電爆炸破碎巖石類脆性材料實驗方法與應用

閆廣亮，張鳳鵬，郝紅澤，高繼開

(1.東北大學 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.河鋼集團有限公司，河北 石家莊 050023)

高功率脈沖技術是一種在低功率下儲存能量，然后在極短時間內以高功率釋放給負載的技術，包括直接放電、熔絲(箔)脈沖放電2種形式[1]。目前該項技術廣泛應用于軍工與民用領域等多行業，如直接放電脈沖技術主要應用于粉碎礦石提高選礦回收率[2]、鉆鑿油氣井[3]、煤儲層增滲改性[4-5]。而熔絲(箔)脈沖放電就是通常所說的電爆炸，是強大電流通過金屬絲或箔時，絲(箔)在微納秒時間內完成固、液、氣、等離子體的相轉變，并伴有光、沖擊波、導體電阻驟增和電磁輻射等物理現象的過程。該技術也已經在諸多領域實現應用，如超高速等熵加載裝置制造[6-7]、納米材料制造[8]、電鍍噴涂[9]、液電成型[10]、固體材料破碎[11-13]等。基于高功率脈沖技術破碎固體材料的方法稱為電爆破。

目前工程爆破仍然以炸藥爆破為主，由于炸藥存在高危性和爆轟過程易生成有毒氣體而對通風要求高等問題，因此研發清潔、綠色、安全的新型爆破方法與技術成為國內外學者關注的熱點問題，以替代炸藥化爆爆破，顛覆現有的鉆爆技術與工藝，如二氧化碳爆破[14]、電爆破[11-13]等。電爆破技術具有無污染、安全、能量可控、使用方便等特點，應用前景廣闊。KUZNETSOVA等[11]分別對銅絲在空氣中和混凝土中電爆炸時的電流時程曲線進行了研究，結果表明電流時程曲線因電極之間介質不同而差異明顯。YUDIN等[12]開展了電爆破崩落混凝土的初步試驗，分別進行了2個炮孔同時起爆和6個炮孔逐孔起爆爆破試驗，結果表明前者的能量利用率更高。為了增強電爆破作用，周海濱等[13]采用絲爆加含能材料的爆破方式，由含能材料產生氣體，在改善油氣儲層物性等方面進行應用，取得了很好的效果。彭建宇等[15-16]建立了一套室內電爆破系統，研究了靜應力與電爆炸動應力聯合作用下巖石、類巖石材料的動態破裂行為，研究工作表明該系統應用效果良好。

上述研究表明，基于高壓脈沖技術的電爆破破巖方法無論是理論方法還是技術、設備與工藝仍然處于起步階段，實驗室內亦尚未形成規范的電爆破破巖實驗方法，電爆破與炸藥化爆在巖石破碎方面的異同點也有待進一步研究。為此，筆者建立了利用金屬絲電爆炸模擬炸藥爆炸進行破碎巖石類脆性材料的實驗方法，利用水泥砂漿試件分別開展了球狀藥包與柱狀藥包漏斗爆破實驗，研究電爆破破巖過程，分析金屬絲電爆炸能量對破巖過程的影響，及其與炸藥化爆的異同。

1 電爆炸實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，主要由雙極性充電電源、Marx儲能模塊、高壓脈沖觸發器以及電光延時同步控制器等組成。

雙極性充電電源用以給Marx儲能模塊充電；Marx儲能模塊為儲能電容，用以存儲電能；電光延時同步控制器用以觸發高壓脈沖觸發器，以及其他數據采集設備(高速相機、示波器等)；高壓脈沖發生器用以觸發Marx儲能模塊使其放電。

電爆炸裝置最大工作電壓60 kV，額定電容4 μF，最大儲能7.2 kJ，具有2路輸出，可實現2點微差爆破。文獻[15]詳細介紹了該實驗裝置的主要功能與參數。

2 球狀藥包爆破實驗方法與應用

2.1 球狀藥包實驗模型與實驗流程

電爆炸破碎巖石類脆性材料實驗方法包括上文所述實驗設備、模型制作和實驗流程3部分，下面以球狀藥包爆破為例介紹模型制作與實驗流程。

圖2為金屬絲電爆炸模擬球狀藥包爆炸破碎長方體水泥砂漿試件的結構示意與試件。實驗模型制作包括制作電極、預制試件、鉆鑿炮孔、填塞電極4個步驟，具體步驟如下：

(1)制作電極。電極結構如圖2(a)所示，由電爆炸金屬絲、2根方形銅條、絕緣棒組成。由于銅絲具有成本低、抗拉強度大(不易斷)、易成型、能量轉化率相對高的特點，因此使用銅絲作為電爆炸金屬絲。實驗中銅絲直徑為0.4 mm、長50 mm，制作成對稱的盤狀結構，兩端與銅條焊接。2根銅條的另一端分別與電爆炸裝置的正負極連接，構成整個球狀金屬絲電爆炸回路。絕緣棒由聚乳酸(PLA)材料通過3D打印制作而成，兩側留有2個方形溝槽，2根銅條分別置于溝槽內，用以防止2根銅條之間直接放電。電極直徑為10 mm，長170 mm。

