不耦合装药对炸药能量利用率影响的实验研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.006 不耦合装药对炸药能量利用率影响的实验研究* 岳中文飞晓冰；陈志远，魏榕平2,魏正2,于蒙洲2,宋家F 1.中国矿业大学北京力学与建筑工程学院，北京100083 ； ；2,内蒙古康宁爆破有限责任公司，鄂尔多斯017000 摘要通过实验室实验以及数值模拟的方法，对不同不耦合系数装药下炸药在混凝土模型中爆炸所产生 的爆破漏斗进行对比分析。得到在相同装药量情况下，不耦合系数分别为1.0J.4和1.8时,爆破振速的衰 减速度随着不耦合系数的增大呈现先减小后增大的趋势，爆破漏斗的体积随着不耦合系数的增大同样呈现 先减小后增大的趋势。通过对爆破后粉碎区大小以及炸药爆炸所引起的爆破振动进行比较，发现存在一个 最佳不耦合系数使得炸药的能量能够更加充分的利用，提高炸药爆炸时的能量利用率。 关键词不耦合装药；能量利用率；爆破振动；爆破漏斗；数值模拟 中图分类号TD804 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0034 - 06 Experimental Study of Effect of Uncoupled Charg e on Energ y Utilization Efficiency of Explosives YUE Zhong-wen , HU Xiao-bing1, CHEN Zhi-yuan , WEI Ge-ping2 , WEI Zheng2 , YU Meng-zhou,SONG J ia-wang 1. Sch o o l o f Mech a n ics a n d Civil En gin eer in g, Ch in a Un iver sit y o f Min in g a n d Tech n o l o gy, Beijin g 100083,Ch in a；2. In n er Mo n go l ia Ka n gn in g Bl a st in g Co . ,Lt d・,Or do s 017000,Ch in a Abstract The blasting craters g enerated by the explosion in the concrete model under different decoupling coe仁 ficients were compared by model experiments and numerical simulation s. I t was observed that the attenuation speed of the blasting vibration velocity decreased firstly and then increased with the increase in decoupling coefficient 1.0,1.4 and 1.8 under the same charg ing amount. Similarly, the volume of the blasting crater also decreases first ly and then increases with the increase of the decoupling coefficient. I t is found that there is an optimal decoupled charg e so that the energ y of the explosive can be more fully utilized and energ y utilization efficiency of the explosive is improved. Key words uncoupled coefficient; energ y utilization efficiency of explosives; blasting vibration ； ； blasting fun nel; numerical simulation 在煤矿井巷爆破以及露天矿山的爆破作业中， 如何提高炸药的能量利用率，提高爆破效果,降低爆 破成本，一直以来都是一个亟待解决的问题。随着 收稿日期 2020 - 04-15 作者简介岳中文1975 -，男，教授、博士，主要从事岩石动态断裂 力学方面的教学与研究工作，E-mail zwyue75 cumtb. o 通讯作者胡晓冰1996 -，男，硕士，主要从事岩石动态断裂力学 方面的研究，E-mail 1069014210 qq. com。 基金项目国家重点研发计划专项资助2016YFC0600903 爆破技术理论在实际工程领域中的应用日益成熟, 许多专家学者通过理论研究、数值模拟以及实验手 段寻找能够提高炸药能量利用率的方法。朱红兵等 对轴向不耦合装药爆破炮孔内的爆轰产物运动及其 相互作用过程进行了推导与分析，解释了轴向不耦 合装药的作用机理⑴。