橢圓雙極線性聚能藥柱聚能預裂特性研究

李必紅,馮大林,李是良,秦健飛

(1.國防科技大學, 湖南長沙 410072;2.中南水電勘察設計研究, 湖南長沙 410006;3.中國水利水電第八工程局有限公司, 湖南長沙 410007)

橢圓雙極線性聚能藥柱聚能預裂特性研究

李必紅1,馮大林2,李是良1,秦健飛3

(1.國防科技大學, 湖南長沙 410072;2.中南水電勘察設計研究, 湖南長沙 410006;3.中國水利水電第八工程局有限公司, 湖南長沙 410007)

針對用于民用低爆速炸藥的橢圓雙極線性聚能藥柱,從裝藥利用率、爆炸應力測試和爆炸數值模擬 3個方面分析研究該藥柱的聚能預裂性能,研究分析表明橢圓雙極線性聚能藥柱的具有明顯的預裂爆破特性,能夠達到安全、經濟、環保的效果。

橢圓線性雙極聚能藥柱;裝藥利用率;應力測試;數值模擬;預裂特性

0 引 言

在巖石邊坡開挖中,為了減少鉆孔量、提高邊坡穩定性以及節約成本,開發研制了橢圓雙極線性聚能藥柱技術。采用注塑拉伸工藝成型橢圓 PVC管,在該管的長半軸兩側對稱形成兩個聚能槽,配置對中裝置后在管內充滿炸藥從而形成雙極線性裝藥,稱之為橢圓雙極線性聚能藥柱。國內從 2006年開始采用橢圓雙極線性聚能藥柱進行預裂爆破或光面爆破,并將該技術在小灣水電站等多項工程進行了推廣應用,如圖1所示。

圖1 橢圓雙極線性聚能藥柱及其應用

為了有效地分析該藥柱的聚能預裂特性,為其應用提供理論依據,本文將從裝藥利用率、爆炸應力測試和數值模擬 3個方面開展研究。

1 裝藥利用率分析

橢圓雙極線性聚能藥柱爆炸瞬間,在形成初始裂縫的同時借助高能氣流形成的“氣刃”使聚能射流沿著裂縫噴射,爆破應力波、爆轟氣體的膨脹作用及聚能射流的“氣刃”作用相互作用、有機結合,使裂縫更容易形成并且得到更充分擴展和延伸,從而實現聚能射流面與預裂面的完全吻合。為了從爆炸理論上研究該藥柱的聚能預裂特性,本文建立了基于瞬時爆轟理論的爆炸分析模型,利用該模型可以有效地進行裝藥有效部分分析及裝藥利用率計算。

1.1 基于瞬時爆轟的爆炸分析模型

炸藥爆速非常高,完成爆炸變化時間極短,可以近似地認為裝藥的爆轟是在一瞬間完成的,這樣可以使問題的研究得到簡化:產物爆轟瞬間完成,不考慮起爆點的影響,產物散射遵循等距離面組規律。由此可以建立以橢圓形長軸為 X軸,短軸為 Y軸的建立直角坐標系,如圖2所示。

圖2 裝藥分析模型

1.2 聚能方向裝藥利用率計算

瞬時爆轟理論下,爆轟產物散射遵循等距離面組規律,即在單位時間內有假想的等厚度產物層沿裝藥表面的法線向外進行散射,進而可知裝藥有效部分邊界到最近二邊的距離相等,據此可以利用參數估計方法對邊界函數進行回歸確定。該藥柱產物內部散射面分布及裝藥有效部分如圖3所示。

圖3 聚能方向有效部分及利用率計算

對于藥柱參數 (a=15,b=11,c=9,α=35°)已知時,可以利用我們設計和軟件進行求解,如圖3所示,得出藥柱聚能方向裝藥利用率為 41.196%。

軟件分析表明:橢圓雙極線性聚能藥柱在聚能方向裝藥有效部分特別多,利用率特別高,聚能特性明顯;而常規圓柱形藥柱則完全不同,該藥柱各方向裝藥有效部分相同,利用率也相同,沒有能量的聚中特性。