圖2 球狀藥包結構示意與試件Fig.2 Schematic diagram of spherical charge and specimen

(2)預制試件。根據具體的研究問題，可以預制不同性質和結構的相似材料模型，或直接采用巖石等開展實驗。采用預制水泥砂漿試件，尺寸為300 mm×300 mm×150 mm的立方體，單軸抗壓強度為46.8 MPa，泊松比為0.25，彈性模量為7.1 GPa，密度為2 100 kg/m3。

(3)鉆鑿炮孔。在試件300 mm×300 mm面的中心鉆鑿炮孔，炮孔直徑12 mm，深度130 mm，最小抵抗線20 mm。炮孔要與自由面垂直，避免出現斜孔。根據實驗需求，可以在試件的不同位置鉆鑿不同尺寸的炮孔。

(4)填塞電極。采用速凝水泥作為填塞介質，首先將一定濃度的速凝水泥砂漿填入炮孔，然后迅速將制作好的電極插入炮孔。填塞過程中，要確保電極插入炮孔孔底，金屬絲與炮孔底部接觸。根據實驗經驗，試件需干燥72 h以上，待試件炮孔內部完全干燥固化后即可進行實驗。

試件加工完成后，即可開展球狀藥包電爆破實驗。實驗操作流程為：① 設置電爆炸裝置充電電壓、高速相機拍攝頻率、示波器采樣頻率等其他設備參數，使所有設備處于待機狀態；② 安裝試件，連接電路并檢查，調整高速相機圖像的清晰度；③ 通過電光延時同步控制器設置高速相機、示波器與高壓脈沖發生器的同步或延時工作時間；④ 利用雙極性充電電源給Marx儲能模塊充電到設定電壓；⑤ 觸發電光延時同步控制器啟動按鈕，使電爆炸裝置、高速相機、示波器等協調啟動，完成爆破過程；⑥ 對電爆炸裝置進行接地放電，釋放殘留電荷，保存采集數據，完成整個實驗過程。

2.2 球狀藥包實驗結果與分析

2.2.1立方體試件表面裂紋擴展過程

分別進行了充電電壓為30,40和50 kV條件下的球狀藥包爆破水泥砂漿試件實驗，對應的系統能量分別為1.8,3.2和5.0 kJ。使用高速相機拍攝試件的破壞過程，拍攝頻率為200 000幀/s。使用羅氏線圈測量電爆炸過程中的電流。

圖3為在不同充電電壓條件下球狀藥包爆破水泥砂漿試件自由面裂紋擴展過程。當電爆炸裝置充電電壓為30 kV時(圖3(a))，在100 μs時還未出現裂紋。直到200 μs，出現了3條徑向裂紋，之后裂紋逐漸擴展。在400 μs時刻出現一圈環向裂紋。在890 μs時刻，第2圈環向裂紋已經完全形成。在第1圈環向裂紋內，徑向裂紋很少，主要是初期形成的3條徑向裂紋。在第2圈與第1圈環向裂紋內密布許多徑向裂紋。

圖3 不同電壓條件下球狀藥包爆破試件破壞過程Fig.3 Failure process of specimen under spherical charge and different voltage

圖3(b)為充電電壓40 kV條件下水泥砂漿試件自由面裂紋的擴展過程。在金屬絲電爆炸形成的沖擊波作用下，100 μs時刻試件表面出現5條徑向微裂紋，隨后徑向裂紋繼續擴展，在200 μs時刻環向裂紋出現。在400 μs時刻觀察到漏斗邊界裂紋出現，并可觀測到爆破粉塵。在拍攝的最后時刻890 μs，爆破漏斗邊界已經形成，并且破裂區內的裂紋數量增多。

