定向卸压隔振爆破隔振材料的作用机理与试验.pdf

2 0 1 1 年1 0 月定向卸压隔振爆破隔振材料的作用机理与试验张志呈 2 9 定向卸压隔振爆破隔振材料的作用机理与试验’ 张志呈 西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳，6 2 1 0 1 0 [ 摘要] 在炮孔保留岩体的一侧药包加装半圆形硬质塑料管材，对爆轰波起到限制、阻隔、吸收、反射和滞留的 作用。试验表明4 6 ．9 5 ％的能量被吸收，应力峰值降低4 5 ．3 1 ％，压力降低4 6 ．0 0 ％．反射波能量占总能量的 1 0 ．0 0 ％一1 3 ．0 0 ％，使自由面方向即无塑料管材方向产生反射拉伸应力场，增大了爆炸冲量密度和能量，既加强自 由面方向岩石的破碎，又使保留岩体免受爆破损伤。 [ 关键词] 卸压隔振爆破半圆形管材爆轰波 [ 分类号] T J S l 0 ．4 T D 2 3 5 ．3 7 3 引育 岩土体的开挖与保护保留岩体或围岩是岩土工 程中两项重要内容。但在具体工程中普遍存在开挖 和保护岩体的相互矛盾。如在露天永久边坡的深孔 爆破和井巷 隧道 工程周边炮孔爆破对要保护围 岩往往形成严重超挖和随机径向裂纹，影响围岩的 稳定性。而现有光面预裂爆破和定向断裂控制爆 破，均不能较好地解决保留岩体免受爆炸冲击波的 直接作用。笔者近几年在技术服务的实践中，采用 隔离爆炸冲击波、应力波和降低爆炸波压力的方法， 故取名“定向卸压隔振爆破”，简称“卸压隔振爆 破”。如图I 所示。 孔底 扎 向问隙 图I 定向卸压隔振爆破示意图 卸压隔振爆破药包加装半圆形隔振管材如图2 所示。 1 卸压隔搌材料的作用机理 1 ．1 卸压隔振材料吸收爆轰波阵面上的横波 据郭长铭等川的研究表明，一定长度的吸收材 料确能对爆轰波的传播起衰减作用。衰减的主要机 理是爆轰渡波阵面上横渡被吸收。 隔振护壁面方向 丽振护壁面方向 临空面方向 自由面临空面方向 自由面 1 一半圆形塑料管材；2 一炸药包；3 一炮孔 图2 卸压隔振爆破隔振护壁面方向的药包结构示意图 卸压隔振半圆形隔振护壁塑料管，从应用上它 是工业用管材，它不是专门用于吸收能量的材料。 但根据2 0 0 7 年1 1 月在中国人民解放军总参工程兵 三所的试验研究结果表明，当用半圆形P V c u 塑 料管厚度为2 m m 时，透射应力峰值为人射应力峰的 5 3 ．0 5 ％，即4 6 ．9 5 ％的能量被塑料材料吸收或阻 隔。 ． 众所周知，爆破破裂岩体是爆轰波 和应力波 的体波起主要作用，体波占爆炸总量能的3 3 ％，而 表面波占总能量6 7 ％，其中体波的纵波只占总能量 的7 ％，而横波占总能量的2 6 ％。这显示了在爆轰 波稳定传播过程中，横波有不可替代的作用。由此 看来，设法消除横波或破坏横渡的维持不失为抑制、 熄灭爆轰波的另一条有效的途径⋯。这方面的途 径值得深入研究。 1 ．2 卸压隔振材料有效阻挡部分爆轰波 由于半圆形管材的存在，使得炸药爆炸的爆轰 波传播过程中．炮孔保留岩体一侧径向扩展受到限 制，避免了径向稀疏波对反应区的干扰。有利于稳定 爆轰并达到理想爆轰速度。半圆形管材的特征阻抗 大于炸药的特征阻抗 即p 。巩’P 。D 。 时，爆轰波直 ●啦稿日期2 0 1 1 - 0 4 - 0 5 作者筒舟张恚呈 1 9 3 3 一 ．男．教授．主要从事工程控制曩破研究。E - m a l l 5 5 2 3 5 4 2 1 3 q q ．t o m 万方数据 3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 接作用于管壁时，除产生透射波外，尚有向爆炸中心 反射的压缩波。据王树仁心1 的研究采用硬质塑料 管，反射波的能量约为总能量的1 0 ．0 0 ％一 1 3 ．0 0 ％。因此。透射到管壁的冲击波，再由环形空 间衰减后，最后作用孔壁难以形成新裂纹。 1 ．3 卸压隔振材料的存在有利于临空面岩石的破 碎效果 管壁对随之而产生的爆生气体的径向膨胀也起 着限制作用，使之延长了爆生气体在装药空间的滞 留时间。