2 爆炸應力測試分析

為了有效分析藥柱的爆炸應力特性,利用 yzw/165°切鈮酸鋰晶體制作專門壓力傳感器,設計并開展試驗來測試藥柱聚能射流方向和短軸方向的應力大小。

開展了 2組爆炸應力測試試驗。第一組試驗方案如圖4所示,是傳感器與藥柱中心相距 105 mm的情況下測試的,提前用樣架鉆好孔,再將傳感器和藥柱分別放入孔內,然后用與巖石阻抗基本匹配的混凝土澆筑,2個傳感器分別置于聚能槽方向和短軸方向。第二組試驗方案如圖5所示,是傳感器與藥柱緊貼下測試的,2個傳感器分別緊貼聚能槽和短軸。

圖4 傳感器與藥柱中心相距 105 mm時的測試試驗

圖5 傳感器與藥柱緊貼時的測試試驗

測量得到橢圓雙極線性聚能藥柱爆破后在射流方向和非射流方向上巖石中的應力 -時間曲線,如圖6、圖7所示。

圖6 試驗一巖石中的應力 -時間曲線

圖7 試驗二巖石中的應力 -時間曲線

從圖6中看出,與藥柱中心相同距離 (105 mm)上,聚能方向最大應力值為 3.1 MPa,而短軸方向最大應力值為 0.15MPa,二者比值為 20.7。從圖7中看出,與藥柱緊貼時,聚能方向最大應力值大于 85 MPa,而短軸方向最大應力值為 23 MPa,二者比值大于 3.7。

以上爆炸應力測試表明:聚能射流方向對巖石的侵徹破壞能力遠大于非射流方向對巖石的侵徹破壞能力。

3 爆炸數值模擬分析

3.1 數值模擬實體模型

本文使用ANSYS軟件進行模型的建立與數值計算。利用模型的對稱性,選取三維模型的 1/2進行模擬分析,如圖8所示。裝藥截面為橢圓形,射流形成方向為雙向的,聚能裝藥侵徹巖石的 1/2模型如圖9所示。采取流固耦合算法來模擬射流形成過程,外殼、炸藥、空氣采用 Euler算法,被侵徹的巖石采用 Lagrange算法。

圖8 藥柱網格劃分

圖9 藥柱侵徹巖石的 1/2模型

3.2 數值模擬結果

圖10給出了數值模擬得到的射流行程及運動示意圖,從圖中可以看出在爆轟壓力的作用下加速運動,在極短的時間內藥型罩發生巨大的變形,由于殼體收縮到直徑較小的區域,使其厚度不斷增加;隨后壓垮的殼體材料在軸線會聚碰撞,使得其內壁材料獲得較大的軸向速度后被軸線擠出,形成射流。

圖10 二個不同時刻聚能射流行程及運動示意

圖11給出這聚能方向 (即單元 151197)和短軸方向 (即單元 151197)兩個介質單元壓力隨時間變化過程。從圖中可以清晰地看出聚能方向的壓力峰值要明顯大于短軸方向所對應的值,聚能方向壓力最大值達 280 MPa,而短軸方向最大值還不到 25 MPa,差距有 10倍之多,這很好地說明了聚能的效果明顯。

圖11 不同介質單元壓力變化示意

4 結 論

本文基于橢圓雙極線性聚能裝藥技術,通過基于瞬時爆轟的聚能方向裝藥利用率分析,以及藥柱對巖石毀傷破壞性能的爆炸應力測試和數值模擬分析,得到了裝藥利用率、不同位置巖石應力的分布情況以及聚能射流形成和運動過程,三者結論基本一致,說明橢圓雙極線性聚能藥柱具有良好的聚能預裂爆破特性,為該技術的應用與推廣提供了一定的理論依據。

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2011-06-26)

李必紅 (1975-),男,副教授,主要從事爆破技術研究。