金屬介質(zhì)在切割爆破中的定向作用

師強(qiáng)強(qiáng)， 劉為洲， 楊海濤

(1. 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司， 安徽馬鞍山 243000;2. 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽馬鞍山 243000)

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金屬介質(zhì)在切割爆破中的定向作用

師強(qiáng)強(qiáng)1,2， 劉為洲1,2， 楊海濤1,2

(1. 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司， 安徽馬鞍山 243000;2. 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽馬鞍山 243000)

為了研究定向切割中金屬介質(zhì)對(duì)爆炸能量傳播的控制作用，采用理論計(jì)算和LS-DYNA數(shù)值模擬軟件分析了孔壁初始裂縫的形成和裂縫貫穿的機(jī)理。結(jié)果表明：由于金屬介質(zhì)的沖擊阻抗遠(yuǎn)大于水介質(zhì)，沿金屬介質(zhì)方向傳播的爆炸壓力和速度都遠(yuǎn)大于其他方向，導(dǎo)致金屬介質(zhì)接觸的孔壁處首先產(chǎn)生初始裂縫，隨后在爆轟壓力和“水楔”作用下裂縫失穩(wěn)貫穿。有機(jī)玻璃模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：受金屬介質(zhì)的控制，模型能按照預(yù)定方向斷裂出平整光滑裂縫，炮孔周圍僅有少數(shù)短裂隙,證明了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

定向切割爆破； 沖擊波； 數(shù)值模擬； 有機(jī)玻璃； 金屬介質(zhì)

1　引言

在預(yù)裂爆破、石材切割等領(lǐng)域中，為了獲得預(yù)定的光滑斷裂面，減小圍巖受損傷的程度，傳統(tǒng)的爆破方法很難滿足工程的要求，定向控制爆破已經(jīng)成為工程爆破領(lǐng)域中研究的熱門方向。

劉為洲等〔1-2〕結(jié)合水介質(zhì)爆破的特點(diǎn)，提出了以水作為介質(zhì)，由藥包和金屬介質(zhì)構(gòu)成的定向切割裝置(圖1)，并通過(guò)爆破實(shí)驗(yàn)證明了該裝置具有良好的定向切割效果。基于以上研究，本文采用理論分析和數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步研究了金屬裝置對(duì)爆炸能量的導(dǎo)向作用機(jī)理，并通過(guò)有機(jī)玻璃模型實(shí)驗(yàn)證明該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of experimental device

2　定向切割爆破作用機(jī)理

2.1初始裂縫的形成

炸藥爆炸后，當(dāng)沖擊波到達(dá)爆轟產(chǎn)物與水介質(zhì)分界面時(shí)，發(fā)生透射和反射。炸藥在不同介質(zhì)表面爆炸時(shí)的初始沖擊波參數(shù)有很大差別，這與介質(zhì)的沖擊阻抗有關(guān)。有實(shí)驗(yàn)表明〔3〕：黑索金在水中爆炸時(shí)，水中沖擊波初始?jí)毫s為18GPa；在鐵表面爆炸時(shí)，鐵中沖擊波的初始?jí)毫s為45GPa。另一方面，沖擊波在傳播過(guò)程中要經(jīng)過(guò)衰減、反射和透射等一系列過(guò)程，因此，最終傳播到孔壁上的壓力與整個(gè)傳播過(guò)程密切相關(guān)。定向裝置中炸藥爆炸后產(chǎn)生的沖擊波傳播過(guò)程分析如下。

2.1.1沖擊波傳播過(guò)程中的衰減〔4〕

(1)沖擊波在水中的衰減

沖擊波在炮孔中徑向傳播時(shí)壓縮水介質(zhì)，能量衰減峰值壓力降低，當(dāng)沖擊波傳播至炮孔孔壁時(shí)，其峰值壓力P為：

(1)

式中：B為常數(shù)，取72MPa；Kd為炮孔不耦合系數(shù)；α為衰減指數(shù)，取0.72；ρe為炸藥密度，kg/m3；QVS為炸藥爆熱，kJ/kg；QVT為TNT炸藥爆熱，取4 200kJ/kg。