实验表明【2 】装药空间滞留时间所得裂隙 长度为不滞留时间5 倍左右。 当爆轰产物直接冲击其管壁时，由于管材的密 度大于爆轰波阵面上产物的密度，管材的压缩性小 于爆轰产物的压缩性，所以爆轰产物从该材料管壁 反射回来，并产生反射冲击波形成高速高压，增大了 爆炸冲量密度。使临空面方向的能量大增，因冲量 密度与滞留时间成正比，滞留时间越长，冲量越大， 有利于临空面岩体的破碎效果。 2 卸压隔振爆破炮孔加装半圆形管材周围介质应 力场和压力场的计算模型 爆孔周围介质有效应力场和压力场的发展与分 布的计算模型，由西南科技大学环境与资源学院硕 士研究生肖定军日J ，运用L S S Y N A 软件对单孔卸压 隔振护壁面进行了三维数值模拟∽】。 2 ．1 模拟结果 2 ．1 ．1 等效应力的分布 通过卸压隔振爆破的典型等效力云图可以看 出，同一时刻临空面方向的孔壁等效应力小于隔振 护壁面方向应力；临空面的应力分布区域范围明显 大于护壁面方向应力分布范围；相同时刻P V C U 半圆形管与炸药耦合较与孔壁耦合时临空面的应力 分布区域更大；在2 5 F s 时P V C u 半圆形管与孔壁 耦合方式在护壁面已经出现了小范围应力集中，而 P V C u 半圆形管与炸药耦合未出现应力集中。 2 ．1 ．2 压力场分布 图3 给出了距炮孔底部4 ．5 c m 处，临空面与隔 振护壁面两个特征单元的压力时程曲线，可以看出 压力场的产生、发展和分布与等效应力基本相似。 1 P V C U 管与孔壁耦合。临空面方向单元 压力峰值出现在爆破后1 4 斗s ，其峰值为7 7 0 M P a ，压 力上升沿时间为5 斗s ；卸压隔振面方向单元压力峰 值出现于爆破后1 8 斗s ，压力上升沿时间为5p ，其 峰值为5 4 0 M P a ，压力降低率为3 0 ％，峰值滞后约4 炉o b a P V c U 管与孔壁耦合； b P V c u 管与炸药耦合 图3 卸压隔振爆破护壁面爆破压力时程曲线 2 P V C u 管与炸药耦合。临空面方向单元 压力峰值出现在爆破后1 3 炉，其峰值为7 6 0 M P a ，压 力上升沿时间为5I A a ；卸压隔振面方向单元压力峰 值出现于爆破后1 8 斗s ，压力上升沿时间为8 炉，其 峰值为4 1 0 M P a ，压力降低率为4 6 ％，峰值滞后约5 p , s O 3 卸压隔振爆破隔振材料不同厚度的效果试验 霍普金森的试验委托解放军总参工程兵三所进 行。试验采用P V C U 塑料块与 9 0 m m 4 5 m m 的 大理石试件。卸压隔振材料不同厚度的透射应力峰 值见表l 。 为了更加直观地反应不同隔振层厚度下岩石的 应力波形的特性，现将8 号、1 0 号、1 4 号、3 号试件 的应力波形放在同一坐标系中，如图4 所示。从图 中可以看出有以下几个特点 1 随着保护层厚度的增加，岩石的应力峰值 呈下降的趋势； 2 随着保护层厚度的不断增加，岩石应力波 的上升前沿逐渐变缓。 万方数据 2 0 1 1 年1 0 月定向卸压隔振爆破隔振材料的作用机理与试验张志呈 。3 1 ． 萄 图4 不同厚度卸压隔振材料层下岩石的应力方程曲线 4 卸压隔振爆破药包加装隔振材料的效果试验 4 ．1 卸压隔振爆破的动焦散实验 试验委托中国矿业大学现代爆破技术研究所进 行。动焦散实验的卸压隔振爆破效果如图5 所示。 麟凰翟 A 一炮孔隔振材料一侧； 口一炮孔内无隔振材料一侧，即自由面 田5卸压隔振爆破裂纹扩展图 从图5 可以看出，无隔振的一侧产生多于3 4 条较长、较宽的裂纹，而在隔振护壁面一侧，只产生 非常细微、短小的裂纹。卸压隔振爆破隔振方向比 无隔振材料方向应变峰值降低率达4 5 ．3 1 ％，卸压 隔振爆破类型为单层。 实验说明卸压隔振材料对受保护区起到了明显 的保护作用，而卸压隔振材料的对面方向即无隔振 层的方向受到了爆轰渡的集中作用，将会获得好的 爆破效果。 4 ．2 动光弹实验 试验委托中国人民解放军理工大学工程兵工程 学院进行。