瑞典的La n gefo r s发现裂纹 数目随着不耦合系数的增大而减少,不耦合系数为 1.67时爆破裂纹总长度和平均长度均达到最大 值⑵。钟明寿等研究了装药不耦合系数对爆炸地 第37卷第3期岳中文，胡晓冰,陈志远,等 不耦合装药对炸药能量利用率影响的实验研究35 震波能量的影响⑶。姜鹏飞等采用动力学软件an・ SYS/LS-DYNA进行了数值模拟研究，得到了不耦合 装药爆炸时岩石应力、振动速度的衰减规律以及与 不耦合系数、间隙介质之间的关系⑷，分析了不耦 合效应对爆炸地震波能量的影响。杨仁树等进行了 切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的 实验研究⑸，同样得出在不耦合系数为1.67时切缝 药包的爆破效果最理想。王伟等通过理论计算与推 导得出，不耦合装药爆破降低了孔壁处岩石的冲击 波初始压力，但是可以增加孔壁后岩石的冲击波压 力⑹，合理的不耦合系数可以使岩石不形成粉碎 区，大幅度减低能量的耗散。岳中文等通过焦散线 方法以及数值模拟的方法,得出在不耦合装药条件 下，爆生裂纹的扩展距离更长，扩展速度与应力强度 因子更大，不耦合装药结构使得爆轰波对炮孔壁的 冲击作用降低，爆生气体的准静态作用加强⑺。龚 玖等进行了空气以及水不耦合装药对爆破块度的影 响分析，得到当不耦合系数为1.67时，空气和水耦 合介质下爆破块度和大块率都为最小值⑻。李汉 坤进行了不同不耦合系数及孔间距对煤层爆生裂隙 扩展影响的实验研究⑼。 综上所述,关于不耦合装药对爆破效果的影响 的研究已经取得了长足的进步，但是对不耦合装药 对炸药能量利用率的影响的研究还不够深入。通过 混凝土模型实验,对比分析不同不耦合系数装药条 件下产生的爆破漏斗以及试件表面所产生的爆破振 动从而反应爆破效果以及炸药的能量利用情况，并 且通过ANSYS/LS-DYNA软件对实验进行模拟，通 过模拟结果对实验结果进行验证，得到不同不耦合 系数装药条件下爆炸能量的分布与传递,为爆破技 术在实际工程中的应用提供了参考。 1不同不耦合系数下爆破模型实验 11实验材料及参数实验材料及参数 本次模型实验模型采用混凝土试件,设计为水 平模型，模型为尺寸为1800 mm x400 mm X 300 mm 的长方体试件，测点布置及装药位置如图1。经过 对混凝土试件的各项物理参数进行测量得到混凝土 的物理力学参数为密度二2. 2 g/cm3,弹性模量二 24.7 GPa ,泊松比二0.23,抗压强度二38. 86 MPa ,抗 拉强度二1.6 MPa,纵波波速二3888 m/s，横波波速二 2186 m/s。炸药选用的是黑索金单质炸药，炸药量为 2 g,由雷管引爆,黑索金参数为密度1迢2 g/cm3, 摩尔质量 222. 117 g/mo l ,爆速二8350 m/s,爆热二 5.4 MJ/mo l ,熔点二204.1 兀。 实验主要通过爆破振动大小，爆破漏斗体积以 及粉碎区大小三个指标衡量不耦合装药对提高炸药 能量利用率的效果。通过对得出的振动数据进行分 析，得出振动速度随不耦合系数改变的变化规律。 爆破漏斗体积选用物理测量，测量漏斗底部面积以 及漏斗高度，进而通过数学方法估算出漏斗体积。 最后对炮孔扩腔进行测量,得到粉碎区的大小。最 终通过以上数据分析得出不同不耦合系数下装药的 爆破效果。 图1模型实验示意图单位cm Fig . 1 Schematic diag ram of model experiment unit cm 12实验结果与分析实验结果与分析 图2为不同不耦合系数装药下各测点振动速度 曲线图。通过对振动数据进行分析,振动数据大小 呈现出较明显规律，由于空气柱的存在使得传递到 炮孔壁的炸药爆炸能量减小，因此在距离爆源较远 的位置振动速度呈现出随着不耦合系数增加而减小 的趋势。在距炮孔20 cm的两个测点上，振动数据 由于爆破漏斗的产生使得炮孔处振动数值较大且与 爆炸形成的爆破漏斗体积呈现正相关关系。由振动 值的变化曲线可以得到,不耦合系数为1怡时，爆破 振动数值随着距离提高衰减速度最快,耦合装药次 之,不耦合系数为1.4时最小。 测点三测点一测点二测点四 测点 图2不同不耦合系数装药下不同测点振动速度 Fig . 2 Vibration velocity of different measuring points under different decoupling coefficient of charg e 表1为不同不耦合系数下爆破漏斗参数。通过 对爆破后爆破漏斗的参数进行分析得到，当不耦合 系数为1时，炸药爆炸所形成的爆破漏斗体积为 1955.3 cn ,爆前炮孔直径为w mm，爆后炮孔直径 为29 mmo当不耦合系数为1.4时,爆破漏斗体积 36爆破2020年9月 为990. 57 cm3，爆前炮孔直径为14 mm,爆后炮孔直 径为17 mmo当不耦合系数为1. 8时，爆炸所形成 的爆破漏斗体积为1201.05 cn ,爆前炮孔直径为 18 mm,爆后直径为20 mmo总体看来，爆破漏斗体 积随着不耦合系数的增加先减小后增大。 