缓冲层介质对切缝药包爆破断裂力学行为的影响

作者:张士春;岳中文;邱鹏;宋耀;原凯; 刊名:科学技术与工程 上传者:陈海

【摘要】为了研究炸药至炮孔壁之间的缓冲层介质对切缝药包爆破断裂力学行为的影响,采用新型数字激光动态焦散线测试系统,开展多组爆破光测实验。借助LS-DYNA数值模拟软件,对比分析炮孔内部压力场的分布规律。研究结果表明:切缝药包能够利用切缝管有效控制爆炸应力场的分布,使能量沿切缝方向集中释放,定向爆破效果显著。与空气相比,水提高了切缝药包对炮孔壁的冲击破坏能力,爆生主裂纹的断裂力学参数增大,表现为更长的扩展距离、更高的运动速度和动态应力强度因子。爆炸冲击波能和爆生气体脉动能是水中主要的能量存在形式,模拟结果显示水比空气具有更好的传压能力,缓冲层内形成更高的压力峰值。

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(51374210)和爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)开放基金(KFJJ17-01M)资助切缝药包能够实现定向断裂,降低爆破对围岩的损伤,广泛应用于边坡修整、隧道开挖、石材切割等领域。近些年来,国内外学者对切缝药包定向爆破技术开展了大量研究并取得显著的成果。谢华刚等[1]分析了复合型切缝药包爆破成缝机理;并且采用相似模拟试验,研究得出起爆时差在0.5~1.5ms时可以获得良好的煤层裂隙联通网络。罗勇、沈兆武[2]运用岩石断裂动力学理论结合摩尔-库仑强度准则,推导得出切缝药包爆破爆生主裂纹的初始长度与切缝宽度的关系式。姜琳琳[3]采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场试验相结合的方法,对切缝药包定向断裂控制爆破机理及其在预裂爆破中的应用进行研究。刘永胜等[4]提出一种新型水耦合切缝药包装药结构并利用射流理论探讨该结构的爆破机理。杨国梁等[5]将切缝药包引入掏槽爆破并提出“先切后掏”的爆破思想。曹文俊[6]开展了不同结构切缝药包水下爆炸实验,研究得到切缝药包水下爆炸的冲击波能量和爆生气体脉动能量分布规律。杨仁树等[7]将切缝药包控制爆破技术应用于立井硬岩掘进工程,改善了光面爆破效果。Fourney等[8]采用切缝管装药结构来提高岩石爆破成型质量。魏晨慧等[9]对不同地应力条件下切缝药包爆破爆生裂纹的演化过程进行模拟研究。戴俊等[10]运用弹性及弹塑性理论对切缝药包定向爆破形成的裂缝及扩展行为进行力学分析,提出适合于弹塑性条件下初始裂纹形成的应力强度因子。从所查文献来看,关于切缝药包不耦合装药时,炸药至炮孔壁之间的缓冲层介质对爆破效果影响的研究尚待进一步完善。焦散线方法是目前测量材料动态断裂韧性和动态应力强度因子的有效方法[11,12],能够记录和再现裂纹的演化过程,LS-DYNA模拟软件特别适合于求解爆炸等高度非线性问题。本文采用该方法借助数值分析,对比研究了空气和水分别作为缓冲层介质时,爆轰波的演化机理和爆生主裂纹的动态力学行为,分析了炮孔内部压力场的变化以及裂纹扩展速度、动态应力强度因子等断裂力学参数的差异,得到了不同缓冲层介质对切缝药包爆破效果的影响规律。1实验设备与方法1.1新型数字激光动态焦散线测试系统新型数字激光动态焦散线实验系统包括:光路系统、爆炸加载装置、高速摄像与数据采集系统、起爆装置,如图1所示。绿色激光光源的波长为532 nm,光强在0~200 m W之间可调,通过扩束镜和凸透镜1平行投射到试件表面,经凸透镜2偏转后重新聚焦在相机镜头上;采用Photron公司生产的Fastcam—SA5(16G)型彩色高速摄影机记录动态焦散斑运行轨迹,拍摄速度最高可达106fps。实验时设定相机的拍摄速度为105fps,曝光速率为1/106s-1,最大程度地降低焦散斑重影,每两幅图像之间的拍摄间隔为10μs,拍摄分别率为512×128pixels,激光器功率为64 m W。图1新型数字激光动态焦散线测试系统Fig.1 The new digital-laser dynamic caustic system1.2试件及参数试件材料选用有机玻璃板(PMMA),该材料的断裂力学行为与脆性岩石相似[13],PMMA的动态力学参数见表1。实验模型如图2所示,几何尺寸均为200 mm×120 mm×5 mm,中心用激光加工一个直径为10 mm的圆孔。切缝管采用硬质PVC(聚氯乙烯)材料,内半径为3 mm,厚度0.5 mm,切缝宽度1 mm,PVC的物理力学参数见表2。炸药选用叠氮化铅,爆炸性能见表3,单孔装药量为100 mg。在水介质切缝药包制

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