偏心不耦合装药爆破裂纹扩展实验研究.pdf

第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 004 偏心不耦合装药爆破裂纹扩展实验研究 管少华 1， 2， 蒲传金1， 2， 肖定军1， 2， 廖 涛1， 2， 郭王林1， 2 （1. 非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室， 绵阳 621010； 2. 西南科技大学 环境与资源学院， 绵阳 621010） 摘 要 为了研究偏心不耦合装药结构下爆炸裂纹扩展规律， 以有机玻璃板为介质， 采用不同装药不耦合 系数 （分别为 1. 00、 1. 29、 1. 57、 1. 71、 1. 86、 2. 00、 2. 28） 的装药结构进行爆炸实验。实验表明 偏心不耦合装 药时炸药爆炸在炮孔周围形成的微裂纹区半径是不均匀的； 随着装药不耦合系数的增大， 耦合侧和不耦合侧 的微裂纹区半径差值是逐渐增大的。在不耦合系数为 1. 71 时， 耦合侧最长主裂纹长度、 主裂纹总长度、 主裂 纹平均长度达到最大； 同时耦合侧与不耦合侧最长主裂纹长度差值、 主裂纹总长度差值及主裂纹平均长度差 值也达到最大。该研究为改进和优化偏心不耦合装药结构、 降低爆破对围岩损伤破坏具有一定的参考价值。 关键词 有机玻璃；偏心不耦合装药；装药不耦合系数；裂纹扩展 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0016 -06 Experimental Study on Crack Propagation under Eccentric Decouple Charge Structure GUAN Shao-hua1， 2， PU Chuan-jin1， 2， XIAO Ding-jun1， 2， LIAO Tao1， 2， GUO Wang-lin1， 2 （1. Non-Coal Mine Safety Technology Key Laboratory of Sichuan Province Colleges and Universities， Mianyang， 621010， China； 2. School of Environment and Resource， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China） Abstract In order to investigate blasting crack propagation behavior under eccentric decouple charge， the organ- ic glass was used to as model in the explosive experiment under different decoupling charge coefficients conditions （1， 1. 29， 1. 57， 1. 71， 1. 86， 2， 2. 28） . Results show that the micro crack area radius of eccentric decouple charge blasting in blasthole ed when the surrounding was uneven； with the increase of decoupling charge coefficient， the micro crack zone radius difference in the coupling side and the non-coupling side was gradually enlarged. When de- coupling charge coefficient was 1. 