表1不同不耦合系数下爆破漏斗参数 Table 1 Blasting funnel parameters under different decoupling coefficient 不耦合系数11.41.8 漏斗顶面直径/cm352630 漏斗咼度/ cm6.15.65.1 爆破漏斗体积/cn1955.30990.571201.05 爆前炮孔直径/mm101418 爆后炮孔直径/mm291720 图3为不同不耦合系数下产生的爆破漏斗。通 过观察爆破后的试件表面裂纹情况,在不耦合系数 为1.4时在试件表面形成明显裂纹，而不耦合系数 为1.0和1.8时试件表面并没有产生明显裂纹。 通过对以上实验数据的分析可以得出由于药柱 与炮孔之间的不耦合,使得药柱与炮孔壁之间存在 环形空气柱，由于空气柱的存在，使得炸药爆炸的作 用时间变长,不耦合装药爆炸时,爆轰波需要通过空 气介质传播到孔壁岩石中,爆轰波通过空气时,空气 可将爆轰初始阶段的气体产物能量储存起来,削弱 作用于炮孔的初始压力峰值而后受压气体又将大量 储存的能量释放出做功，延长了爆轰气体产物作用 的时间QQ。由不耦合系数为1.4时产生较明显 裂缝可以得到空气的存在使得模型粉碎区减小，裂 隙区变大。 a Th e co efficien t o f u n co u pl ed is 1b Th e co efficien t o f u n co u pl ed is 1.4 图3不同不耦合系数下爆炸产生的爆破漏斗 Fig . 3 Blasting funnel produced by different uncoupled coefficients （C）不耦合系数为1.8 c Th e co efficien t o f u n co u pl ed is 1.8 分析各不耦合系数装药下爆破效果,首先对比 不耦合装药和耦合装药的爆破漏斗体积，可以发现 耦合装药时产生的爆破漏斗体积大于不耦合装药, 这是因为药卷与岩石之间空气柱的存在可以减小能 量过多的用于岩石粉碎，让能量更多的用于爆生裂 纹的产生和岩石的抛掷,所以相较于耦合装药，不耦 合装药时炸药能量利用率更高；再对比两组不耦合 装药下产生的爆破漏斗,发现当不耦合系数稍增大 到1.4时，爆破漏斗体积最小，并且产生了明显的爆 生裂纹，说明此时用于岩石粉碎的那部分炸药能量 最小，炸药能量利用率相较于不耦合系数为1.0和 1.8时是最高的,但是当不耦合系数再增大到1.8 时，爆破漏斗体积又开始增大，但是仍小于耦合装 药，这是因为过大的空气柱会降低爆轰波与岩壁的 初始压力，同时过多空气会造成爆炸能量的损耗，使 得能够破碎岩石的能量降低，从而使得爆炸能量向 自由面泄露，这就是爆破漏斗体积随着不耦合系数 的增加先减少后增大的原因，也是爆破振速的衰减 速度随着不耦合系数的增大呈现先减小后增大的原 因。因此，存在一个最优不耦合系数1.4使得爆破 能量利用率最高，爆破效果最好。 2数值模拟 2.1模型参数模型参数 本次数值模拟建模为边长为40 cm的正方体, 炮孔位于正中心，炮孔深度15 cm,炮孔直径分别为 第37卷第3期岳中文，胡晓冰,陈志远,等 不耦合装药对炸药能量利用率影响的实验研究37 1 cm、1.4 cm、l . 8 cm,药包直径为1 cm,药包长度 5 cm,填塞长度10 cmo 2.2模型的建立模型的建立 数值模拟采用ANSYS/LS-DYNA显示动力分析 有限元软件，模型选用4种材料，炸药材料本构选用 * MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN，配合状态方程 * EOS_JWL；填塞材料本构选用* MAT_PLASTIC_ KINEMATIC,空气材料本构选用* MAT.NULL,配合 状态方程 * EOS_LINEAR_POLYNOMIAL ；为 了对岩 石内部损伤有更加直观的认识，岩石本构采用能够 体现压缩损伤和拉伸损伤的* MAT_RHT。炸药与 空气在模拟中视为流体，炸药与空气之间通过共节 点来实现炸药能量传递;填塞与岩石视为固体;流体 与固体之间采用流固耦合* CONSTRAINED_LA- GRANGE_IN_SOLID,从而实现爆炸能量在流固体 之间传递。 2.3岩石内部损伤模拟结果岩石内部损伤模拟结果 为了观察不同不耦合系数装药下岩石内部损伤 演化规律,得到的损伤云图如图4。 54.999 |jls 54.995 |jls 0 54.993 |jls 120 |jls 120 |jls 120 |uls 图4不同装药不耦合系数下岩石内部损伤演化 Fig . 4 Damag e evolution in rock under different decoupling coefficient of charg e 通过对图4分析可以得到，不耦合系数大小对 炸药在炮孔中爆炸时向岩石传递能量有很大影响， 对比5 pu s和15皿时损伤云图可以发现，损伤区大 小随着不耦合系数的增加逐渐减小，在30 |jls可以 看到耦合装药条件下损伤区有向上发展趋势,而不 耦合系数为1・4和1.8时并没有产生损伤区向上发 展的趋势，在55 a后,耦合装药条件下和不耦合系 数为1.8时内部损伤区大小基本不再变化,但是损 伤有明显的向上演化的趋势，并且不耦合系数为 1.4时损伤区还在继续扩大。