速摄影拍摄模型破碎过程，所拍摄图片应用MATLAB平台进行识别，以此来确定炮孔间最佳延期时间;杜博军等[2]应用高速摄影仪数据采集及视觉测量解算轨迹的方法得到爆破作用下靜爆破片的速度衰减系数;李祥龙等[3]利用高速摄影仪拍摄球形药包作用下爆破漏斗自由面鼓包运动轨迹，得到鼓包运动轮廓、表面中心位移以及速度分布;何理等[4]应用高速摄影仪及超动态应变仪对毫秒延期爆破进行检测，以此得出台阶自由面裂纹扩展规律、延期时间对边坡表面应力峰值、内部应力场叠加的影响大小;李清等[5]为解决三维模型爆破试验中装药结构问题，采用高速摄影仪和超动态应变仪研究模拟台阶爆破的水泥砂浆模型破裂过程;Wu Liwei等[6]利用高速摄影仪拍摄爆破荷载作用下夹层玻璃破碎的全过程速度变化;Radzuan等[7]通过三维数字图像相关技术和高速摄影相结合的研究手段研究爆破荷载状态下不同曲率半径碳纤维复合材料板的动态响应。

故本文应用高速摄影技术对爆破过程中模型实验中模拟矿体、胶结充填体的裂纹扩展进行观测并加以分析。

2 模型制作

2.1 模具制作

本次模型试验的模具设计为长2m、宽0.4m、高度0.4m的长方体，针对性制作2个大型模具，模具内部用于盛放胶结充填体。其中模具相同，其设计图、实物分别如图1、图2所示。

2.2 材料砂浆选择

充填材料配比以矿山现有配比为基础，试验采用100kg/m3配比，试验采场强度和模型试验中充填体强度一致，具体参数如表1所示。

3 试验药量选择

对于胶结充填体爆破药量选择的原则：炸药爆炸后胶结充填体上裂纹未贯穿;故本文选取强度为0.45MPa的胶结充填体（水泥添加量为100kg/m3）进行药量测试实验，实验选取1枚导爆管雷管（装药为梯恩梯TNT）约为1.07g梯恩梯当量，5cm导爆索（装药为黑索金RDX）该导爆索每米装药量装药密度约为10.5g，查阅相关文献[8]黑索金RDX的爆力值ARDX为480mL，梯恩梯TNT爆力值ATNT为285mL，某矿山爆破作业所使用岩石乳化炸药的爆力值AE为320mL，换算系数k=AE/ATNT+AE/ARDX。经计算药量为1.54g，并对模型（强度为0.45MPa）中的胶结充填体进行爆破试验，试验效果如图3a所示。由此可见，药量选择过大，充填体裂纹贯穿，针对此爆破效果将爆破使用药量进行调整，更改为1枚雷管，根据换算系数k=AE/ARDX推算药量为1.2g，并对模型（强度为0.45MPa）中胶结充填体进行爆破，爆破后胶结充填体裂纹未贯穿，故将胶结充填体爆破药量选为1枚雷管，其中爆破后效果如图3b所示。

4 高速摄影仪观测

4.1 高速摄影仪器简介

为研究爆破过程中，模拟矿体及胶结充填体的裂纹扩展规律，此次模型试验选择MotionPro-Y7型高速摄影仪进行观测，其最大分辨率为1920×1080，最大拍摄频率为9000fps。为防止在拍摄过程中由于飞石对仪器造成损坏，额外定制钢化玻璃对仪器进行保护，由于井下光线较暗，为使观测更清晰，此次模型实验选择了2个强光灯提供光源、反光板使光源尽可能地集中在需要观测的位置。

