水下爆破岩石破碎块度的实验研究.pdf

第3 3 卷第4 期 爆破 V 0 1 3 3N o - 4 2 0 1 6 年1 2 月 B L A S T I N GD e c ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 4 ．0 1 9 水下爆破岩石破碎块度的实验研究冰 唐玉成1 ，段卫东1 , 2 ，乔泽霖3 ，蒋培1 ’2 ，胡浩川1 1 ．武汉科技大学，武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．中铁港航一武科大爆破技术研究中心，武汉4 3 0 0 8 1 ； 3 ．保康县尧治河顺泰民用爆破有限公司，襄阳4 4 1 6 0 0 摘要基于武汉科技大学与中铁港航局联合研制的1 0gT N T 当量水介质爆炸容器，在爆炸罐内施加不 同压强，模拟不同水深梯度，进行多组素混凝土试块的水下爆炸实验，统计炸药爆炸后的各种块度，发现随着 水深增大岩石的大块率增加，且水深是主要影响因素。由于水介质的压力作用，改变了岩石中的轴向压力作 用，受到水的围压作用，炸药爆炸后需分配一部分能量用于克服水压作用，而且水深越大，岩石外部围压越 大，因此破碎程度远不如同等条件下的陆地爆破，得到相同破碎程度，需要更大的单耗，水深越大所需单耗越 大，研究结果可供实际工程参考。 关键词水下爆破；爆炸罐；大块率；深水模拟 中图分类号T D 2 3 5文献标识码A文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 1 0 2 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nR o c kF r a g m e n t a t i o no fU n d e r w a t e rB l a s t i n g T A N GY u ．c h e n 9 1 ，D U A NW e i ．d o n 9 1 ，2 ，Q I A OZ e ．1 i n 3 ，J I A N GP e i l ，2 ，H UH a o c h u a n l 1 ．C o l l e g eo fS c i e n c e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ，C h i n a ； 2 ．C R P C E W U S TB l a s t i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； 3 ．B a o k a n gY a o z h i h eS h u n t a iC i v i lB l a s t i n gC oL t d ，X i a n g y a n g4 416 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h e1 0gT N Te q u i v a l e n tw a t e rm e d i u me x p l o s i o nv e s s e lj o i n t l yd e v e l o p e db yC R P C E - W U S TB l a s - t i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r ，t h ev a r i o u sp r e s s u r e sa r ea p p l i e di nt h ee x p l o s i o nt a n kt os i m u l a t ed i f f e r e n tw a t e r d e p t hg r a d i e n t ．I ti sf o u n dt h a tt h er o c kb o u l d e ry i e l di n c r e a s e sw i t ht h er i s eo fw a t e rd e p t ha n dt h ew a t e rd e p t hi st h e m a i nf a c t o ri n f l u e n c i n ge x p l o s i o ne f f e c t ．D u et ot h ep r e s s u r eo ft h ew a t e r ，t h ea x i a lp r e s s u r ei nt h er o c kg e t sc h a n g e d ． O w i n gt ot h ec o n f i n i n gp r e s s u r ee f f e c tb yw a t e r ，c e r t a i ne n e r g ys h o u l db ea l l o c a t e dt oo v e r c o m et h ew a t e rp r e s s u r e ． W i t ht h er i s eo ft h ed e p t h ，t h er o c ke x t e r n a lc o n f i n i n gp r e s s u r ei sg r e a t e r ．