圖3(c)為充電電壓50 kV條件下水泥砂漿試件自由面裂紋的擴展過程。與充電電壓為40 kV條件下裂紋的產生和擴展相類似，在100 μs時刻形成5條徑向微裂紋，但此時環向裂紋也逐漸形成。隨著爆破過程的進行，徑向裂紋逐漸增多并不斷延伸擴展。200 μs時刻，在炮孔中心處形成密布的徑向裂紋與環向裂紋。在400 μs時刻觀察到爆破粉塵出現，在拍攝的最后時刻890 μs，破裂區內的裂紋數量進一步增多，爆破塊度變得更加破碎并向外飛散。

由圖3可以看出，在不同充電電壓條件下，爆破漏斗的形成過程均為：首先徑向裂紋形成，然后是環向裂紋形成。但是，在不同充電電壓條件下，裂紋的數量、出現時間與試件的破碎程度存在著較大的差異。在電壓為30 kV時，由于注入到電爆炸等離子體通道中的能量少，從而導致其膨脹率和產生的沖擊波壓力較小，水泥砂漿碎塊獲得的動能較小，致使其裂紋較少，拋擲時間滯后。隨著充電電壓逐漸升高，能量逐漸增大，裂紋出現的時間提前，爆破漏斗內的裂紋數量逐漸增多，試件的破碎塊度減小。

2.2.2盤狀金屬絲電爆炸電流

圖4為盤狀金屬絲在充電電壓為30,40和50 kV條件下電爆炸過程中的電流。由圖4可以看出，在球狀藥包條件下，隨著電壓升高，電流的峰值逐漸增大。電爆炸沖擊波的特性主要是由電流的前半個周期決定的。因此，隨著電壓升高，電爆炸過程中的能量逐漸增大，沖擊波逐漸增強，可以通過改變實驗中的充電電壓獲得不同的爆炸動載荷。但是，充電電壓對電流的上升沿幾乎沒有影響。因此，電流的上升速率隨電壓升高而增大，電爆炸引起的沖擊波加載速率隨電壓升高而增大。

圖4 不同電壓條件下盤狀金屬絲電爆炸電流Fig.4 Electrical explosion current of disc wire under different voltage

3 柱狀藥包爆破實驗方法與應用

3.1 柱狀藥包實驗模型與實驗流程

圖5為金屬絲電爆炸模擬柱狀藥包爆炸破碎圓柱形水泥砂漿試件的結構示意圖與實物圖。實驗模型的制作流程為：① 制作電極。電極結構如圖5(a)所示，由電爆炸金屬絲、2根方形銅條組成。金屬絲依然采用直徑為0.4 mm、長50 mm的銅絲，兩端與銅條焊接，銅條再與電爆炸裝置的正負極連接，構成整個柱狀金屬絲電爆炸回路。根據實驗需要，可以選用不同材料、長度、直徑的金屬絲；② 預制試件。采用預制圓柱形水泥砂漿試件，水泥砂漿材料與2.1節材料配比一致。設計試件高度為150 mm，直徑為100 mm，金屬絲預埋在圓柱試件的中心(圖5(a))。預制試件過程中要保證金屬絲位于試件的幾何中心，并保持直線狀態。柱狀藥包爆破實驗操作流程與球狀藥包爆破流程一樣，不再贅述。

圖5 圓柱形試件結構示意與實物Fig.5 Schematic diagram and photo of cylindrical specimen

3.2 柱狀藥包實驗結果與分析

3.2.1圓柱體試件表面裂紋擴展過程

仍然采用充電電壓30,40和50 kV分別進行柱狀藥包爆破實驗，圖6為試件表面爆破裂紋擴展過程。當充電電壓為30 kV時(圖6(a))，在100 μs時刻，試樣表面還未見明顯的裂紋。在200 μs時刻，中心位置的縱向可見一條明顯的裂紋，此時橫向裂紋也開始形成發展。在400 μs時刻，橫向裂紋和縱向裂紋基本全部形成。在890 μs時刻，橫向裂紋和縱向裂紋繼續擴展，但沒有形成新的裂紋。

圖6 圓柱試件在柱狀藥包和不同電壓條件下破壞過程Fig.6 Failure process of specimen under cylindrical charge and different voltage

圖6(b)為充電電壓為40 kV條件下裂紋的擴展過程。在100 μs時刻，可見微小的橫向裂紋與縱向裂紋。在200 μs時刻，初始裂紋逐漸發展變大，縱向微裂紋逐漸增多。在400 μs時刻，幾乎所有的主裂紋已經形成，裂紋形態和200 μs時刻的裂紋網相似，橫向裂紋與縱向裂紋逐漸增大，未見其他微裂紋形成。在890 μs時刻，上述裂紋繼續發展，并伴隨著碎塊向外飛散。

