炮孔间距对切缝药包爆生裂纹扩展规律的影响

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　岳中文，田世颖，陈志远(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)

　　摘要：为研究炮孔间距对切缝药包爆生裂纹扩展的影响，采用爆破加载数字激光动态焦散线实验系统和数值模拟相结合的方法，对比分析了孔间爆生裂纹在不同炮孔间距下的扩展规律。结果表明：随着炮孔间距的增加，孔间爆生主裂纹不再表现为直接贯穿，而是发生偏转呈现“牵手状”分布;爆生主裂纹在扩展过程产生明显波动，且在裂纹相遇区该波动行为更为显著;爆生主裂纹扩展速度、动态应力强度因子的峰值以及裂纹相遇区的应力峰值均取决于炮孔间距，炮孔间距较小时，峰值较大，有利于裂纹的定向扩展。

　　关键词：切缝药包;炮孔间距;动态焦散线;数值模拟;裂纹扩展

　　文献标识码：A

　　InfluenceofintervalofholesoncrackpropagationlawinslitchargeblastingYUEZhongwen，TIANShiying，CHENZhiyuan(SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)Abstract：Inordertostudytheinfluenceofdifferentintervalofholesoncrackpropagationunderexplosiveload，thelawofcrackpropagationunderdifferentintervalofholeswasanalyzedbyusingthedynamiccausticstestsystemandthenumericalsimulationmethod.Theresultsshowthat，withtheincreaseoftheholes，theexplosivecracksnolongershowdirectpenetration，butthedeflectionappearsa"handinhand"distribution.Withtheincreaseoftheintervalofholes，thecrackspropagateoscillationsintheprocessofexpansion，andtheoscillationbehaviorismoreobviousinthecracksmeetingarea.Thepeakvaluesofmaincrackspropagationvelocity，stressintensityfactor，stressofthecrackmeetingareaalldependontheintervalofholes，theintervalofholesissmallandthepeakvaluesislarger，whichisbeneficialtothedirectionalfracture.

　　Keywords：slottedcartridge;intervalofholes;dynamiccaustics;numericalsimulation;crackpropagation

　　1引言

　　在开采矿物、隧道掘进等工程中，传统的爆破方法对爆破后围岩的稳定性和完整性造成严重破坏，使工程超欠挖明显。作为岩石定向断裂爆破的一种重要方法——切缝药包定向断裂爆破，使能量沿切缝方向释放，该方向的孔壁产生预裂隙，爆生气体作用下优先形成引导裂纹，吸收非切缝方向的能量，从而抑制非切缝方向裂纹的扩展，确保了爆破成形质量，控制超欠挖量[1]。近来，多位学者对切缝药包定向爆破的机制进行了一定的研究。杨仁树等[2-3]分别研究了耦合、不耦合装药下切缝药包定向断裂控制爆破机制，得出切缝药包定向断裂爆破效果最佳的不耦合系数为1.67。杨国梁等[4]将切缝药包引入到掏槽爆破，验证了切缝药包掏槽爆破的可行性。戴俊等[5]采用数值模拟的方法对岩石中切缝药包孔间爆生裂纹的贯通机制进行了研究，从理论上验证了工程中切缝管切缝宽度取值的可行性。李清等[6]研究了有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。杨仁树等[7]研究了不同结构中切缝药包的爆炸效应，确定切缝管工业化生产合理的结构参数。岳中文等[8]研究了切缝药包空气间隔装药爆破在水泥浆中的动态响应，得出切缝药包定向断裂爆破效果较优的轴向不耦合系数为1.5～2.0。申涛等[9]对切缝药包爆破技术的优缺点、作用机制等进行了总结。高全臣等[10]进行了切槽孔、切缝药包和聚能药包的定向断裂爆破对比试验，证明切缝药包爆破效果最佳。岳中文等[11]对含圆孔缺陷的PMMA材料进行了爆破实验，对比分析了单、双炮孔爆炸荷载下爆生裂纹的扩展规律。张玉明等[12]根据切缝药包在现场应用中存在的问题，通过模型实验，对切缝药包的参数进行优化，得出了在壁厚一定的条件下，爆破效果最佳的管径和缝宽配比。杨仁树等[13]通过实验验证了简易切缝药包不仅成型好而且可为企业创造较高的经济效益，适合在岩巷快掘施工中推广。徐颖等[14]从理论上分析了装药不耦合系数与爆破作用的关系，并通过实验得到不耦合系数为1.67时的爆破裂纹长度最长的结论。朱红兵等[15]对空气间隔装药做出了理论解释，并对如何确定合理空气间隔段比例提出了解决方法。王汉军等[16]对定向断裂爆破进行了实验研究、数值计算及力学分析，阐述了爆生裂纹起裂、扩展过程的作用机制。在实际工程中也会面临如何选择合理炮孔间距的问题，如果炮孔间距过小，钻孔的工作量会增加，并使粉碎区变大，提高经济成本;而炮孔间距过大，则不能达到爆破效果[17-18]。但现有文献关于炮孔间距对切缝药包爆破孔间爆生裂纹动态断裂特性的研究相对较少。本文采用动态焦散线试验方法并结合数值模拟，对不同炮孔间距下孔间爆生裂纹扩展的变化规律进行了研究。