71， the length of the longest side， the total length and the average length of the main crack side of coupling side reached the maximum； at the same time， the length difference of the longest side， the total length difference and the average length difference of the main crack in the coupling side and the non-coupling side reached the maximum together. The results improved and optimized the eccentric coupling charging structure and reduced rock damage. Key words organic glass；eccentric decouple charge structure；decoupling charge coefficient；crack propagation 收稿日期 2014 -10 -04 作者简介 管少华 （1988 - ） ， 女， 硕士研究生， 主要从事工程爆破、 矿 山安全方面的研究，（E-mail） 496347859 qq. com。 通讯作者 蒲传金 （1979 -） ， 男， 副教授， 主要从事工程爆破及矿山安全 等方面的教学与科研工作，（E-mail） puchuanjinsina. com。 基金项目 四川省教育厅青年基金项目 （项目编号 11ZB194） ； 西南科技 大学研究生创新基金资助项目 （项目编号 14ycx047） 在隧道周边孔和边坡轮廓孔光面 （预裂） 爆破 时， 由于炮孔是处于水平和倾斜状态， 为便于施工， 与炮孔不耦合的装药常常贴在炮孔壁上， 这种药卷 直径小于炮孔直径并紧靠炮孔壁一侧的装药结构叫 偏心不耦合装药结构 ［1， 2］， 也叫非对心不耦合装药 结构 ［3］， 如图 1 所示。魏有志从理论上计算了偏心 不耦合装药时炮孔壁不同位置裂纹起裂的条件 ［2］。 王胜等计算了偏心不耦合装药光面爆破装药不耦合 系数的取值范围 ［3］， 张建华等通过动光弹实验表明 偏心不耦合装药爆破时， 药包附近区域的岩石破坏 程度最大 ［4］， 并提出了对传统装药结构的改进方 法。蒲传金应用应变测试方法研究了偏心不耦合装 药耦合侧与不耦合侧孔壁应变峰值规律 ［1］， 并比较 研究了同心不耦合装药和偏心不耦合装药爆破对孔 壁岩石的损伤破坏效果。前人从理论和实验方面都 对偏心不耦合装药爆破进行了研究， 但对于偏心不 耦合装药爆破时孔壁裂纹的形成和分布规律以及与 装药不耦合系数关系的研究还比较少。鉴于此， 本 文以有机玻璃为介质， 开展不同装药不耦合系数时 偏心不耦合装药爆破裂纹扩展及分布特征的实验研 究， 这对于改进和合理利用偏心不耦合装药结构具 有重要的现实意义。 图 1 偏心不耦合装药结构示意图 Fig. 1 Eccentric decouple charge structure 1 偏心不耦合装药爆破孔壁压力分析 文献 ［5］ 指出在非对心不耦合装药时， 炮孔压 力可以用式 （1） 计算。 Pbs PH rbs [] r 5 （1） 式中 r 为药包中心至孔壁的径向距离， cm； PH为爆 炸气体初始平均压力， MPa； rbs为药包半径， cm。 设炮孔半径为 r孔， 则装药不耦合系数 K r孔 rbs ， 取 K 1. 5 时根据式 （1） 绘制偏心不耦合装药爆破 时孔壁压力分布如图 2 所示 ［2， 3］。图 2 中的数字为 孔壁压力相对值。 从图 2 可知， 偏心不耦合装药时， 孔壁的压力分 布是非常不均匀的， 其中压力最大的 B 点是压力最 小的 A 点的 32 倍。这种压力差值对于炮孔周围岩 体中裂纹产生和扩展过程以及裂纹最终分布的影响 将是十分显著的 ［2］。 图 2 偏心药包爆破炮孔壁压力分布 Fig. 2 Distribution of hole wall pressure 2 单孔偏心不耦合装药爆破实验设计 H P Rommanith 等研究认为有机玻璃 （PMMA） 和岩石在动载荷作用下的断裂行为在本质上是相似 的 ［6］。实验选用的有机玻璃尺寸为 500 mm X 500 mm X40 mm （长 X 宽 X 厚） ， 炮孔位于模型中 心。1 7 号模型炮孔直径分别为 7 mm、 9 mm、 11 mm、 12 mm、 13 mm、 14 mm、 16 mm。实验模型如 图 3 （a） 所示。 实验时， 各炮孔内紧靠模型下侧炮孔壁装 1 发 同一批次的 8瞬发电雷管作为爆源， 如图 3 （a） 所 示。1 7 号模型的装药不耦合系数分别为 K1 1. 00， K2 1. 