卸压隔振护壁爆破效果的动光弹实验结 果见表2 和图6 所示。 表2 卸压隔振爆破动光弹试验效果 图6 卸压隔振爆破的局部等差条纹级次 5 卸压隔振药包加装半圆形管材料的选择 塑料性质的原材料广泛应用于多个行业，主要 是成本低，不同性质的原材料适应不同的工业要求， 作为管材要求具有一定的强度、韧性、硬性、无毒无 污染、价格低、保存时间长等。 目前市场销售的管材有P V C 、P V C U 、U P V C 和P P R 、P P R 等，其主要性能如下。 1 P V C 主要成分为聚氯乙烯，生产时加人稳 定荆，但稳定剂有无毒和有毒之分，铅盐稳定剂为有 毒稳定剂，2 0 0 4 年已禁止使用。在聚氯乙烯树脂中 加入适量的增塑剂可制成多种硬质、软质和透明制 品，价格便宜、应用广泛。 纯的聚氯乙烯的密度为1 ．4 9 9 ／c m ’，加入增塑 剂和填料管等密度为1 ．1 5 2 ．0 0 9 ／e r a ’，硬聚氯乙 烯有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力。 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第5 期 2 U P V C 代表硬聚氯乙烯，强度和硬度高 非 铅盐稳定剂 ，不导电、不燃烧也不助燃。U P V C 与 P V C U 管材都是聚氯乙烯。主要区别在于U P V C 主要用于排水领域，P V C U 具有耐腐蚀、水流阻力 小、节能、造价低等特点，受到大力推广应用，市场上 多用于给排水方面。 3 P P R 管材也是一种优质管材，同样应用在 给排水，规格相同情况下比U P V C 价高。P P R 主要 性能聚丙烯管分为均聚聚丙烯 P P _ H 、嵌段共聚 聚丙烯 P 卜B 和无规聚丙烯 P P R 3 种。P P H 、P P B 、P P _ R 管材的刚度依次递减，而抗冲击强 度则依次增加。 4 在材料试验中用P V C 、P v C u 、P P R 作了 试验，以P V C U 材料较好。 6 结论 定向卸压隔振爆破炮孔保留岩体一侧的隔振护 壁材料的作用可概括为5 点。 1 卸压隔振材料的吸能作用机理。据研究⋯ 爆轰波传播引起衰减作用的主要机理是爆轰波波体 阵面上横波被吸收。 2 卸压隔振塑料半圆形管材的吸能效应。塑 料半圆形管材不是专用吸能材料，据试验P V C U 管材2 m m 厚的透射应力峰值为5 3 ．0 5 ％．即 4 6 ．9 5 ％的能量被吸收或阻隔，P V C U 管与炸药耦 合数模计算【3 】，压力降低4 6 ．0 0 ％和超动态应力试 验应变峰值降低4 5 ．3 l ％基本相同。 3 卸压隔振材料一侧的爆轰波受到阻隔约束 或限制。炮孔保留岩体一侧由于隔振管材的存在， 爆生气体的径向膨胀起到限制作用，使之延长了爆 生气体在装药空间的滞留时间，滞留时间与冲量成 正比。实验表明装药空问滞留时间所得裂隙长度 为不滞留时间5 倍左右。动光弹试验临空面方向 即药包无隔振材料一侧 的条纹级次是隔振方向 的3 ．5 倍，有利于临空面爆破效果的提高。 4 爆轰波作用于隔振半圆管材产生反射波， 在自由面产生反射拉伸应力场。据研究采用硬质塑 料管材反射波的能量约为总能量的l O ．o o ％一 1 3 ．0 0 ％，在自由面产生反射拉伸应力场，显然有利 于提高无隔振管材一侧的爆破效果。 5 爆轰波冲击隔振管材壁面产生高速高压的 冲击度，增大了爆炸冲量密度。由于半圆形管材的 密度大于爆轰波阵面上产物的密度，且半圆形管材 的压缩性小于爆轰产物的压缩性。爆轰波从材料管 壁反射回来形成高速高压反射波，增大了爆炸冲量 密度，使临空面方向的能量增大，有利于爆破效果。 参考文献 [ I ]郭长铭。李剑．爆轰液在阻尼管道中声吸收的实验研 究[ J ] ，爆炸与冲击．2 0 0 0 ，2 0 4 2 8 9 - 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