當(dāng)沖擊波傳播至炮孔孔壁時(shí)，速度D為：

(2)

式中：A、β為實(shí)驗(yàn)得出的常數(shù)，A=394MPa，β=8；ρ0為水介質(zhì)密度。

(2)沖擊波在金屬介質(zhì)中的衰減

實(shí)驗(yàn)表明，鈍化黑索金在鋼表面爆破時(shí)沖擊波的衰減可按下式近似估算：

P=35.30+2.32e-0.431x

(3)

D=5.226+0.082e-0.428x

(4)

式中：x為沖擊波傳播位置與爆點(diǎn)的距離，mm。

2.1.2孔壁初始沖擊波參數(shù)

假設(shè)沖擊波與巖石孔壁的碰撞是彈性的，可以通過(guò)彈性理論近似求解出孔壁上的初始沖擊壓力：

(5)

式中：ρmCP為巖石波阻抗；ρ0D1為水介質(zhì)波阻抗。

取QVS=5 330kJ/kg，ρe=1.2g/cm3，Kd=4。巖石密度ρm=2.6g/cm3，縱波速度CP=4 500m/s，則ρmCP=1.3×104g·m/(cm3·s)。代入式(1)、(2)和(3)，可得水介質(zhì)耦合爆破時(shí)孔壁的透射壓力Pr1=950MPa。

當(dāng)x在較小范圍內(nèi)變化時(shí)，與金屬介質(zhì)接觸的孔壁透射壓力近似為Pr2=1.7×104MPa。

由以上分析可知，與金屬定向裝置接觸的孔壁透射壓力遠(yuǎn)大于其他方向的孔壁壓力。為了實(shí)現(xiàn)定向切割的目的，可以增大裝藥的不耦合系數(shù)，確保通過(guò)水介質(zhì)透射到孔壁的壓力小于巖石的抗壓強(qiáng)度。與水介質(zhì)接觸的孔壁受到的壓力較小，不被壓壞，而與定向裝置接觸的孔壁由于受到比其余部分更大的壓力而迅速破壞，產(chǎn)生初始裂縫。

2.2初始裂縫形成的數(shù)值模擬

(1)數(shù)值模型〔5〕

為了方便計(jì)算，采用單層實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行“準(zhǔn)三維”的計(jì)算，考慮到模型具有對(duì)稱性，只建立1/4模型，如圖2所示。

圖2　數(shù)值模型示意圖Fig.2　Schematic diagram of numerical model

模型尺寸100mm×100mm×2mm。采用六面體網(wǎng)格劃分模型，為了消除人為邊界處反射波對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，計(jì)算時(shí),兩個(gè)坐標(biāo)對(duì)稱面施加法向位移約束，另外兩個(gè)側(cè)面施加無(wú)反射邊界條件。數(shù)值模型由炸藥、水、銅片和巖石組成，其中炸藥和水網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)，采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，銅片和巖石采用拉格朗日網(wǎng)格建模，流體與固體之間采用耦合算法。

(2)材料力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中炸藥采用JWL狀態(tài)方程模擬：

(6)

式中：P為爆轟壓力；V是相對(duì)體積；E是單位體積內(nèi)能；ω，A，B，R1，R2為材料常數(shù)。

炸藥參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　炸藥參數(shù)

數(shù)值模擬中巖石選取花崗巖，金屬介質(zhì)選取銅，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　力學(xué)參數(shù)

(3)模擬結(jié)果分析

由于采用“準(zhǔn)三維”建模，所得結(jié)果和實(shí)際有一定差距，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果僅進(jìn)行定性分析。取與定向方向夾角為0°，30°，60°和90°的孔壁壓力進(jìn)行比較，如圖3所示。

圖3　不同孔壁位置壓力曲線Fig.3　The pressure curves of different blasthole wall positions

由圖3可知，沖擊波首先沿銅片迅速傳播到孔壁。隨后沖擊波幾乎同時(shí)到達(dá)其他部分孔壁；與銅片接觸的孔壁初始?jí)毫ψ畲螅渌较蛏系膲毫Σ顒e不大，且遠(yuǎn)小于與銅片接觸的孔壁處的壓力。