在120 |uls时,可以看 到不耦合系数为1.4时岩石内部损伤面积明显大于 其他两种装药形式。 2.4岩石内部应力变化模拟结果岩石内部应力变化模拟结果 岩石内部的应力云图可以直观的反应爆炸荷载 下岩石内部的应力变化，因此选取不同不耦合系数 下各模型30〜50阴时间段的应力变化，得到的应 力云图如图5。 由内部的应力云图可以清楚地得到岩石内部的 应力随着时间的变化关系，在30 a时应力分布差 距较小，在35皿时开始产生较大的差异，可以看到 此时不耦合装药由于空气柱的存在,不耦合装药炮 孔壁会产生较明显的低压力区,并且低压力区随着 时间推移向上移动，在50阴时，由应力云图分布可 以发现在模型顶部,耦合装药应力值最大，不耦合系 数为1 8时应力值次之，不耦合系数为1 4时最小, 这也印证了模型实验中爆破漏斗体积与不耦合系数 的相关关系。 3结论 通过混凝土试件模型实验,结合数值模拟,进行 了不同不耦合系数下的模型爆破实验，分析了装药 不耦合系数对炸药能量利用率的影响规律，实验结 38爆破2020年9月 果表明 1 爆炸产生的爆破漏斗体积随着装药不耦合 系数的增加呈现先减小后增大的趋势，并且耦合装 药产生的爆破漏斗体积最大。 2 通过模型实验以及数值模拟结果可以得 到,不耦合装药条件下可以明显减小粉碎区大小,扩 大裂隙区，从而减小能量浪费，提高炸药能量利 用率。 3若炮孔压力过大，则会造成孔壁周围过度 粉碎而损失过多的能量，减少了输送给粉碎区以外 介质的能量;反之，若炮孔压力过小,则无充分的应 力波能量在岩石中形成足够大的破裂区。因此最佳 不耦合系数为1.4,当不耦合系数为1.4时,炸药能 量利用率最高。 29.992 |jis34.991 |jls39.988 is44.995 pis49.989 |xs 29.991 |is34.991 rs39.999 |s44.989 pis49.995 |jls 图5不同装药不耦合系数下岩石内部应力演化 Stress evolution in rock under different decoupling coefficient of charg e [5] [5] Fig . 5 参考文献参考文献 References [1] 朱红兵，卢文波，吴 亮空气间隔装药爆破机理研究 [J].岩土力学,2007,285 986-990. [1 ] ZHU Hong -bing, LU Wen-bo, WU Liang . Study on blas ting mechanism of air interval charg e [ J]. Rock and Soil Mechanics,2007,285 986-990. in Chinese [2] LANGEFORS U,KI HLSTR M B. The modern technique of rock blasting ] M]. Wiley, 1978 96-97. [3] 钟明寿，龙 源,谢全民，等.装药不耦合系数对碳酸 盐岩爆炸地震波能量的影响[J].爆炸与冲击,2011, 316 612-618. [3] ZHONG Ming -shou,LONG Yuan, XI E Quan-min. Effect of decoupling coefficient of charg e on seismic wave energ y of carbonate rock explosion [ J ]. Explosive and Shock Waves. 2011,31 6 612-618. in Chinese [4] 姜鹏飞，唐德高，龙 源.不耦合装药爆破对硬岩应力 场影响的数值分析[J] 岩土力学,2009,301 275- 279. [4 ] JI ANG Peng -fei, TANG Gao-de, LONG Yuan. Numerical analysis of the effect of uncoupling charg e blasting on stress field in hard rock [ J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,301 275-279. in Chinese 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， 2013,327 1337-1343. YANG Ren-shu, WANG Yan-bing . Numerical analysis of the effect of uncoupling charg e blasting on stress field in hard rock [ J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Eng ineering,2013,327 1337-1343. in Chinese [6] 王 伟,李小春，石 露，等.