29， K3 1. 57， K4 1. 71， K5 1. 86， K62. 00， K72. 28。 3 单孔偏心不耦合装药爆破裂纹分布 统计 以炮孔中心为界， 并以雷管与炮孔壁的耦合位 置为依据， 将模型上方称为不耦合侧 （Ⅰ区） ， 下方 称为耦合侧 （Ⅱ区） ， 炮孔左右侧称为左侧和右侧。 爆破后炮孔周围裂纹分布如图 3 （b） 图 3 （h） 所示， 将爆破后受到爆炸作用破坏的区域称为微裂 纹区， 长度超出微裂纹区的裂纹称为主裂纹。根据 图 3， 各模型裂纹情况如下 1 号模型为耦合装药， 产生 6 条主裂纹， 其中Ⅰ 区和Ⅱ区各 3 条； 最长主裂纹长度为 115 mm， 裂纹 分布较均匀。 2 号模型 K21. 29， 产生 6 条主裂纹， 其中Ⅰ区 和Ⅱ区分别为 2 条和 4 条； 最长主裂纹长度为 80 mm， 位于不耦合侧； 耦合侧和不耦合侧微裂纹区 71第 32 卷 第 1 期 管少华， 蒲传金， 肖定军， 等 偏心不耦合装药爆破裂纹扩展实验研究 半径相同。 3 号模型 K31. 57， 产生 6 条主裂纹， 其中Ⅰ区 和Ⅱ区各 3 条； 最长主裂纹长度为 82 mm， 位于耦合 侧； 耦合侧微裂纹区半径略大于不耦合侧。 4 号模型 K41. 71， 产生 6 条主裂纹， 其中Ⅰ区 和Ⅱ区各 3 条， 耦合侧主裂纹与模型边界贯通； 最长 主裂纹长度为 247 mm， 位于耦合侧； 耦合侧主裂纹 长度明显大于不耦合侧。 5 号模型 K51. 86， 产生 6 条主裂纹， 其中Ⅰ区 和Ⅱ区各 3 条； 最长主裂纹长度为 90 mm， 位于耦合 侧； 耦合侧主裂纹长度明显大于不耦合侧。 6 号模型 K62. 00， 产生 6 条主裂纹， 其中Ⅰ区 和Ⅱ区各 3 条； 耦合侧主裂纹长度明显大于不耦合 侧； 最长主裂纹长度为 87 mm， 位于耦合侧。 7 号模型 K72. 28， 产生 3 条主裂纹， 其中Ⅰ区 和Ⅱ区分别为 1 条和 2 条， 长度都相对较小； 最长主 裂纹长度为 68 mm， 位于耦合侧； 微裂纹区耦合侧半 径明显大于不耦合侧。 每个模型微裂纹区半径统计结果见表 1。主裂 纹数量及长度统计结果见表 2。 图 3 有机玻璃模型分区及爆后裂纹分布情况 Fig. 3 The Partition of organic glass model and the distribution of crack after blasting 表 1 偏心不耦合装药爆破微裂纹区半径 Table 1 The micro crack area radius of eccentric decouple charge blasting 模型序号孔径/ mmK 不耦合侧/ mm耦合侧/ mm 微裂纹区半径 A1左侧/ mm右侧/ mmA2 171. 0053. 5048. 500. 9153. 5050. 500. 93 291. 2954. 5054. 501. 0061. 5055. 500. 93 3111. 5755. 5057. 501. 0454. 5052. 501. 07 4121. 7147. 0056. 001. 1953. 0049. 001. 10 5131. 8651. 5061. 501. 1954. 5054. 501. 13 6142. 0047. 0061. 001. 3052. 0052. 001. 17 7162. 2841. 0060. 001. 4643. 0043. 001. 40 注 A1为微裂纹区耦合侧半径与不耦合侧半径之比； A2为微裂纹区耦合侧半径与左右侧半径平均值之比。 81爆 破 2015 年 3 月 表 2 偏心不耦合装药爆破主裂纹长度 Table 2 Length of the main crack of eccentric decouple charge blasting 模型 序号 孔径/ mm K 12 主裂纹长度/ mm 3456 主裂纹总长度/ mm 不耦合侧耦合侧 主裂纹平均长度/ mm 不耦合侧耦合侧 总长度/ mm 总平均 长度/ mm 171. 00858990896111526426588. 088. 352988.2 291. 2980706769555615024775. 061. 839766. 2 3111. 5775706761826721221070. 770. 042270. 3 4121. 717785806724713024244480. 