閆廣亮，張鳳鵬，郝紅澤，高繼開

(1.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819；2.河鋼集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050023)

高功率脈沖技術(shù)是一種在低功率下儲(chǔ)存能量，然后在極短時(shí)間內(nèi)以高功率釋放給負(fù)載的技術(shù)，包括直接放電、熔絲(箔)脈沖放電2種形式[1]。目前該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍工與民用領(lǐng)域等多行業(yè)，如直接放電脈沖技術(shù)主要應(yīng)用于粉碎礦石提高選礦回收率[2]、鉆鑿油氣井[3]、煤儲(chǔ)層增滲改性[4-5]。而熔絲(箔)脈沖放電就是通常所說的電爆炸，是強(qiáng)大電流通過金屬絲或箔時(shí)，絲(箔)在微納秒時(shí)間內(nèi)完成固、液、氣、等離子體的相轉(zhuǎn)變，并伴有光、沖擊波、導(dǎo)體電阻驟增和電磁輻射等物理現(xiàn)象的過程。該技術(shù)也已經(jīng)在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，如超高速等熵加載裝置制造[6-7]、納米材料制造[8]、電鍍噴涂[9]、液電成型[10]、固體材料破碎[11-13]等?；诟吖β拭}沖技術(shù)破碎固體材料的方法稱為電爆破。

目前工程爆破仍然以炸藥爆破為主，由于炸藥存在高危性和爆轟過程易生成有毒氣體而對通風(fēng)要求高等問題，因此研發(fā)清潔、綠色、安全的新型爆破方法與技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，以替代炸藥化爆爆破，顛覆現(xiàn)有的鉆爆技術(shù)與工藝，如二氧化碳爆破[14]、電爆破[11-13]等。電爆破技術(shù)具有無污染、安全、能量可控、使用方便等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。KUZNETSOVA等[11]分別對銅絲在空氣中和混凝土中電爆炸時(shí)的電流時(shí)程曲線進(jìn)行了研究，結(jié)果表明電流時(shí)程曲線因電極之間介質(zhì)不同而差異明顯。YUDIN等[12]開展了電爆破崩落混凝土的初步試驗(yàn)，分別進(jìn)行了2個(gè)炮孔同時(shí)起爆和6個(gè)炮孔逐孔起爆爆破試驗(yàn)，結(jié)果表明前者的能量利用率更高。為了增強(qiáng)電爆破作用，周海濱等[13]采用絲爆加含能材料的爆破方式，由含能材料產(chǎn)生氣體，在改善油氣儲(chǔ)層物性等方面進(jìn)行應(yīng)用，取得了很好的效果。彭建宇等[15-16]建立了一套室內(nèi)電爆破系統(tǒng)，研究了靜應(yīng)力與電爆炸動(dòng)應(yīng)力聯(lián)合作用下巖石、類巖石材料的動(dòng)態(tài)破裂行為，研究工作表明該系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。

上述研究表明，基于高壓脈沖技術(shù)的電爆破破巖方法無論是理論方法還是技術(shù)、設(shè)備與工藝仍然處于起步階段，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)亦尚未形成規(guī)范的電爆破破巖實(shí)驗(yàn)方法，電爆破與炸藥化爆在巖石破碎方面的異同點(diǎn)也有待進(jìn)一步研究。為此，筆者建立了利用金屬絲電爆炸模擬炸藥爆炸進(jìn)行破碎巖石類脆性材料的實(shí)驗(yàn)方法，利用水泥砂漿試件分別開展了球狀藥包與柱狀藥包漏斗爆破實(shí)驗(yàn)，研究電爆破破巖過程，分析金屬絲電爆炸能量對破巖過程的影響，及其與炸藥化爆的異同。

1 電爆炸實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由雙極性充電電源、Marx儲(chǔ)能模塊、高壓脈沖觸發(fā)器以及電光延時(shí)同步控制器等組成。

雙極性充電電源用以給Marx儲(chǔ)能模塊充電；Marx儲(chǔ)能模塊為儲(chǔ)能電容，用以存儲(chǔ)電能；電光延時(shí)同步控制器用以觸發(fā)高壓脈沖觸發(fā)器，以及其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備(高速相機(jī)、示波器等)；高壓脈沖發(fā)生器用以觸發(fā)Marx儲(chǔ)能模塊使其放電。

