不同水量下不耦合裝藥混凝土試件爆破對比分析

張大寧 胡銀林 郭連軍 李秀虎 潘 博(遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧 鞍山 114051 )

不耦合裝藥爆破是一種特殊的控制爆破，自上世紀50年代首次在瑞典被成功應用，取得了良好的爆破效果[1]。在以后的幾十年里，世界各國逐漸把不耦合爆破技術應用到礦山邊坡、隧道開挖、水利水電等工程，很好地保護了礦山邊坡的穩(wěn)定、隧道圍巖的穩(wěn)定和機電峒室的安全。在實際工程中，由于地下涌水、自然降水和巖層的滲水等原因，出現(xiàn)了大量的含水炮孔。在這種情況下，炸藥和炮孔壁之間的介質(zhì)由原來空氣介質(zhì)變成水介質(zhì)，即是炮孔水介質(zhì)不耦合裝藥。由于水的物理特性不同空氣，其相對于空氣不可壓縮性、密度大,并且水中的聲速遠大于空氣中的聲速[2]。因此，水不耦合裝藥爆破的發(fā)展過程和傳播規(guī)律與空氣不耦合裝藥爆破的過程和規(guī)律相似不盡相同。

隨著乳化炸藥等各種高猛度的抗水炸藥的出現(xiàn)，對水不耦合裝藥爆破的研究逐漸增多，陳士海等人根據(jù)水介質(zhì)的特點[3]，進行水壓爆破破巖理論的研究，得出水壓爆破孔壁壓力、孔壁圍巖應力場、水楔作用及最佳不耦合系數(shù)；杜俊林、羅云滾等人對水介質(zhì)不耦合裝藥爆破[4]水中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律進行理論研究，提出正入射情況下孔壁巖石內(nèi)的初始沖擊波壓力；過江等[5]利用ANSYS-DYNA動力有限元程序?qū)諝夂退获詈舷禂?shù)進行研究，得出空氣不耦合裝藥有效應力衰減較快，空氣不耦合裝藥相對水不耦合裝藥減少裂紋分叉，易形成良好的貫穿裂縫。

由于在實際工程爆破過程中每一個炮孔的含水量不盡相同，本研究使用動力有限元分析軟件LS-DNAY，采用JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)損傷本構(gòu)模型建立不同水量條件下不耦合裝藥爆破的雙孔計算模型，并且結(jié)合了混凝土模型試驗，研究不同水量下的不耦合裝藥結(jié)構(gòu)對混凝土介質(zhì)的破壞差異。

1 不同介質(zhì)不耦合裝藥的理論分析

1.1 空氣不耦合裝藥爆破機理

空氣不耦合裝藥預裂爆破時，炮孔壁與藥柱之間充滿了空氣，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波最初作用在炸藥周圍的空氣上，爆轟波在空氣中沿炮孔徑向向外傳播，并與炮孔壁處的巖石產(chǎn)生碰撞，可以假設爆轟波與炮孔壁處的巖石表面之間產(chǎn)生彈性碰撞，使用彈性和波動理論進行求解炮孔壁的初始壓力[6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 水介質(zhì)不耦合裝藥爆破機理

水不耦合裝藥爆破產(chǎn)生的爆轟沖擊波在炮孔內(nèi)徑向向外傳播，同時壓縮炸藥周圍的水介質(zhì)，使炸藥的爆炸沖擊波峰值得到降低。實際工程爆破中炮孔裝藥大多采用為柱狀裝藥，水作為不耦合介質(zhì)時，水中爆炸沖擊波傳到孔壁時的峰值壓力為[7]

(5)

式中，PW是炮孔徑向方向上距離炸藥軸心R處水中沖擊波壓力，MPa；Kd是炮孔裝藥不耦合系數(shù)；QC是TNT炸藥藥柱當量，kg；QT為所使用炸藥的藥柱量；ρe為使用炸藥的密度，g/cm3。

由于巖石和水是2種不同的介質(zhì)，當沖擊波到達水和巖石的交界面時，將產(chǎn)生反射波和透射波，其中透射到炮孔壁上的沖擊波峰值壓力為[8]：

(6)

式中，ρ1D1為沖擊波波速為D1時水的波阻抗；

(7)