A sar e s u l t ，t h ed e g r e eo ff r a g m e n t a t i o nu n - d e r w a t e rb l a s t i n gi sm o r es e r i o u st h a nt h a tu n d e rl a n db l a s t i n g ．T og e tt h es a m ed e g r e eo ff r a g m e n t a t i o n ，g r e a t e rc o n - s u m p t i o ni sr e q u i r e du n d e rt h ed e e p e rw a t e r ．T h er e s u l t sc o u l db eu s e df o rc o n s u l t i n gi np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s u n d e r w a t e rb l a s t i n g ；e x p l o s i v ej a r ；b o u l d e ry i e l d ；d e e pw a t e rs i m u l a t i o n 由于水下炸药爆破的介质和环境有别于陆地爆 破，炸药爆炸释放的能量、作用于目标物体上的能量 以及爆破效果与地面爆破相比也存在差异。就水下 收稿日期2 0 1 6 1 0 2 9 作者简介唐玉成 1 9 9 0 一 ，男，武汉科技大学硕士生，控制爆破， E m a i l 1 2 8 6 6 1 3 6 4 8 q q ．t o m 。 通讯作者段卫东 1 9 6 5 一 ，男，武汉科技大学教授、博士，特种爆 破， E m a r l 1 9 9 3 7 7 1 6 8 q q ．t o m 。 基金项目国家自然科学基金项目 N o 5 1 0 0 4 0 7 9 ；湖北省自然科学 基金 N o 2 0 1 4 C F B 8 2 2 爆炸现象的研究而言，目前国内外都趋向于理论分 析、实验研究和数值计算三种方法有机结合进行综 合性探索’2 。。1 9 6 0 年后，不少学者针对岩石爆破 块度的研究方面己经做了大量的工作，提出了三种 具有代表性的岩体爆破块度模型应力波模型，分布 函数模型和能量模型∞J 。在陆地岩石爆破中一般 采取加强地质编录、优化爆破参数、改善装药结构、 规范爆破操作的工程技术控制措施来降低大块 万方数据 第3 3 卷第4 期 唐玉成，段卫东，乔泽霖，等水下爆破岩石破碎块度的实验研究 1 0 3 率H 1 。而在深水环境下，除了上述因素外，炸药的 入水深度也会影响岩石的破碎程度，目前对于这个 问题的研究还处在深度3 0m 之内的范围，并没有对 在更大深度条件下作用效果的研究”J 。为研究水 深对岩石爆破块度的影响，利用武汉科技大学和中 铁港航局联合研制的1 0gT N T 当量水介质爆炸容 器，模拟不同水深所产生的压力环境，最大可模拟 2 0 0n i 深水环境，进行多组混凝土试块的水下爆破 实验，研究深水下岩石破碎情况。 1 爆破冲击波作用下岩体的破碎范围 炸药爆轰后，在跑孔壁上作用一个很大的脉冲 压力P ，，炮孔周围应力的准静态解可以根据厚壁圆 筒的典型模型导出，炮孔壁上的切向应力o r ⋯， 一P ，，径向应力盯。 P 。，两者大小相等并且都等于 作用于孑L 壁上的压力”J 。如果冲击波产生最大径 向应力盯，一超过岩石的极限动态抗压强度，岩石则 被压坏，当岩体中的最大切向应力盯。。。，超过岩体的 动态极限抗拉强度时，岩体被拉坏，此时满足的条 件为 盯日。。≥k r o r ， 1 式中O r ，为岩体抗拉强度；矿。为切向应力；k ， 为动载荷作用下，岩石的抗拉强度增大系数。 爆炸冲击波在岩体内部传播过程中，其径向的 压力随着传播距离的增大而衰减帕j ，即 旷㈡。匕 2 切向应力为 矿。 1 2 6 2 盯， 3 式中b 为岩体的横波与纵波速度之比；P 。为 冲击波初始压力；“为应力波衰减指数；“为装药半 径；R 为考察点距离炮孔中心的距离。 1 ．1 冲击波作用下形成的破碎区半径 由于岩石的动态极限抗压强度远大于动态极限 抗拉强度，因此破碎区范围应根据岩石的动态极限 抗拉强度条件进行计算o7 | ，联立式 1 、 2 、 3 得 到破碎区半径为 R f 尘攀堡1 8 h 4 ‘ ／￡T O T 。 动载荷作用下，一般计算出的破碎区的R ，为“ 的5 6 倍“ 1 。 考虑到本实验模拟深水实验，在试块受外加压 强P 。时，式 1 应修正为 o r 目。。≥后r 矿r P 。 5 此时得到的破碎区半径为 耻【器卜s 6 由式 5 得知，在深水条件下爆破，岩体的粉碎 区半径会减小。 1 ．2 准静态应力场作用下的岩石破裂范围 由于岩体受到初始爆炸所激起的应力状态或动 态应力场很快消失，高温高压的爆轰产物作用于炮 孔壁上的准静态应力场的作用时间远大于爆炸瞬 间旧。，由厚壁圆筒理论，在P 2 0r F r ，时 矿。 ≯。 7 式中尸。 P 知。D 2 ；p 。为炸药密度；D 为炸 药爆速。 同理，当盯。≥七，盯，时岩体开裂，准静态条件下 破裂半径为 耻压u c 考虑深水压力时，选用条件 5 ，得到结果为 耻√若矗u c 8 9 可见，有水压作用时，会使破裂区半径减小。 