電爆炸裝置最大工作電壓60 kV，額定電容4 μF，最大儲(chǔ)能7.2 kJ，具有2路輸出，可實(shí)現(xiàn)2點(diǎn)微差爆破。文獻(xiàn)[15]詳細(xì)介紹了該實(shí)驗(yàn)裝置的主要功能與參數(shù)。

2 球狀藥包爆破實(shí)驗(yàn)方法與應(yīng)用

2.1 球狀藥包實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)流程

電爆炸破碎巖石類脆性材料實(shí)驗(yàn)方法包括上文所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備、模型制作和實(shí)驗(yàn)流程3部分，下面以球狀藥包爆破為例介紹模型制作與實(shí)驗(yàn)流程。

圖2為金屬絲電爆炸模擬球狀藥包爆炸破碎長方體水泥砂漿試件的結(jié)構(gòu)示意與試件。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱靼ㄖ谱麟姌O、預(yù)制試件、鉆鑿炮孔、填塞電極4個(gè)步驟，具體步驟如下：

(1)制作電極。電極結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，由電爆炸金屬絲、2根方形銅條、絕緣棒組成。由于銅絲具有成本低、抗拉強(qiáng)度大(不易斷)、易成型、能量轉(zhuǎn)化率相對高的特點(diǎn)，因此使用銅絲作為電爆炸金屬絲。實(shí)驗(yàn)中銅絲直徑為0.4 mm、長50 mm，制作成對稱的盤狀結(jié)構(gòu)，兩端與銅條焊接。2根銅條的另一端分別與電爆炸裝置的正負(fù)極連接，構(gòu)成整個(gè)球狀金屬絲電爆炸回路。絕緣棒由聚乳酸(PLA)材料通過3D打印制作而成，兩側(cè)留有2個(gè)方形溝槽，2根銅條分別置于溝槽內(nèi)，用以防止2根銅條之間直接放電。電極直徑為10 mm，長170 mm。

圖2 球狀藥包結(jié)構(gòu)示意與試件Fig.2 Schematic diagram of spherical charge and specimen

(2)預(yù)制試件。根據(jù)具體的研究問題，可以預(yù)制不同性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的相似材料模型，或直接采用巖石等開展實(shí)驗(yàn)。采用預(yù)制水泥砂漿試件，尺寸為300 mm×300 mm×150 mm的立方體，單軸抗壓強(qiáng)度為46.8 MPa，泊松比為0.25，彈性模量為7.1 GPa，密度為2 100 kg/m3。

(3)鉆鑿炮孔。在試件300 mm×300 mm面的中心鉆鑿炮孔，炮孔直徑12 mm，深度130 mm，最小抵抗線20 mm。炮孔要與自由面垂直，避免出現(xiàn)斜孔。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，可以在試件的不同位置鉆鑿不同尺寸的炮孔。

(4)填塞電極。采用速凝水泥作為填塞介質(zhì)，首先將一定濃度的速凝水泥砂漿填入炮孔，然后迅速將制作好的電極插入炮孔。填塞過程中，要確保電極插入炮孔孔底，金屬絲與炮孔底部接觸。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，試件需干燥72 h以上，待試件炮孔內(nèi)部完全干燥固化后即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

試件加工完成后，即可開展球狀藥包電爆破實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作流程為：① 設(shè)置電爆炸裝置充電電壓、高速相機(jī)拍攝頻率、示波器采樣頻率等其他設(shè)備參數(shù)，使所有設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)；② 安裝試件，連接電路并檢查，調(diào)整高速相機(jī)圖像的清晰度；③ 通過電光延時(shí)同步控制器設(shè)置高速相機(jī)、示波器與高壓脈沖發(fā)生器的同步或延時(shí)工作時(shí)間；④ 利用雙極性充電電源給Marx儲(chǔ)能模塊充電到設(shè)定電壓；⑤ 觸發(fā)電光延時(shí)同步控制器啟動(dòng)按鈕，使電爆炸裝置、高速相機(jī)、示波器等協(xié)調(diào)啟動(dòng)，完成爆破過程；⑥ 對電爆炸裝置進(jìn)行接地放電，釋放殘留電荷，保存采集數(shù)據(jù)，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

