切缝药包控制爆破初始裂缝形成分析.pdf

2 0 1 3 年6 月 切缝药包控制爆破初始裂缝形成分析戴俊等 ‘4 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 1 2 切缝药包控制爆破初始裂缝形成分析睾 戴俊吴丙权孟振 西安科技大学建筑与土木工程学院 陕西西安，7 1 0 0 5 4 [ 摘要]选用合适的应力强度因子，使之符合切缝药包控制爆破初始裂缝形成和裂缝扩展的过程。从分析切缝 药包控制爆破裂缝形成机理人手，运用弹性及弹塑性理论对切缝药包爆破形成的裂缝及扩展进行力学分析，提出 了适合于弹塑性条件下初始裂缝形成的应力强度因子。根据弹塑性理论得出的使岩石产生裂缝的应力强度因子 经现场应用较为符合实际情况。 [ 关键词] 控制爆破切缝药包弹性弹塑性应力强度因子 『分类号] T D2 3 5 ．3 7 T D2 3 5 ．1 l 引言 目前，对于切缝药包控制爆破技术的研究，已取 得了不少成果，也为工程实践提供了理论依据。但 在实际工程应用时，还会出现不少问题，使得爆破效 果并不十分令人满意。岩石的破坏要经过线弹性和 塑性变形两个阶段，但由于实际条件的复杂性，往往 假设岩石处于线弹性状态下直接被破坏，这样建立 的模型简单，有利于快速的计算和指导实践。但在 施工现场发现，往往不能完全达到预期的效果。为 此，依据弹塑性理论分析和探讨裂缝开裂的应力强 度因子具有重要意义。 1 切缝药包控制爆破裂缝形成机理 切缝药包控制爆破是利用轴向切槽的硬质 管J ，先将炸药装在管中，再装进炮孔中爆炸，切槽 处岩石较早地受到较大的爆炸荷载，导致在预定区 域径向裂缝的扩展优先于其他区域旧1 。为使岩石 达到一定的破碎程度和到达固定方位，切缝药包控 制爆破利用其切口缝来控制炸药爆炸应力场的分布 以及爆生气体对岩石的准静态作用旧圳。 切缝套管大多选用A B S 工程塑料管bo ，根据炮 孔直径和长度、装药量以及药卷直径来选定切缝套 管的直径和长度。切缝药包爆炸时使得切缝垂直方 向主要受压缩应力作用，而岩石本身的抗压强度较 大，不会产生破坏。爆炸同时也在切缝方向产生切 向拉伸应力，岩石的动抗拉强度远小于其抗压强度， 所以在切缝方向的岩石主要受拉伸脉冲作用而被破 坏‘6 | 。 切缝套管由塑料制成，具有一定的强度和质量， 药包爆炸后产物作用在套管上，产生透射波和部分 压缩波，透射波向四周空间衰减，最后作用在炮孔壁 上。在爆炸过程中，一方面由于切缝套管的存在，限 制了爆生气体的径向膨胀，使爆生气体在装药空间 的停留时间延长；另一方面，由于在切缝方向无阻 挡，爆生气体即向此集合，使这个区域内的岩石先受 到爆生气体作用而产生定向断裂J 。切缝药包控 制爆破装药结构如图1 所示。图中的切缝宽度B 是切缝药包定向断裂控制爆破最主要的影响因素之 一。如果B 太小，切缝管很容易被劈开成两半，定 向方向的能量利用率不高；如果B 过大，会形成反 定向裂缝。 f 图1切缝药包控制爆破的装药结构 F i g ．1 C h a r g es t r u c t u r eo fc u t t i n gs e a m c a r t r i d g eu n d e r g o i n gc o n t r o lb l a s t i n g 根据岩石爆炸成缝机理，炸药在炮孔中爆炸后， 强大的冲击波猛烈地压缩炮孔壁介质，使岩石向外 { I } 收稿日期2 0 1 3 - 0 3 - 0 3 基金项目陕西省归国留学人员择优资助项目 2 0 1 1 - 3 2 作者简介戴俊 1 9 6 4 一 ，男，教授，博士，主要从事爆破理论与技术及岩土工程等研究工作。E m a i l 6 5 4 5 7 8 6 8 8 q q ．c o r n 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 2 卷第3 期 扩张产生环向拉应力和径向裂缝，此时纵波、横波已 远离裂缝尖端，裂缝在爆生气体准静态应力场和裂 缝内的气刃效应以及邻孔边界影响下，使炮孑L 连线 方向裂缝尖端的环向拉应力大于其他方向的裂缝尖 端应力，使连线方向裂缝得到优先发展，并导致其他 方向的裂缝卸载。 