圖6(c)為充電電壓為50 kV條件下裂紋的擴展過程。在100 μs時刻，試件中心位置處形成微小密布的一條橫向裂紋和2條縱向裂紋。在200 μs時刻，上述微裂紋逐漸擴展變大，并出現兩條明顯的橫向微裂紋，但是縱向裂紋并沒有增加。此時幾乎所有的裂紋已經形成。在400 μs時刻，裂紋形態和200 μs時刻的裂紋網相似，已經形成的裂紋逐漸增大，未見其他微裂紋形成。在890 μs時刻，上述裂紋繼續發展，并伴隨著碎塊向外飛散。

根據圖6，充電電壓30 kV條件下，裂紋出現的時間最晚，試件表面的裂紋數量最少，裂紋網最稀疏，并且在最終時刻裂隙的寬度也最小。充電電壓50 kV條件下，裂紋出現的時間最早，形成的裂紋網最密集，數量和裂紋寬度均最大。綜上分析可知，圓柱試件的破碎效果受充電電壓的影響很大。隨著充電電壓逐漸增大，試件表面裂紋出現的時間更早，裂紋網密度更大。

3.2.2爆破塊度

圖7為水泥砂漿圓柱形試件在充電電壓30,40和50 kV條件下的爆破塊度。由圖7可以看出，在直線型金屬絲電爆炸作用下，水泥砂漿試件破碎成不同的塊度。在充電電壓為30 kV條件下，爆破之后的碎塊體積較大，只會產生較少的小碎塊。相比較30 kV電壓下的爆破塊度，40 kV充電電壓下的爆破塊度體積減小。當充電電壓達到50 kV時，爆破塊度再次減小，而且產生的粉末狀碎屑明顯增多。

圖7 不同電壓下圓柱形試件的爆破塊度Fig.7 Blasting fragmentation of cylindrical specimen under different voltage

由圖7可知，充電電壓的大小對圓柱水泥砂漿試件的破碎效果有非常重要的影響，隨著充電電壓的增大，爆破后的碎塊體積越來越小。

3.2.3直線型金屬絲電爆炸電流

圖8為充電電壓30,40和50 kV條件下直線型金屬絲電爆炸過程中的電流。由圖8可以看出，隨著充電電壓逐漸升高，直線型金屬絲電爆炸過程中電流峰值逐漸增大。表明充電電壓越高，電爆炸過程中的能量越大，沖擊波越強，可以通過改變實驗中的充電電壓獲得不同的柱面波載荷。同時，隨著電壓升高，電流的振蕩周期變長。但是，充電電壓并沒有改變電流的上升沿時間。

圖8 不同電壓條件下直線型金屬絲電爆炸的電流Fig.8 Electrical explosion current of linear wire under different voltage

4 討 論

4.1 金屬絲電爆炸與TNT爆炸的異同

4.1.1氣體量

表1為實驗中銅金屬絲參數。銅絲在發生電爆炸后等離子氣化成為氣體，氣化后標況下體積為：Vcu=m/mmol×22.4×103=19.7 cm3,其中，Vcu為實驗中銅絲氣化后的體積；m為實驗中銅絲質量；mmol為銅的摩爾質量。

表1 實驗中銅絲參數

當實驗電壓為50 kV時，電爆炸系統能量為5 kJ。1 g TNT釋放能量為4.184 kJ，爆生氣體為1.09 L。按能量等效原理，該次電爆炸相當于1.195 g TNT，標況下其爆生氣體體積為：VTNT=1 302.6 cm3。

實驗中銅等離子體體積與相同當量TNT爆生氣體的體積比為：Vcu/VTNT=1.51%。

按能量等效原理，銅絲等離子爆炸產生的氣體僅為相同當量TNT爆炸產生氣體的1.51%。同時，金屬絲在電爆炸等離子氣化后，由于溫度降低，迅速吸附于材料表面，不會自由擴散流動。因此，金屬絲電爆炸過程中可以忽略等離子體對爆破效果的影響，認為巖石等脆性材料在電爆炸載荷作用下的破壞只是沖擊波造成的。通過比較炸藥和銅絲發生爆炸后生成物的體積，說明金屬絲電爆炸僅提供沖擊波動能。用鈍感含能材料補充氣體的電爆炸與化爆組合方法能更好的模擬炸藥爆炸效應。

4.1.2峰值壓力

在炮孔粉碎區范圍內，任一點引起的徑向應力[17]可表示為

(1)