　　2焦散线方法原理

　　透射式焦散线方法原理是将激光通过扩束镜形成平行光透射过试件，试件在受到荷载作用时裂纹尖端区域的厚度及折射率发生改变，该区域附近的透射光线发生偏转，在距离试件z0处的参考平面处形成焦散斑，如图1所示[19]。其中，I型裂纹的焦散曲线如图2所示。

　　I型裂纹尖端动态应力强度因子[20]可表示为

　　3动态焦散线实验

　　3.1实验系统

　　采用透射式数字激光动态焦散线实验系统，如图3所示。本实验中场镜直径均为300mm，焦距均为1200mm，激光器输出功率设为60mW，z0为900mm，高速摄像机拍摄频率设为100000fps，拍摄图像分辨率为320pixel×192pixel。

　　3.2实验描述

　　实验材料为聚甲基丙烯酸甲酯即PMMA，其动态力学参数见表1[21]。试件几何尺寸为400mm×230mm×5mm，炮孔对称位于试件中央，炮孔直径为10mm，如图4所示。切缝管采用硬质PVC材料，其内直径为8mm，与炮孔壁紧密贴合装配，管壁厚度为1mm，采用不耦合装药结构，居中放置直径为6mm的炸药药柱，不耦合系数为1.67。对与小直径切缝管，当切缝宽度小于1mm时，难以在切缝方向形成裂隙，当宽度大于1mm时，将沿切缝处形成多个方向的裂隙，失去定向断裂效果，所以切缝宽度取为1mm，PVC管的物理力学参数见表2[22]。试件炮孔间距L分别取炮孔直径的11，12，13，14倍，并据此将试件分为S11，S12，S13，S14四组。炸药选用叠氮化铅，单孔装药量取为120mg[23]，炸药性能见表3[3]。装药同时在切缝药包中插入铜丝导线，实验前将铜丝导线连接多通道脉冲点火器，利用点火器放电的电火花来起爆炸药。所有实验均为同时起爆，在起爆前预先开启高速相机，对实验过程进行完整记录。

　　4结果及分析

　　4.1爆生裂纹扩展轨迹

　　图5为试件S11，S12，S13，S14的实验结果图。除沿炮孔切缝方向产生的爆生主裂纹外，在炮孔周围会产生数量不定的短裂纹。炮孔间距较小时，裂纹扩展过程中的能量损耗较小，爆炸波能量相对较大，在裂纹相遇前扩展阻力对裂纹扩展的影响较小，在裂纹相遇时爆生裂纹受到应力波的干扰较小，裂纹表现为直接贯穿，如图5(a)所示。随着炮孔间距的增大，裂纹扩展过程中的能量损耗增大，在裂纹相遇前，受到扩展阻力的影响增大，裂纹扩展过程中的波动行为加剧，在裂纹相遇时，受到应力波的干扰增大，裂纹不再表现为直接贯穿，开始形成“牵手状”区域，且该区域的面积也随之不断增大，如图5(b)，

　　4.2动态焦散斑图像

　　图6为爆破时试件裂纹尖端的焦散斑图像。t=0μs时，起爆切缝药包。t=10μs时，所有试件在切缝药包处开始出现焦散斑。由图6可见，试件S11，S12，S13，S14分别在t=120μs，t=140μs、t=170μs、t=190μs时，左、右两侧焦散斑相遇。随后，试件左、右两侧的焦散斑分别向对侧传播，并迅速减小。随着炮孔间距的增大，爆炸波在爆生裂纹扩展过程中的能量损耗增大，受到扩展阻力的影响以及异侧应力波的干扰增大，爆生裂纹扩展路径偏离炮孔中心连线的距离增大，并在相遇时发生明显的交错，此时裂尖焦散斑尺寸变小。

　　由图6可见，试件焦散斑的传播过程可分两个阶段，第一阶段为左、右两侧焦散斑相遇前，焦散斑稳定传播，焦散线大致呈I型裂纹尖端焦散线形状，直至相遇，但随着炮孔间距增大，焦散斑相遇时的重叠部分变小;第二阶段为焦散斑相遇分离后，焦散斑迅速减小直至消失，焦散线不再呈现为简单的I型裂纹尖端焦散线形状。