根據(jù)初始裂縫形成過(guò)程(圖4)和圖3可以看出，爆炸發(fā)生后，與銅片接觸的孔壁首先產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨后孔壁遭到破壞，形成初始裂縫，在此過(guò)程中其他部分孔壁均完好。

圖4　初始裂縫形成過(guò)程Fig.4　Formation progress of initial fracture

2.3裂縫的定向擴(kuò)展

初始裂縫產(chǎn)生后，可以用切槽爆破機(jī)理來(lái)分析裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)斷裂力學(xué)理論〔6〕，初始定向裂隙的形成使鉆孔力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，初始裂紋猶如導(dǎo)向溝槽，炸藥爆炸瞬間極高的應(yīng)力波和爆生氣體被導(dǎo)向預(yù)定方向，在爆炸應(yīng)力和爆轟氣體的作用下裂隙處形成明顯的高應(yīng)力集中，迫使巖體沿預(yù)定方向開(kāi)裂。當(dāng)應(yīng)力大到巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，相鄰炮孔裂縫將發(fā)生失穩(wěn)貫穿，同時(shí)降低了應(yīng)力對(duì)其他方向孔壁的作用， 抑制了爆生裂隙的產(chǎn)生。

初始裂縫形成后，由于孔壁與定向裝置“脫離”，壓力會(huì)突然衰減。裂縫主要在爆轟壓力和“水楔”的作用下失穩(wěn)擴(kuò)展〔7〕：炮孔被定向裝置分割成兩個(gè)對(duì)稱的半圓，爆炸后爆轟波向兩半圓孔壁傳播，形成的合力垂直于定向裝置，在初始裂縫處產(chǎn)生拉應(yīng)力，促使裂縫擴(kuò)展；初始裂縫猶如導(dǎo)向的“溝道”，在爆轟壓力作用下，水流會(huì)形成強(qiáng)有力的“水楔”被導(dǎo)入裂隙，在高速水射流的強(qiáng)力沖擊下，當(dāng)裂縫尖端區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度大于巖石的動(dòng)態(tài)斷裂韌性時(shí)，巖體沿預(yù)定方向劈裂貫通，這一過(guò)程和高壓水射流破巖有著相似之處。水射流壓力可按下式計(jì)算〔8〕：

PH=ρ水a(chǎn)·U水

(7)

式中：ρ水為水的密度，kg/m3；a為水中的聲速,m/s；U水為水的射流速度，m/s。

其中，水的射流速度可按下式計(jì)算：

(8)

式中：r0為藥卷半徑，取2mm；rx為孔徑，取8mm；D為炸藥爆速，取6 700m/s。

代入式(6)和式(7)，得出：U水=484m/s，PH=750MPa。

水射流產(chǎn)生的壓力已經(jīng)超過(guò)了大多數(shù)巖石的抗壓強(qiáng)度，在如此高的水壓的劈裂作用下巖石沿預(yù)定方向開(kāi)裂。

3　定向切割爆破實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)材料

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

ROSSMANITHHP等認(rèn)為有機(jī)玻璃和巖石在動(dòng)載荷作用下的斷裂行為在本質(zhì)上是相似的〔9〕，而用有機(jī)玻璃模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以清晰地觀察爆生裂隙分布。因此，選用預(yù)先加工好的有機(jī)玻璃模型代替巖石，模型內(nèi)部無(wú)空隙，介質(zhì)較均勻。單孔模型尺寸為100mm×100mm×70mm(長(zhǎng)×寬×高)，雙孔模型尺寸為120mm×100mm×70mm。模型孔直徑均為18mm，孔深70mm，單孔模型炮孔在模型中心，雙孔模型孔距為50mm。

3.2起爆方案

實(shí)驗(yàn)采用的炸藥為黑索金，藥包采用直徑為4.0mm的塑料管，藥包綁在提前加工好的銅片上。單孔模型裝藥量為0.35g，雙孔模型裝藥量為每孔0.2g，導(dǎo)爆管雷管孔外引爆。模型底部堵膠泥并用膠帶粘牢。模型上部用厚紙板隔開(kāi)，避免雷管爆炸時(shí)損傷有機(jī)玻璃。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