深层岩体松动爆破中不 耦合装药效应的探讨[J]岩土力学,2008,2910 369-374. [6 ] WANG Wei, LI Xiao-chun, SHI Lu. Discussion on cou pling charg e effect in deep rock blasting [ J ]. Rock and Soil Mechanics ,2008,2910 369-374. in Chinese [7] 岳中文，张士春，邱 鹏，等.装药结构对切缝药包爆 破效果影响的研究[J] 振动与冲击,2018,371027- 34. [7] YUE Zhong -wen, ZHANG Shi-chun, QI U Peng, et al. I n fluence of charg e structures on the slotted cartridg e blas ting effect[ J]. 2018 ,37 10 27-34. in Chinese 第37卷第3期岳中文，胡晓冰,陈志远,等 不耦合装药对炸药能量利用率影响的实验研究39 [8]龚玖，汪海波,王梦想，等.空气和水不耦合装药对 爆破块度影响分析[J].中国安全生产科学技术， 2018,149 105-110. [8] GONG Jiu, WANG Hai-bo, WANG Meng -xiang . Analysis on influence of water and air decoupling charg e on blas ting frag mentation [ J ]. Journal of Safety Science and Technolog y,20189 105-110. in Chinese [9] 李汉坤.不同耦合系数及孔间距对煤层爆生裂隙扩展 影响的试验研究[D].淮南安徽理工大学,2018. [9] LI Han-kun. Experimental research on the influence of different coupling coefficients and hole space on explosion fracture expansion coal bed [ D ] . Huainan Anhui Univer sity of Technolog y,2018. in Chinese [10] 吴 亮，钟冬望,卢文波空气间隔装药爆炸冲击荷 载作用下混凝土损伤分析[〕]岩土力学，，2009, 3010 3109-3114, [10] WU Liang , ZHONG Dong -wang , LU Wen-bo. Study of concrete damag e under blast loading of air-decking[ J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,3010 3109-3114. in Chinese [11] 杜俊林，周胜兵，宗 琦不耦合装药时孔壁压力的 理论分析和求算[J].西安科技大学学报,2007, 273 347-351, [11 ] DU Jun-lin, ZHOU Sheng -bing, ZONG Qi. Theoretical a- nalysis on pressure on bore wall of uncouple charg e[ J]. Journal of Xian university of science and technolog y, 2007,273 347-351. in Chinese [12] 谭元军，陈继府.空气间隔径向不耦合装药条件下柱 状药包的破岩机理研究[J]爆破,2011,281325- 327. [12] TAN Yuan-jun, CHEN Ji-fu. Theory research of powder destroying with cylinder charg e in rock under the condi tion of air interval decoupling charg e along diameter [ J ]. Blasting,2011,281 325-327. in Chinese 英文编辑袁必和 上接第14页 [10]严 鹏，赵振国,卢文波，等.深部岩体地应力瞬态卸 载诱发振动效应的影响因素[J].岩土力学,2016, 372 545-553, [10] YAN Peng,ZHAO Zhen-g uo,LU Wen-bo,et al. Factors influencing vibration effects induced by insitu stress transient unloading of deep rock mass[ J]. Rock Soil Mechanics,2016,372 545-553. in Chinese [11] 范 勇，王 奋,卢文波，等.