当爆生气体提供的能量足以使裂缝尖端应力强 度因子大于岩石的断裂韧度时，裂缝便在连线方向 得到稳定的扩展，直到形成贯通的断裂面。如果裂 缝扩展遇到岩石的原始结构面，视结构面的情况可 能发生止裂、分叉或偏离炮孔连线方向的情况。这 说明断裂韧度是衡量岩石阻止裂缝扩展的基本指 标，构造裂缝是影响裂缝扩展的外部条件。 因此，选择断裂韧度作为衡量岩石断裂性是最 合适的指标。 2 切缝药包爆破形成裂缝的扩展方向 岩石开裂后，在裂缝尖端附近的应力集中程度 增强，断裂面的形成不再受制于由相邻炮孔引起的 应力集中作用，并且在这个区域内的各种应力分量 也只得到奇异解。 2 ．1 对裂缝扩展进行力学分析 当岩石产生断裂后，其内部应力分布发生变化， 由简单的拉伸破坏转化为应力状态较为复杂的张开 型脆性断裂破坏，应力强度因子K 1 0 ，以极坐标形 式对裂缝尖端附近的应力场进行分析 盯，圭 3 一c o s p c o s 导 1 2 v ／2 , r r r z 盯。 圭 c o s 0 1c o s 0 C O S 詈 2 盯日 { 二 2 , ／2 “ t r r z 丁加 历K I 吾啪c o s 号 3 式中o r ，为炮孔壁环向拉伸应力；o r 。为径向应力； 丁m 为剪切应力；K 。为裂缝尖端处的应力强度因子， 与0 无关；0 为极角；r 为极半径。 裂缝尖端附近的应力状态如图2 所示，用最大 拉应力准则对裂缝扩展进行讨论，设开裂方向0 0 。 图2 裂缝尖端附近应力状态 F i g ．2 S t r e s sd i s t r i b u t i o na tt h ev i c i n i t yo ft h ec r a c k ’St i p 最大拉应力准则的基本条件是 1 当环向拉应力取得极大值时裂缝发生并扩 展； 2 裂缝方向出现的拉应力达到岩石的拉伸强 度时，裂缝便失稳扩展“ j 。 假设p 为裂缝开裂方向与扩展方向夹角 0 ≤p ≤1 T ，则根据下式 a 盯0 n 2 0 2 u 解得 4 p ￡ 5 由式 5 计算可知，裂缝的扩展方向与开裂方 向一致。 2 ．2 裂缝的扩展条件 刚形成裂缝时，裂缝自身的扩展速度比气体楔 入到裂缝内的速度快得多。因此，当气体还未楔人 到裂缝时，炮孔壁上的压力已由裂缝产生之前的P 衰减到P ，，对裂缝扩展方向进行分析，裂缝会沿着 裂缝尖端发生张开型断裂破坏，受力状态如图3 所 示。 L O 企 今 卜 一f ＼L _ _ _ _ _ 。。。。一’p ，y巳 图3 开裂后炮孔壁受力图 F i g ．3 S t r e s sg r a p ho fb o r e h o l ew a l la f t e rc r a c k i n g 设开裂长度为厶，此时裂缝尖端应力强度因子 墨表达式为 K I F 。P l ／1 『 R 。 工o 6 式中P ，为产生裂缝以后炮孔内压力值；L 。为爆炸 后岩石裂缝长度；R 。为炮孔半径；F 。为与R 。和￡。 相关的参数。 炮孔压力随时间的变化关系式 L P l ￡ p 竺 3 7 L 式中P 。 ￡ 为在f 时刻炮孔压力，￡ ≥；h 。为炮孔 0 0 深度；c 。为爆炸声速。 由弹性理论可大致确定裂缝长度厶，根据拉梅 解答得到岩石内的径向应力分量 万方数据 2 0 1 3 年6 月 切缝药包控制爆破初始裂缝形成分析戴俊等 。5 1 旷 彘 2 P 8 由式 6 和式 8 的下限值得到裂缝长度L 。时 应满足的条件 宁“彘 2 p ， 9 式中肛为岩体的动态泊松比；o r 。。岩体的动态单轴抗 拉强度。 将式 8 整理后，求得炮孔壁的裂缝长度为 Z 0 - - R e [ √若麓。J 。∞ 将式 1 0 和式 7 代人式 6 并经整理后得 K I F l p c ≯㈨c l 儿恬‰一】 1 1 式中符号意义同前。 根据脆性断裂理论，当岩石的动态平面应变断 裂韧性小于裂缝尖端的应力强度因子时，裂缝便开 始失稳扩展，岩石呈弹塑性破坏。由于塑性区域范 围非常小，又可以简化称之为脆性断裂。