2 实验模型及结果 实验选择向爆炸罐内加压力0 ．5M P a 和 1M P a 、1 ．5M P a 、2 ．0M P a ，分别模拟水深为5 0I l l ， 1 0 0m 、1 5 0i n 和2 0 0I n 环境，并在各水深环境下改 变炸药单耗进行爆炸实验研究，着重在O ．5M P a 与 1 ．0M P a 条件下做了几组横向对比试验。选用混凝 土材料为模型材料，泰安为主装药，以导爆管雷管起 爆，以石英砂混合A B 胶堵塞。考虑到模型尺寸对 岩石破碎块度的影响，试验中浇筑了两种尺寸的素 混凝土试块，大试块为边长3 0 0m m 的立方体，体积 为0 ．0 2 7n 1 3 ，预留炮孑L 深度2 0 0m m ，小试块边长为 2 0 0m m ，体积为0 ．0 0 8I T l 3 ，预留炮孔深度1 3 0m m 。 两种试块的预留炮孔直径都为1 5m m ，位于试块正 中心，如图1 、图2 所示。试块力学性能见表1 。 表1 试块的力学性能 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t eb l o c k s 密度∥ 纵波波速c ／弹性模量折算后抗 g 翌2 塑 12型壁垒 垦塑壁』翌塑 2 ．43 7 2 41 ．92 2 实验所用到的混凝土试块分两种规格大试块 质量2 7k g 小试块质量8k g ，实验结果发现大试块 万方数据 爆破2 0 1 6 年1 2 月 爆炸后有些碎块质量大于8k g ，这比小试块爆破前 都大，而有些小试块爆破后虽然质量比较轻，可以归 为小块度类，但根据比例模型，相对于小试块的质量 百分比却较大，基本可以归为大块度或中块度。因 此，考虑到大小试块在爆破后碎块质量统计问题，实 验分别按照碎块的绝对质量和相对质量统计。大小 试块无差别绝对质量统计质量大于4 0 0 0g 的记为 大块，2 5 0 0 4 0 0 0g 的记为中块，2 5 0 0g 以下的记为 小块及碎块。根据相似规律大试块和小试块分别按 照相对质量统计将爆后单个碎块质量与爆前试块 总质量的百分比作为参考依据，质量百分比大于 1 5 ％的为大块，7 ％一1 5 ％的为中块，小于7 ％的记 为小块。统计结果见表2 。 将0 ．5M P a 与1 ．0M P a 下的实验结果按照相对 质量统计，统计情况如表3 所示。 2 ．1 水深对破碎块度的影响 当水深变化时试块表面的压强也会随之变化， 以下是等大小等药量时，各破碎块度随压强的变化 情况。见图3 、图4 。 k 型L _ 一 图1 大试块模型 单位m m F i g 。1B i gm o d e lo fac o n c r e t eb l o c k u n i t m m 图2 小试块模型 单位m m F i g ．2 S m a l lm o d e lo fac o n c r e t eb l o c k u n i t r a m 表2 按绝对质量统计 T a b l e2S t a t i s t i c sb a s e do nt h er e l a t i v eq u a l i t y 万方数据 第3 3 卷第4 期 唐玉成，段卫东，乔泽霖，等水下爆破岩石破碎块度的实验研究 1 0 5 零1 、 羞 惫 I Ⅲ 表3 按相对质量统计 T a b l e3S t a t i s t i c sb a s e dO nt h ea b s o l u t eq u a l i t y 大块率 中块率 小 碎 O12 压强／M P a 大试块装药1 3 ．5g 图3 大试块各块度随压强的变化 F i g ．3 E a c hb l o c kr a t e sc h a n g ew i t hp r e s s u r eo fb i gb l o c k 零1 交 焱 I Ⅲ 012 压强／M P a 小试块装药3 ．4 1g 大块率 中块率 小 碎 图4 小试块各块度随压强的变化 F i g ．4 E a c hb l o c kr a t e sc h a n g ew i t hp r e s s u r eo fs m a l lb l o c k 在单耗相同的情况下，水深环境0m 、5 0m 、 1 0 0n l 、1 5 0I T I 、2 0 0m 不断增大时，大块率有增加的 趋势，这说明深水条件下水压不利于岩石的破碎。 一方面，由于深水环境下水介质的外部挤压作用，会 抑制爆炸过程中试块裂缝的延伸，减小破碎，另一方 面，在试块内部远离爆源的区域，其破碎机理主要受 试块壁反射回来的拉伸波作用．而在水中应力波会 产生透射作用，在水中水层消耗了部分炸药能量，反 射回来的拉伸波减小，对试块的破坏作用减小。 2 ．2 炸药单耗对破碎块度的影响 水深5 0i n 及1 0 0r f l 时的实验结果，根据相对质 量统计，可得炸药单耗及岩石破碎度与水深之间的 关系。见图5 、图6 和图7 。 压强一定时，大块率随着药量的增加而减小，中 块率随着药量增加先增加，达到一定值后又随之减 小，小块率随着药量的增加而增加。 1 0 0 文8 0 丑6 0 求4 0 } 丑2 0 0 O ．0 5O ．1 5O ．2 50 ．3 5O ．4 5 单耗／ k g m ’3 5 0m 水深下小试块 大块率 中块率 小块率 图55 0m 水深下小试块各块度随单耗的变化 F i g ．