單孔爆破效果如圖5所示。

圖5　單孔爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Single blasthole blasting test results

由圖5可以看出，普通水壓爆破時(shí)，模型也被切開(kāi)，但是裂縫凹凸不平，徑向裂隙發(fā)育，已經(jīng)破壞了模型的完整性；而采用金屬片控制定向切割爆破時(shí)，模型基本沿預(yù)定的方向斷開(kāi)，斷開(kāi)后的模型完整性較好，裂面光滑平整，炮孔周圍爆生裂隙極少。雙孔爆破效果如圖6所示。

圖6　雙孔爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Double blastholes blasting test results

由圖6可以看出，普通水壓爆破時(shí)，模型可以沿孔心連線斷開(kāi)。但是，裂開(kāi)的模型破壞嚴(yán)重，炮孔周圍爆生裂隙發(fā)育，遠(yuǎn)達(dá)不到控制爆破期望的效果；采用金屬片控制的定向切割爆破時(shí)，裂縫沿孔心連線斷開(kāi)，裂面光滑平整，模型完整性良好，孔壁周圍僅有少數(shù)短裂隙，斷裂開(kāi)的模型整個(gè)裂面上附有明顯水跡，也說(shuō)明了“水楔”的作用。

4　結(jié)論

(1)通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬得出：金屬片定向切割爆破中，由于金屬介質(zhì)具有較大的沖擊波阻抗，沖擊波能量主要集中于定向裝置放置方向，并迅速傳遞至兩端，金屬片放置方向的孔壁受到的壓力遠(yuǎn)大于其他方向，導(dǎo)致此處孔壁首先遭到破壞形成初始裂縫。

(2)初始裂縫產(chǎn)生后，裂縫主要在爆轟壓力和“水楔”的作用下失穩(wěn)擴(kuò)展貫通，可計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械乃淞鲏毫Α?/p>

(3)有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用普通水壓爆破方法爆生裂隙發(fā)育，模型破壞嚴(yán)重，而采用金屬介質(zhì)

的定向切割爆破方法能使模型按照預(yù)定的方向斷裂成縫，斷裂面平整光滑，炮孔周圍僅有少數(shù)短裂隙，達(dá)到了定向切割的爆破效果。

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Directionaleffectofmetalmediuminjointcuttingblasting

SHIQiang-qiang1,2，LIUWei-zhou1,2，YANGHai-tao1,2

(1.MaanshanInstituteofMiningResearchBlastingEngineeringCo.,Ltd.，SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Maanshan243000，Anhui，China;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Maanshan243000，Anhui，China)

Tostudythecontrolfunctionofmetalmediumontheexplosionenergytransmissionindirectionalcuttingblasting,theoreticalcalculationandnumericalsoftwareofLS-DYNAwereusedtoanalyzethemechanismofinitialcrackformationandcrackpenetrationintheblastholewall.Theresultsindicatedthattheexplosionpressureandvelocityspreadinthedirectionalongmetalmediumwashigherthanotherdirectionsbecauseshockwaveimpedanceofmetalmediumwaslargerthanimpedanceofwatermedium.Theinitialcrackfirstlyappearedintheblastholewallcontactedwiththemetalmedium.Then,thecrackswereunstableandpenetratedundertheactionofdetonationpressureandwaterwedge.ThePMMAmodeltestresultsindicatedthatthemodelcouldbecuttoformseamsaccordingtothepredetermineddirectionundertheeffectofthemetalmedium.Therewereonlyafewshortcracksaroundtheblasthole.Theadvantageofthetechnologywasdemonstrated.

Directionaljointcuttingblasting；Shockwave；Numericalsimulation；PMMA；Metalmedium

1006-7051(2016)04-0043-04

2016-01-27

師強(qiáng)強(qiáng)(1989-)，男，碩士，主要從事爆破工程方面的研究。E-mail：shiqiang_308@163.com

TD235.1

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.009