　　4.3爆生主裂纹扩展速度变化

　　图7为爆生主裂纹扩展速度v随时间t的变化曲线。由图7可见，在四种试件起裂后，裂纹的扩展速度变化规律在焦散斑相遇重叠前较为相似，均表现为先波动减小，然后增大，这是由于爆炸应力波初期衰减以及爆生气体对裂纹的推动作用引起的;直到焦散斑相遇时，除试件S11外其他试件均出现两个较大峰值，这是由于两侧裂纹相遇，裂尖爆生气体压力波叠加引起的裂纹扩展速度提升。

　　试件S11在t=130μs时，焦散斑分离后，裂纹扩展速度达到峰值887.7m/s;其他试件裂纹扩展速度均在焦散斑相遇时达到最大峰值，试件S12，S13，S14分别在t=140μs、t=160μs、t=190μs时裂纹扩展速度达到峰值568.4，485.4，446.4m/s。在焦散斑分离之后，试件裂纹扩展速度迅速减小。试件S11并未在焦散斑相遇时达到峰值是由于炮孔间距较小，焦散斑重叠的同时爆生气体传播到裂纹尖端处，导致裂纹扩展出现增速现象，之后焦散斑迅速消失，未记录下速度衰减过程。

　　由此可知，随着炮孔间距的增大，裂纹扩展速度在受到爆生气体影响前的波动幅度增大，所能达到的峰值减小。

　　4.4爆生主裂纹尖端动态应力强度因子

　　图8为爆生主裂纹尖端动态应力强度因子KId随时间t的变化曲线。由图8可知，t=0～30ms为起裂阶段，各试件裂纹的应力强度因子均在t=10μs出现最大值并急剧降低。试件S11裂纹动态应力强度因子只出现一个峰值，在t=120ms时达到该峰值4.87MN/m3/2。试件S12，S13，S14动态应力强度因子分别在t=100ms，t=100ms，t=110ms达到最大峰值4.68MN/m3/2，4.32MN/m3/2，4.19MN/m3/2。

　　试件S11动态应力强度因子只出现一个峰值是由于炮孔间距较小，焦散斑相遇的同时爆生气体压力波传播到裂纹尖端处，此时达到最大值。试件S12，S13，S14动态应力强度因子均出现两个峰值，第一个峰值是由于初始冲击波衰减后的应力波加快裂纹扩展，提高了动态应力强度因子，第二个峰值是由于两侧裂纹相遇，裂尖爆生气体压力波的叠加，提高了动态应力强度因子。

　　由此可知，随着炮孔间距的增大，裂纹动态应力强度因子在受到爆生气体影响前的波动幅度增大，所能达到的峰值减小。5数值模拟及分析

　　5.1模型建立及参数设置

　　采用ANSYS/LS-DYNA有限元程序对切缝药包在不同炮孔间距下双孔爆破的冲击动力学行为进行模拟。图9为模型示意图，由内至外分别为炸药、切缝管、空气和PMMA试件，数值模拟模型几何参数与实验相同。

　　5.2爆轰过程分析

　　图10为PMMA试件中VonMises应力传播过程。不同炮孔间距下试件的爆破过程相似，在此仅以试件S11为例，如图所示，t=2.4s炸药已爆轰完全，在切缝处向外产生较强压应力波。应力波主要沿切缝方向向外传播，初期应力场呈现以炮孔连线方向为长轴的椭圆形分布，如t=10.8s时所示。应力场中较大应力主要以炮孔为中心呈现“X”状分布，t=20.4μs尤为明显。t=33.6μs、t=42.0μs应力场发生叠加效应，且沿着炮孔中心连线的法线方向发展。应力波传播过程中主要在炮孔中心连线两侧形成对称的环状拉应力场，这也是实验中裂纹以I型裂纹破坏为主的部分原因。

　　测点处VonMises应力变化曲线。各测点可以明显观察到压力跃增，A1，A2，A3测点的应力峰值依次减小，且远小于A1测点;A4测点的应力值略大于A3测点，这是应力波的叠加效应所致。每测点均在应力跃增之后产生波动，这是左右炮孔应力波传播干扰所致，随着距炮孔的距离增大，应力的波动范围依次减小。

　　5.3不同炮孔间距爆破效果的对比分析

　　图12为不同试件各测点峰值对比图。随着炮孔间距的增大，各试件相同测点处应力峰值呈下降趋势，孔间距越小的试件应力波衰减越快。在炮孔间距较小的试件如S11，S12中可以观察到A4测点应力峰值略大于A3测点，这是由于两侧炮孔应力的叠加所致，但在S13，S14试件中A4测点应力峰值小于A3测点，这是因为应力波的传播距离增大应力波能量损耗增大，两侧炮孔的应力叠加仍小于A3测点峰值。孔间距较小的试件中应力衰减快，但孔间距较小能量损耗少，受到扩展阻力和异侧应力波的影响较小，有利于裂纹的定向扩展;孔间距较大的试件能量损耗大，受到扩展阻力和异侧应力波的影响较大，不利于裂纹的定向扩展。