7148. 0686114. 3 5131. 8647805290628017923259. 777. 341168. 5 6142. 004960508710913754. 568. 524661. 5 7162. 286747686711567. 057. 518260. 7 4 单孔偏心不耦合装药爆破裂纹分布 规律分析 4. 1 装药不耦合系数 K 与微裂纹区半径关系分析 （1） 装药不耦合系数与微裂纹区半径关系分析 装药不耦合系数与炮孔不耦合侧、 耦合侧及左 右侧微裂纹区半径关系如图 4 所示。图中根据微裂 纹区半径拟合出三条不重合的曲线， 说明偏心不耦 合装药时在炮孔周围形成的微裂纹区半径是不均匀 的； 随着不耦合系数的增大， 耦合侧微裂纹区半径呈 现先逐渐增大后缓慢变小的趋势； 不耦合侧和炮孔 左右两侧微裂纹区半径呈现先增加后减小的趋势。 图 4 装药不耦合系数 K 与炮孔不耦合侧、 耦合侧和左右 侧裂隙区平均半径关系曲线 Fig. 4 Relationship curve among decoupling charge coefficient K and the coupling side， the non-coupling side， the average radius in left and right side about crack zone radius （2） 装药不耦合系数与 A1 关系分析 装药不耦合系数 K 与 A1 （A1 为微裂纹区耦合 侧半径与不耦合侧半径之比） 关系如图 5 所示。从 图 5 可知， 随着 K 的增大， A1 逐渐增大， 即耦合侧和 不耦合侧的微裂纹区半径差值是逐渐增大的； 在 K 1. 60 1. 86 之间时， A1 出现了突变现象， 当 K 1. 71 时， 表现尤为明显。 A1 R2/ R1； R1模型不耦合侧裂隙区半径； R2模型耦合侧裂隙区半径 A1 R2/ R1； R1The crack zone radius in coupling side； R2The crack zone radius in non-coupling side 图 5 装药不耦合系数 K 与 A1 关系 Fig. 5 Relationship between decoupling charge coefficients and A1 4. 2 装药不耦合系数 K 与主裂纹长度关系分析 （1） 装药不耦合系数 K 与最长主裂纹关系分析 装药不耦合系数 K 与耦合侧和不耦合侧最长 主裂纹关系如图 6 所示。由图 6 可知， 随着 K 的增 加， 耦合侧最长主裂纹长度缓慢变小， 而不耦合侧的 主裂纹在 K≤1. 60 时呈现出缓慢减小的趋势， 然后 在等于 1. 6 1. 8 时出现突变现象， 在 K 1. 71 时， 耦合侧主裂纹长度达到最大， 最后再缓慢变小， 且此 时耦合侧与不耦合侧最长主裂纹长度差值最大。 （2） 装药不耦合系数 K 与主裂纹总长度关系分析 装药不耦合系数 K 与耦合侧和不耦合侧主裂 纹总长度关系如图 7 所示， 对于同一个模型， 耦合侧 主裂纹总长度几乎都大于不耦合侧， 这说明偏心不 耦合装药爆破时， 主裂纹主要形成于耦合侧。在 K 1. 60 1. 80 之间时， 耦合侧主裂纹总长度出现 突然变大现象。当 K 1. 71 时， 耦合侧主裂纹总长 度达到最大值， 同时耦合侧主裂纹与不耦合侧主裂 纹总长度差值也最大。 91第 32 卷 第 1 期 管少华， 蒲传金， 肖定军， 等 偏心不耦合装药爆破裂纹扩展实验研究 图 6 不耦合系数和耦合侧、 不耦合侧最长 主裂纹长度的关系 Fig. 6 Relationship among decoupling coefficients and the length of the longest main crack in the coupling side and the non-coupling side 图 7 不耦合系数与耦合侧、 不耦合侧主裂纹总长度关系 Fig. 7 Relationship among decoupling coefficients and the length of the total length of main crack in the coupling side and the non-coupling side （3） 装药不耦合系数 K 与主裂纹平均长度关系 分析 装药不耦合系数 K 与耦合侧及不耦合侧裂纹 平均长度关系如图 8 所示。