4.2 高速摄影仪拍摄结果及分析

对爆破过程中胶结充填体裂纹扩展速度进行记录并分析，如图4所示。

通过对强度为0.45MPa（水泥添加量为100kg/m3）的胶结充填体进行高速观测，可知：在12261帧时，胶结充填体表面1#宏观裂纹出现。在12275帧时，1#裂纹开始进一步扩展，由于高速摄影仪帧率设置为8000帧/s，故12260～12275帧经过时间为1.75ms，裂纹扩展长度为5cm，计算可知此段时间内，裂纹扩展速度为2.85103cm/s。在12364帧时，胶结充填体表面有2#、3#裂纹出现，但由于3#裂纹拍摄较为模糊，无法判断12275～12364帧过程中裂纹扩展长度，故在此不进行赘述。而1#裂纹又进一步扩展，12275～12364帧经过时间为11.125ms，纵向裂纹扩展长度为5cm，此时1#裂纹扩展速度为0.45103cm/s。2#裂纹在此时间段内扩展长度为12.2cm，经计算2#裂纹扩展速度为1.10103cm/s。12504帧为爆破荷载下胶结充填体的最终形态，此时胶结充填体表面所有裂纹扩展完全，12364～12504帧经过时间为17.5ms，炮孔1#裂纹扩展长度为6.3cm，此时1#裂纹扩展速度为0.36103cm/s。2#裂纹在此时间段内扩展长度为5.8cm，则2#裂纹扩展速度为0.33103cm/s。

综上所述，1#裂纹作为强度为0.45MPa（水泥添加量为100kg/m3）的胶结充填体表面首先出现的裂纹，其最终裂纹扩展长度达16.3cm，由图4d可知，在12504帧时，裂隙尖端的应力值小于充填体抗拉强度，裂纹终止扩展;而2#裂纹作为爆破荷载下一段时间萌生出的新裂纹，裂纹长度可达18 cm，由于2#裂纹距离自由面较近，所能承受破坏的强度较低，较1#裂纹而言，其裂纹扩展长度更长，在扩展过程中2#裂纹作为萌生裂纹，因应力波进行衰减，又会出现裂纹衰减速度更快的情况。

5 结论

本文以模型试验为基础，采用高速摄影仪观测爆破荷载下强度为0.45MPa（水泥添加量為100kg/m3）的胶结充填体，得到以下结论：

①试验所需药量为1.2g。②胶结充填体上表面共出现2条裂纹。③胶结充填体裂纹扩展长度为18cm，裂纹扩展持续时间为30.4ms，裂纹初始扩展速度为2.85103cm/s。

【参考文献】

【1】司剑峰，钟东望，涂圣武，等.爆破裂纹形态统计的图像特征提取技术研究[J].金属矿山，2018（3）：146-150.

【2】杜博军，刘泽庆，王亚林，等.基于高速摄影视觉测量的静爆破片运动参数测试方法[J].爆炸与冲击，2019，39（9）：114-120.

【3】李祥龙，胡涛，张智宇，等.基于高速摄影技术爆破鼓包运动规律的研究[J].北京理工大学学报，2015，35（12）：1228-1232.

【4】何理，钟冬望，李琳娜，等.岩体爆破综合实验研究系统及其应用[J].矿冶工程，2017，37（2）：36-39.

【5】李清，王汉军，杨仁树.多孔台阶爆破破裂过程的模型试验研究[J].煤炭学报，2005（5）：34-37.

【6】Wu Liwei，Wang Lei，Huang Dan，et al.An ordinary state-based peridynamic modeling for dynamic fracture of laminated glass under low-velocity impact[J].Composite Structures，2020，234（C）.

【7】Nabilah Afiqah Mohd Radzuan，Abu Bakar Sulong，Mahendra Rao Somalu，et al.Fibre orientation effect on polypropylene/milled carbon fiber composites in the presence of carbon nanotubes or graphene as a secondary filler： Application on PEM fuel cell bipolar plate[J].International Journal of Hydrogen Energy，2019，44（58）：30618-30626.

【8】胡启文.精确延时数（单）孔一响预裂爆破试验研究[D].昆明：昆明理工大学，2018.