　　5.4数值模拟与实验结果对比分析

　　采用焦散线实验系统可以对爆生裂纹的动态力学行为进行观测和研究，但是针对炸药爆炸及作用过程不能直接观测，所以采用数值模拟的方法对切缝药包爆破的冲击动力学行为进行分析。实验结果可见，炮孔间距较大的试件裂纹扩展速度和应力强度因子所能达到的峰值小于炮孔间距较小的试件，且裂纹定向扩展效果较差，数值模拟结果显示，从试件S11到试件S14中各测点的应力峰值逐渐减小，这表明炮孔间距的增大使爆炸应力波及爆生气体压力波所携带的能量衰减幅度增大，炮孔间距较大时甚至达不到材料的起裂韧度，符合实验结果。

　　6结论

　　采用动态焦散线实验方法与数值模拟方法，根据现有切缝药包定向断裂爆破的研究，对装药的不耦合系数[2-3]、切缝管宽度[12]、装药量[23]等重要参数进行取值，在切缝药包爆破效果最优的参数基础上研究了不同炮孔间距下孔间爆生裂纹的扩展规律。主要研究结论如下：

　　随着试件炮孔间距的增大，两侧爆生主裂纹不再直接贯穿，而是在裂纹尖端处呈现“牵手状”分布，且“牵手状”区域面积也随之增大;在炮孔间距较大的试件中，可观察到爆生主裂纹尖端近似垂直指向异侧裂纹的现象。

　　随着炮孔间距的增大，裂纹扩展轨迹偏离两炮孔中心线的距离增大，爆生裂纹在扩展过程产生波动，且在裂纹相遇区该波动行为更为显著。炮孔间距较短时，裂纹扩展速度、裂尖动态应力强度因子均较大，有利于爆生裂纹的定向扩展。随着炮孔间距的增大，相同测点处应力峰值呈现逐渐减小的趋势，应力波的叠加效应也随之减弱。

　　参考文献(References)：

　　[1]杨仁树，佟强，杨国梁.聚能管装药预裂爆破模拟试验研究[J].中国矿业大学学报，2010，39(5)：631–635.(YANGRenshu，TONGQiang，YANGGuoliang.Pre-splittingBlastingwithBindingEnergyTubeCharges：SimulationsandExperimentalResearch[J].JournalofChinaUniversityofMiningandTechnology，2010，39(5)：631–635.(inChinese))

　　[2]杨仁树，高祥涛，陈程，等.切缝药包爆炸波传播机制实验研究[J].煤炭学报，2014，39(8)：1434–1440.(YANGRenshu，GaoXiangtao，ChenCheng，etal.Experimentalstudyonblastwavepropagationmechanismsofsplit-tubechargeholder[J].JournalofChinaCoalSociety，2014，39(8)：1434–1440.(inChinese))

　　[3]杨仁树，王雁冰.切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(7)：1337–1343.(YANGRenshu，WANGYanbing.Experimentalstudyofdynamicfractureeffectofblastingcrackinslottedcartridgedecouplingchargeblasting[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2013，32(7)：1337–1343.(inChinese))

　　[4]杨国梁，杨仁树，佟强.切缝药包掏槽爆破研究与应用[J].煤炭学报，2012，37(3)：385–388.(YANGGuoliang，YANGRenshu，TONGQiang.Researchandapplicationofcutblastingwithslottedcharge[J].JournalofChinaCoalSociety，2012，37(3)：385–388.(inChinese))

　　[5]戴俊，王代华，熊光红，等.切缝药包定向断裂爆破切缝管切缝宽度的确定[J].有色金属，2004，56(4)：110–113.(DAIJun，WANGDaihua，XIONGGuanghong，etal.DeterminationofSlotWidthinASlottedPipeforDirectional-splitBlasting[J].Nonferrousmetals，2012，37(3)：385–388.(inChinese))

　　[6]李清，于强，朱各勇，等.不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验[J].岩石力学与工程学报，2017，36(9)：2205–2212.(LIQing，YUQiang，ZHUGeyong，etal.Experimentalstudyofcrackpropagationundertwo-holeslottedcartridgeblastingwithdifferentamountsofcharge[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2017，36(9)：2205–2212.(inChinese))

　　[7]杨仁树，曹文俊，高祥涛.不同结构切缝药包爆炸效应试验研究[J].煤炭科技，2015，41(9)：32–49.(YangRenshu，CAOWenjun，GAOXiangtao.Experimentalstudyonexplosioneffectofslottedcartridgewithdifferentstructure[J].ChinaCoal，2015，41(9)：32–49.(inChinese))