由图 8 可知， 当 K≤ 1. 60时， 耦合侧主裂纹平均长度小于不耦合侧， 当 1. 60≤K≤2. 20 时， 耦合侧主裂纹平均长度几乎都 大于不耦合侧， 其中 K 1. 71 时， 耦合侧主裂纹平 均长度最长， 其与不耦合侧主裂纹平均长度的差值 也最大， 这说明如果 K 太小或太大时， 可能出现耦 合侧平均裂纹长度小于不耦合侧的现象。 4.3 装药不耦合系数 K 与偏心不耦合装药爆破效 果关系分析 目前， 边坡光面 （预裂） 爆破和巷道周边孔光面 爆破时， 炮孔是处于倾斜和水平状态的， 为便于施 工， 装药时药卷几乎都处于与边坡保留岩体和隧道 围岩耦合的偏心不耦合状态 ［1， 3， 7］， 如图 9 （a） 所 示 ［8］。从文献 ［7］ 分析可知， 偏心不耦合装药爆破 时， 炸药爆炸对炮孔周围岩体的破坏作用是不均匀 的， 且对耦合侧孔壁岩体的损伤最为严重。而本文 的实验研究也发现， 偏心不耦合装药在耦合侧孔壁 形成的微裂纹区半径、 最长主裂纹长度、 主裂纹总长 度和主裂纹平均长度都明显大于不耦合侧， 这种现 象与装药不耦合系数有关。当装药不耦合系数 K 1. 71 时， 耦合侧孔壁微裂纹区半径、 最长主裂纹长 度、 主裂纹总长度和主裂纹平均长度最大， 且与不耦 合侧的微裂纹区半径、 最长主裂纹长度、 主裂纹总长 度、 主裂纹平均长度差值也最大。这个装药不耦合 系数值与文献 ［9］ 得出的最佳装药不耦合系数为 1. 67接近， 然而， 对于目前工程上常用的偏心不耦合 装药而言， K 1. 71 正是对耦合侧即边坡保留岩体 和隧道围岩破坏最严重而对光爆层破坏最不严重的 时候。为更好地利用偏心不耦合装药爆破时对孔壁 产生的不均匀破坏现象， 对于边坡和隧道等轮廓爆 破时可以采取措施， 让药卷紧贴需要破碎一侧岩体， 使耦合侧的能量充分破碎岩体， 让破坏最小的不耦 合侧能量作用于边坡和隧道围岩一侧， 尽量降低爆 破对围岩的损伤破坏 ［1］， 其装药结构如图 9 （b） 所 示 ［8］。 图 8 不耦合系数与耦合侧和不耦合侧主裂纹平均长度关系 Fig. 8 Relationship among decoupling coefficients and the length of the average length of main crack in the coupling side and the non-coupling side 5 结论 通过有机玻璃单孔偏心不耦合装药结构试验， 得出结论如下 （1） 偏心不耦合装药时炸药爆炸在炮孔周围形 成的微裂纹区半径是不均匀的； 随着不耦合系数的 增加， 炮孔耦合侧微裂纹区半径呈现先逐渐增大后 缓慢变小的趋势； 不耦合侧和炮孔左右两侧裂隙区 半径呈现先增加后减小的趋势。说明随着装药不耦 合系数的增大， 耦合侧和不耦合侧的微裂纹区半径 差值是逐渐增大的。 （2） 在 K 1. 71 时， 耦合侧最长主裂纹长度、 主 裂纹总长度、 主裂纹平均长度达到最大； 同时耦合侧 02爆 破 2015 年 3 月 与不耦合侧最长主裂纹长度差值、 主裂纹总长度差值及主裂纹平均长度差值也达到最大。 A光爆层； B边坡保留岩体； 1药卷； 2堵塞物； 3导爆索； 4药卷悬空器 AMinimum burden； BSlope remaining rock 1Cartridge； 2Obstruction； 3Detonating cord； 4Cartridge dangling device 图 9 边坡轮廓面偏心不耦合装药结构示意图 Fig. 9 Eccentric decouple charge structure of slope contour surface （3） 当 K 取 1. 70 左右时， 传统偏心不耦合装药 结构易于在耦合侧岩体形成较长主裂纹， 为充分利 用偏心不耦合装药结构爆破时在孔壁形成不均匀破 坏， 可采用改进偏心不耦合装药结构。 本文仅研究了单孔偏心不耦合装药结构爆破时 孔壁裂纹特征， 在以后还将进行双孔偏心不耦合装 药爆破时孔壁裂纹及孔间裂纹分布特征。 参考文献 （References） ［1］ 蒲传金. 偏心不耦合装药爆破试验研究 ［J］ . 化工矿物 与加工， 2007 （4） 30-43. ［1］ PU Chuan-jin. 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