式中，A和β均為常數(shù)，A=394 MPa，β=8。

1.3 空氣與水不耦合裝藥炮孔壁壓力的對比

根據(jù)上述理論分析，在炮孔孔徑及不耦合裝藥結(jié)構(gòu)相同的情況下，選用的TNT炸藥參數(shù)：ρe=1.65 g/cm3，D=6 900 m/s，ρm=2.8 g/cm3，Cp=5 050 m/s，進行空氣和水不耦合裝藥爆破計算，得出孔壁處巖石的初始沖擊波壓力，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知：①在相同的徑向不耦合系數(shù)條件下，水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸產(chǎn)生的孔壁壓力大于空氣介質(zhì)不耦合裝藥時的壓力，水介質(zhì)不耦合裝藥炮孔壁的壓力隨著不耦合系數(shù)增大而相對緩慢地減小；不耦合系數(shù)在1～2范圍內(nèi)，空氣不耦合裝藥的孔壁壓力急速下降，當不耦合系數(shù)大于2時，孔壁壓力緩慢下降；②當炮孔孔壁壓力相同時，水介質(zhì)不耦合系數(shù)遠大于空氣不耦合系數(shù)；③當不耦合裝藥系數(shù)相同時，水介質(zhì)不耦合裝藥產(chǎn)生的孔壁壓力遠大于空氣不耦合裝藥時的壓力，證明水比空氣具有更好的傳能作用，在相同的不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下，水介質(zhì)比空氣介質(zhì)能量利用率高，在炮孔附近形成更強的準靜態(tài)應力，且作用均勻、作用時間長，因此可以更好地節(jié)約炸藥使用量。

2 爆破數(shù)值模型

2.1 混凝土介質(zhì)損傷模型

由于炸藥爆炸過程中，混凝土材料受到爆轟波和爆生氣體的聯(lián)合作用，材料內(nèi)部呈現(xiàn)大的應變、損傷及破壞等特征。為了更加合理地描述混凝土在爆破中的破壞過程，本研究采用混凝土JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)材料模型。混凝土JHC模型的參數(shù)見表1所示。

表1 JHC混凝土材料本構(gòu)參數(shù)[9]Fig.1 Constitutive parameters of JHC concrete materials

2.2 炸藥狀態(tài)方程

數(shù)值計算中選擇高能炸藥，高能炸藥的主要參數(shù)設定如下：ρ0=1.64 g/cm3，D=6 930 m/s，使用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸爆轟過程中壓力和比容的關系[10]：

(8)

式中，A，B，R1，R2，ω是描述JWL狀態(tài)方程的5個物理常數(shù)，其取值見表2。

表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)Table2 Parameters of state equation of dynamite GPa

炸藥爆破過程中，空氣和水材料普遍使用采用EOS_Gruneisen狀態(tài)方程[11]描述：

(γ0+aμ)E0,

(9)

式中，a是γ0和E0的一階修正量體積；μ=ρe/ρ0-1;ρ0，C，S1，S2，S3，γ0，E0等參數(shù)取值見表3、表4所示。

表3 空氣狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Parameters of state equation of air

表4 水狀態(tài)方程參數(shù)Table 4 Parameters of state equation of water

2.3 有限元模型的建立

不同水量不耦合裝藥計算模型如圖2、圖3所示，本研究建立實體模型，材料使用3種物質(zhì)：炸藥、混凝土、約束介質(zhì)(空氣、水)，炮孔直徑為15 mm，裝藥直徑為5 mm，炮孔間距為120 mm，裝藥長度為100 mm，填塞長度為100 mm。為了簡化計算，填塞部分與混凝土材料相同。為了可視化和減少運算量，本研究建立1/2模型作為研究對象。炸藥、空氣、水與混凝土4種介質(zhì)單元均使用3D SOLID164單元，模型簡化成一個單元厚度的三維模型，混凝土使用Lagrange算法，炸藥與約束介質(zhì)(空氣、水)采用多物質(zhì)ALE算法，混凝土與約束介質(zhì)(空氣或水)之間采用流固耦合算法。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

圖3 不同水量裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Charge structure of different water yield

為了研究不同水量下預裂爆破的炮孔孔壁壓力，依次在孔壁上選取距離其底部為2.5、5.0、7.5 cm處的單元點(分別在圖3選取3個炮孔距離)進行研究。

2.4 計算結(jié)果與分析

由圖4可知，在相同的裝藥條件下，干孔孔壁的變形明顯小于含水炮孔孔壁變形；空氣-水混合炮孔中，含水段炮孔孔壁變形大于空氣段的變形，由此表明含水炮孔的孔壁粉碎區(qū)面積大于干孔的粉碎區(qū)面積，不利于預裂縫的形成。

圖4 相同時刻不同水量下的損傷破壞分布(30 μs)Fig.4 Damage distribution of different water levels at the same time

不同水量不耦合裝藥爆破的孔壁單元壓力如表5所示。

表5 不同水量不耦合裝藥爆破的孔壁單元壓力Table 5 Unit pressure of hole wall of uncoupled charge blasting under different water yield