考虑地应力瞬态卸荷低 频放大效应的深埋隧洞爆破开挖振动安全评估[J]. 岩石力学与工程学报,2018,37S2 387-400. [11 ] FAN Yong, WANG Fen, LU Wen-bo, et al. Safty ution of deep tunnel blasting excavation vibration considering low-frequency amplification effect of transient un-loading of in-situ stress [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics Eng ineering,2018,37S2 387-400. in Chinese [12] 杨建华，吴泽南,蒋水华，等.深埋隧洞爆破开挖地应 力瞬态卸荷诱发围岩振动控制方法研究[J] 岩石力 学与工程学报,2018,3712 2751-2761. [12] YANG Jian-hua, WU Ze-nan, JI ANG Shui-hua, et al. Study on controlling s for transient unloading in ducing rock vibration due to blasting excavation of deep tunnels [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and En g ineering , 2018 ,3712 2751-2761. in Chinese [13] 严 军，肖培伟,孙继林瀑布沟水电站地下厂房开 挖施工综述[J].水力发电,2010,36656-59. [13] YAN Jun,XI AO Pei-wei,SUN Ji-lin. Underg round Powe rhouse Excavation of Pubug ou Hydropower Station [ J]. Water Power,2010,366 56-59. [14] 苏鹏云瀑布沟地下厂房优化设计和洞室群围岩稳 定数值模拟分析[D ].武汉武汉大学,2004. [14] SU Peng -yun. The desig n and optimizati-on of pubug ou underg round powerhouse, and numerical simulation and analyse of wall rocks stabilization[ D]. Wuhan Wuhan University,2004. in Chinese [15] 罗 忆，卢文波,周创兵，等.高地应力条件下地下厂 房开挖动态卸荷引起的变形突变机制研究[J ]岩土 力学,2011,325 1553-1560. [15 ] LUO Yi ,LU Wen-bo, ZHOU Chuang -bing, et al. Mecha nism study of abrupt deation of underg round power house induced by excavation unloading under hig h in-si tu stress [ J] . Rock and Soil Mechanics, 2011,32 5 1553-1560. in Chinese [16] 孙林锋，朱维申，张乾兵，等.地下洞群主厂房边墙裂 缝带监测与研究[Jh地下空间与工程学报,2010, 63 543-547. [16] SUN Lin-feng, ZHU Wei-shen, ZHANG Qian-bing, et al. Study and monitoring on the side wall fracture zones of the main power house in underg round cavern g roups[ J]. Chinese Journal of Underg round Space and Eng ineering, 2010,63 543-547. in Chinese [17] 郑 俊，邓建辉,谭升魁，等瀑布沟电站地下厂房洞 室群施工期监测分析[J]地下空间与工程学报， 2011,72 346-353. [17 ] ZHENG Jun, DENG Jian-hui, TAN Sheng -kui, et al. Mo nitoring analysis of the underg round cavities in Pubug ou Hydropower Station during the construction period[ J]. Chinese Journal of Underg round Space and Eng ineering, 2011,72 346-353. in Chinese 英文编辑何松