并结合式 1 1 给出了裂缝的扩展条件 唧 篆 3 ． 碱 l ／2 【若‰】 K c 1 2 式中K 为岩体的动态平面应变断裂韧性；h 。为炮 孔深度；t 为应力波的传播时间；c 。为炸药爆轰状态 下的声速。 其它符号意义同前。 3 根据弹塑性理论。确定合适的应力强度因子 在D ．B 模型一3 中，塑性区尺寸r n 是通过裂缝长 为2 c 2 口 r D 2 c 为裂缝总长；2 a 为弹性区裂缝 总长；2 r p 为塑性区裂缝总长 的新的裂缝尖端应力 无奇异性的条件确定的。通常只考虑平面应力情 况，所以在塑性区内，盯， 盯。，将塑性区切开，代以 屈服应力／7 “ 。，于是，整个裂缝问题可以看作裂缝长 为2 c 2 口 r p ，在无穷远处作用均匀外力o r ”。 由o r 。产生的K o r 。／盯c ，由o r 。产生的应力强 度因子k 一2 0 0 √詈a r c c 。s 詈，总的应力强度因 子为0 ，即 盯。石一2 盯o r c c o s 詈 0 1 3 解出，。 8 e 2 } 一1 1 4 由I r w i n 对塑性区进行修正得出，在0 0 的塑 性区边界到裂缝尖端的距离为 r 上f 2 L I 2 1 5 2 1 T 、o r o 可以得出 ∞1 五， 口 s e c } 一1 士 竺 2 1 6 Z O “ 0 二盯o r o 厂；一 K I O “ o ／2 , r r a s e c 罟一1 1 7 √z 盯。 对于切缝药包控制爆破形成的弹塑性裂缝 体‘1 0 - 1 2 ] ，也可以用J 积分准则和C O D 准则p ] ，在J 主导和J 控制裂缝扩展条件下，C O D 准则与J 积分 准则是等价的。 近年来在张开型裂缝中还采用了在撕开型裂缝 的分析中早已建立起来的近尖端断裂准则，它是以 靠近裂缝尖端处的某个形变分量或位移参量作为断 裂准则的。相比较而言，C O D 准则比J 积分准则的 有效范围大一些；J 积分准则有一定的理论基础，便 于计算，但J 控制裂缝扩展的有效性受小量裂缝扩 展的限制；近尖端断裂准则更接近于岩石断裂的实 际情况。 因此需要针对现场不同的复杂情况，选取不同 的断裂准则，以求更好地服务现场实际。 4 现场应用 从力学分析结果可知，采用切缝药包控制爆破， 装药能量发生转化，沿切缝方向产生能量集中，达到 了定向断裂的目的。根据不同岩石特性和现场试 验，确定出应力强度因子。利用应力强度因子这一 力学参数来计算和分析岩石产生裂缝并使裂缝稳定 扩展的条件，应用在切缝药包控制爆破中，使孔痕率 和炮孑L 利用率得以提高，随着炮孔间距增大，装药量 也可减少。 笔者参加了切缝药包在彬长集团胡家河煤矿的 推广应用工作，地点选在第二回风大巷，掘进段为砂 岩，节理裂隙比较发育。巷道为半圆拱形，掘进断面 为2 5 ．5 m 2 ，炮孑L 深度为2 m ，采用Y T l 9 一A 型气腿 式凿岩机钻孔，P “0 B A 型靶斗装岩机装岩，1 tF 型矿车运输。经过现场推广应用，巷道周边孔距从 原来的3 5 0 4 5 0 m m 增大到6 0 0 7 0 0 m m ，孑L 痕率平 均达到9 0 ％，减少了钻孔工作量，提高了爆破效率， 有效地增加了围岩稳定性。 5 结论 1 切缝药包控制爆破炮孔壁初始裂缝的形成 要经历线弹性和塑性两个阶段，采用合适的应力强 度因子来分析裂缝的形成过程，能够更符合工程实 际。 2 依据弹塑性理论得出的使岩石产生裂缝的 万方数据 5 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 应力强度因子，经过现场应用较为符合现场实际情 况。 参考文献 [ 1 ] 戴俊．爆破工程[ M ] 。北京机械工业出版社，2 0 0 7 ． [ 2 ] 岳中文，陈岗，潘长春，等．切缝药包爆炸作用下裂纹 扩展行为的试验研究[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 1 0 ，3 0 5 1 - 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