5 E a c hb l o c kr a t e sc h a n g ew i t he x p l o s i v e s c o n s u m p t i o no fs m a l lb l o c ki n5 0md e p t h 永 丑 众 l 丑 提 丑 焱 } 丑 单耗／ k g m 。1 5 0m 水深下大试块 大块率 中块率 小块率 图6 5 0m 水深下大试块各块度随单耗的变化 F i g ．6 A l lb l o c kr a t e sc h a n g ew i t he x p l o s i v e s c o n s u m p t i o no fb i gb l o c ki n5 0md e p t h 单耗／ k g m ‘3 1 1 0 01 1 1 水深下大试块 8 2 大块率 中块率 小块率 图71 0 0m 水深下大试块各块度随单耗的变化 F i g ．7 E a c hb l o c kr a t e sc h a n g ew i t he x p l o s i v e s c o n s u m p t i o no fb i gb l o c ki n1 0 0 i n d e p t h 万方数据 爆破 2 0 1 6 年1 2 月 用炸药单耗来实现爆破块度的控制，使得中等 块度碎块最多而大块和小块相对较少，这将有利于 后续清渣的进行，即此时的装药量为最适装药量，装 药过多会导致岩石粉碎不利于清渣，装药过少会导 致大块率过多，岩石爆破效果不好。要想达到较好 的爆破效果，相同压强下，体积较大的试块所需的单 耗较大，相同体积下，压强较大的试块所需的单耗 较大。 试验中，中块度率出现随单耗先增大后减小的 现象。根据图表中各曲线的趋势分析，在单耗小于 某一值时，大块率急剧下降，而小块率却在缓慢上 升，说明在此阶段大块度岩石占绝大多数，炸药产生 的能量主要消耗于大块岩石的破裂，因此中块度的 碎块呈上升趋势。在单耗大于某一值时，小块率明 显增加，而大块率降低趋势较为平缓并且维持在较 低水平，说明此过程中等块度岩石占多数，炸药爆炸 产生的能量主要用于中等块度的进一步粉碎。见 图8 。 恭 ≥ Ⅱ 求 l 皿 5 0 m d 试块 5 0 m 大试块 1 0 0 m 大试块 单耗／ k g m 。3 1 图8 不同水深下大块率随单耗的变化 F i g ．8B i gb l o c kr a t ec h a n g e sw i t he x p l o s i v e s c o n s u m p t i o ni nd i f f e r e n td e p t h 对比图可以看出，水深是主要影响因素，同等条 件下水深的增加会使大块率所占比例的增加。由于 水介质的压力作用，改变了岩石中的轴向压力作用， 受到水的围压作用，炸药爆炸后需分配一部分能量 用于克服水压作用，而且水深越大，岩石外部围压越 大，大块率也越大，因此破碎程度远不如同等条件下 的陆地爆破。 3结论 不同水深环境下，对于相同岩石，药量增加大块 减少，小块增加，而中等块度会先增加后减小；在此 过程中水深是主要影响因素。在深水环境中，水介 质对岩石存在挤压作用，并且爆炸冲击波会在水中 产生透射，在岩石内部产生的粉碎区和破裂区半径 都会减小，以致破碎效果大大降低。在水下岩石爆 破过程中，单耗选取并非越大越好，对于有清渣需求 的岩石爆破，选择中等块度达到最多时的单耗较好， 且水深越大所需单耗越大，在实际工程中水下爆破 的单耗选取提供参考。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]钟冬望，何理，殷秀红．岩体爆破损伤计算公式的改 进[ J ] ．武汉科技大学学报，2 0 1 5 ，3 8 3 2 1 1 - 2 1 5 ． [ 1 ] Z H O N GD o n g w a n g ，H EL i ，Y I NX i u h o n g ．I m p r o v e m e n t o fc a l c u l a t i o nf o r m u l af o rr o c kb l a s t i n gd a m a g e [ J ] ．J o u r n a lo fW u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， 2 0 1 5 ，3 8 3 2 1 1 - 2 1 5 ． i nC h i n e s e [ 2 ]钟冬望，黄小武，殷秀红，等．水介质爆炸容器动力响 应的数值模拟[ J ] ．武汉科技大学学报，2 0 1 5 ，3 8 2 1 1 7 1 2 1 ． [ 2 ] Z H O N GD o n g w a n g ，H U A N GX i a o - W U ，Y I N X i u h o n g ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o no nd y n a m i c a lr e s p o n s e so fc y l i n d r i - c a le x p l o s i 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