式中，σ為材料的徑向壓應力；r為裝藥半徑；R為粉碎區半徑；P為爆轟初始應力；μd為材料動態泊松比，μd=0.8μ[18]，μ為靜態泊松比。

巖石類脆性材料的動態抗壓強度與靜態抗壓強度[19]的關系為

(2)

在粉碎區范圍內，巖石破壞是受壓所致，其破壞準則[22]為

σ≥σd

(3)

根據式(1)～(3)可以確定粉碎區范圍，或在已知粉碎區范圍的情況下反推初始爆轟壓力。

圖9為充電電壓為50 kV，銅絲長100 mm、直徑0.4 mm條件下電爆炸在水泥砂漿試件中形成的粉碎區[16]，本次實驗水泥砂漿強度σc為46.8 MPa，泊松比μ為0.25，測得粉碎區的半徑R為2.505 mm，裝藥半徑r即為銅絲半徑。

圖9 金屬絲電爆炸時的粉碎區直徑Fig.9 Diameter of smash district caused by wire electrical explosion

根據式(1)～(3)，計算得電爆炸的初始應力P為49.05 GPa，約為TNT爆轟壓力21 GPa[23]的2.34倍。本文只討論了在充電電壓為50 kV，長100 mm、直徑0.4 mm銅絲的電爆炸峰值壓力，不同充電電壓(能量)條件下，不同材料、參數金屬絲的電爆炸峰值壓力還有待進一步研究。

金屬絲的材料、長度、直徑等對電爆炸過程中的沖擊波特性、能量轉化率等具有重要影響[24-25]，可以通過改變金屬絲材料、參數等獲得實驗所需的沖擊波載荷。

4.2 實驗模型的幾何相似

在圖6模擬柱狀藥包實驗中，金屬絲長度為50 mm，直徑為0.4 mm，長度與直徑的比為125。在開展炸藥柱狀藥包爆破實驗時，裝藥直徑需大于炸藥的臨界直徑，爆轟才能穩定傳播。如果裝藥直徑小于臨界直徑，爆轟就會終止。臨界直徑的存在限制了柱狀藥包幾何相似模型實驗的開展。與炸藥的柱狀藥包相比，直線型金屬絲具有細而長的優勢，可以靈活地改變金屬絲的長度與直徑獲得不同長徑比，進而模擬淺孔或深孔的柱狀藥包爆破。

例如，謙比希銅礦東南礦區的北采區巷道掘進淺孔爆破[26]，炮孔直徑為45 mm、孔深3.7 m，孔深孔徑比為82.2，若采用直徑為0.4 mm銅絲進行爆破模擬，絲長取32.88 mm即可。而對于該礦主礦體無底柱分段崩落法中深孔爆破[27]，炮孔直徑為76 mm、孔深16 m，孔深孔徑比為210.5，仍然采用直徑為0.4 mm銅絲進行爆破模擬，則絲長為84.2 mm。

可見，本實驗方法可以靈活地改變金屬絲的長度、直徑、結構等參數，來匹配現場爆破參數進行小型化的幾何相似模型實驗，克服了爆轟臨界直徑對試件尺寸的制約。

5 結 論

(1)提出并設計了金屬絲電爆炸模擬炸藥爆炸破碎巖石類脆性材料的實驗方法。實驗結果表明金屬絲電爆炸可有效破碎水泥砂漿材料，是一種有效模擬炸藥爆炸載荷的實驗手段。在球狀與柱狀電爆炸沖擊載荷作用下，隨著電壓(能量)逐漸增大，試件表面裂紋出現的時間越早、數量越多，破碎塊度越小。

(2)金屬絲的參數、結構與充電電壓等對電爆炸過程有明顯的影響。根據不同的實驗需求，可以通過改變充電電壓與金屬絲的材料、參數、結構等獲得所需的爆炸沖擊載荷。銅絲具有能量利用率較高、抗拉伸、易成型等特點，因此推薦使用銅絲作為電爆炸破碎脆性材料的金屬絲。

(3)與炸藥爆炸相比，金屬絲電爆炸破碎材料時，等離子化的氣體少，且迅速冷卻并吸附于材料表面，因此金屬絲電爆炸氣體可忽略不計，只提供沖擊波載荷。當電壓為50 kV時，直徑0.4 mm、長100 mm直線型銅絲電爆炸時的峰值壓力為49.05 GPa。

(4)可以通過改變電極直徑與抵抗線，開展多種尺寸的球狀藥包漏斗爆破模型實驗。同時，金屬絲具有細而長的優勢，可以通過改變金屬絲的長度與直徑，靈活地開展各種長徑比的小型化柱狀藥包模型實驗。