由表5可知，①同一種介質(zhì)的連續(xù)不耦合裝藥預裂爆破，在炮孔壁不同單元產(chǎn)生幾乎相同的炮孔壁壓力；②在相同不耦合裝藥條件下，不同的不耦合介質(zhì)的炮孔壁壓力差別很大，全水不耦合裝藥炮孔孔壁壓力最大，并且遠大于空氣不耦合、水與空氣混合不耦合裝藥的孔壁壓力；③在水與空氣混合不耦合裝藥的炮孔中，含水部分孔壁壓力大于空氣部分孔壁壓力，空氣和水的交界面為孔壁壓力的轉(zhuǎn)折點；④水與空氣混合不耦合裝藥時，含水部分孔壁壓力遠小于相同位置全水炮孔孔壁壓力，但是大于相同位置全空氣炮孔孔壁的壓力。因此，在相同裝藥結(jié)構(gòu)條件下，爆炸時水中沖擊波峰值壓力遠大于空氣中的峰值壓力，導致預裂爆破時炮孔附近的介質(zhì)表面平整度較差，不利于預裂縫的形成。

距離炮孔底部不同位置有效應力衰減曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：①從炮孔壁到炮孔連心線中點，全水炮孔的有效應力遠大于干孔、水與空氣混合炮孔的有效應力；②空氣與水混合不耦合裝藥時，含水段的有效應力大于空氣段的有效應力，有效應力變化的轉(zhuǎn)折點在空氣和水的交界面處；③水與空氣混合不耦合裝藥時，空氣段的有效應力與相同位置全空氣炮孔的有效應力相差不大；④空氣與水混合不耦合裝藥時，含水段的有效應力大于同部位全空氣炮孔的有效應力，但是小于相同位置全水炮孔的有效應力。說明水相對于空氣具有良好的儲能量和傳到能量作用，在相同的裝藥結(jié)構(gòu)情況下，水不耦合的有效應力遠大于空氣不耦合，嚴重影響到了預裂縫的形成和預裂面的平整度。

圖5 不同位置有效應力衰減曲線Fig.5 Effective stress attenuation curve at different locations■—干孔；●—25%水量；▲—50%水量；▼—75%水量；◆—100%水量

3 混凝土試件試驗研究

3.1 試驗方案

試驗模型采用525#硅酸鹽水泥和篩分后的細河砂澆筑而成，水、水泥和細砂的質(zhì)量配比為1∶2∶6，常溫下在實驗室養(yǎng)護28 d，儲存60 d。混凝土模型為30 cm的正方體，在模型中心線上預留2個相同的炮孔，炮孔直徑為1.5 cm，炮孔間距為12 cm，炮孔深度為10 cm。試驗采用工業(yè)瞬發(fā)電雷管(0.4 g)，反向起爆5 m長度的導爆索(0.6 g)，實際每孔裝藥量為1.0 g。試驗分別采用干孔、水柱為2.5 cm、水柱為5 cm，水柱為7.5 cm、水柱為10 cm的5種情況，填塞長度均為10 cm。其爆破效果如圖6所示。

3.2 爆破效果分析

從圖6中可以看出:①干孔和25%水量的炮孔取得良好的爆破效果，半孔比較完整，預裂面較平整，采用空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)爆破，炸藥和炮孔壁之間充滿空氣介質(zhì)，爆轟產(chǎn)物經(jīng)過空氣介質(zhì)后，降低了炮孔壁上的應力峰值，可以有效地減小炮孔壁處巖石的過粉碎，擴大裂隙區(qū)范圍；②含水量為50%、75%和100%的炮孔，隨著水量的增加，爆破效果越來越差，水介質(zhì)不耦合裝藥爆破時，由于水介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)不可壓縮，同時水介質(zhì)具有良好的傳遞能量的作用，炮孔壁上的應力峰值壓力未能得到有效降低，炮孔壁產(chǎn)生較大范圍的粉碎區(qū)。因此，不同水量下不耦合裝藥爆破時，隨著水量的增加，混凝土表面的平整度逐漸降低。

4 結(jié) 論

(1)全水不耦合裝藥爆炸產(chǎn)生的初始應力大于全空氣(不耦合裝藥)、空氣與水混合不耦合裝藥(條件下的初始應力，同時空氣與水混合不耦合裝藥時，含水段孔壁壓力明顯高于空氣段孔壁壓力。

(2)水和空氣的相同不耦合裝藥時，炮孔連心線上的Von Miss 應力差別很大，水不耦合的Von Miss應力是空氣不耦合的2～3倍。

(3)裝藥條件相同，空氣不耦合會形成更好的預裂面；水不耦合會造成炮孔壁周圍巖石形成較大的粉碎區(qū)；水與空氣混合不耦合裝藥時，隨著炮孔中水量的增加，爆破后的預裂面平整度越差。

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圖6 不同水量不耦合裝藥爆破效果Fig.6 Blasting effect of uncoupled charge with different water yield

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