2.2 球狀藥包實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1立方體試件表面裂紋擴(kuò)展過程

分別進(jìn)行了充電電壓為30,40和50 kV條件下的球狀藥包爆破水泥砂漿試件實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)的系統(tǒng)能量分別為1.8,3.2和5.0 kJ。使用高速相機(jī)拍攝試件的破壞過程，拍攝頻率為200 000幀/s。使用羅氏線圈測量電爆炸過程中的電流。

圖3為在不同充電電壓條件下球狀藥包爆破水泥砂漿試件自由面裂紋擴(kuò)展過程。當(dāng)電爆炸裝置充電電壓為30 kV時(shí)(圖3(a))，在100 μs時(shí)還未出現(xiàn)裂紋。直到200 μs，出現(xiàn)了3條徑向裂紋，之后裂紋逐漸擴(kuò)展。在400 μs時(shí)刻出現(xiàn)一圈環(huán)向裂紋。在890 μs時(shí)刻，第2圈環(huán)向裂紋已經(jīng)完全形成。在第1圈環(huán)向裂紋內(nèi)，徑向裂紋很少，主要是初期形成的3條徑向裂紋。在第2圈與第1圈環(huán)向裂紋內(nèi)密布許多徑向裂紋。

圖3 不同電壓條件下球狀藥包爆破試件破壞過程Fig.3 Failure process of specimen under spherical charge and different voltage

圖3(b)為充電電壓40 kV條件下水泥砂漿試件自由面裂紋的擴(kuò)展過程。在金屬絲電爆炸形成的沖擊波作用下，100 μs時(shí)刻試件表面出現(xiàn)5條徑向微裂紋，隨后徑向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，在200 μs時(shí)刻環(huán)向裂紋出現(xiàn)。在400 μs時(shí)刻觀察到漏斗邊界裂紋出現(xiàn)，并可觀測到爆破粉塵。在拍攝的最后時(shí)刻890 μs，爆破漏斗邊界已經(jīng)形成，并且破裂區(qū)內(nèi)的裂紋數(shù)量增多。

圖3(c)為充電電壓50 kV條件下水泥砂漿試件自由面裂紋的擴(kuò)展過程。與充電電壓為40 kV條件下裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展相類似，在100 μs時(shí)刻形成5條徑向微裂紋，但此時(shí)環(huán)向裂紋也逐漸形成。隨著爆破過程的進(jìn)行，徑向裂紋逐漸增多并不斷延伸擴(kuò)展。200 μs時(shí)刻，在炮孔中心處形成密布的徑向裂紋與環(huán)向裂紋。在400 μs時(shí)刻觀察到爆破粉塵出現(xiàn)，在拍攝的最后時(shí)刻890 μs，破裂區(qū)內(nèi)的裂紋數(shù)量進(jìn)一步增多，爆破塊度變得更加破碎并向外飛散。

由圖3可以看出，在不同充電電壓條件下，爆破漏斗的形成過程均為：首先徑向裂紋形成，然后是環(huán)向裂紋形成。但是，在不同充電電壓條件下，裂紋的數(shù)量、出現(xiàn)時(shí)間與試件的破碎程度存在著較大的差異。在電壓為30 kV時(shí)，由于注入到電爆炸等離子體通道中的能量少，從而導(dǎo)致其膨脹率和產(chǎn)生的沖擊波壓力較小，水泥砂漿碎塊獲得的動(dòng)能較小，致使其裂紋較少，拋擲時(shí)間滯后。隨著充電電壓逐漸升高，能量逐漸增大，裂紋出現(xiàn)的時(shí)間提前，爆破漏斗內(nèi)的裂紋數(shù)量逐漸增多，試件的破碎塊度減小。

2.2.2盤狀金屬絲電爆炸電流

圖4為盤狀金屬絲在充電電壓為30,40和50 kV條件下電爆炸過程中的電流。由圖4可以看出，在球狀藥包條件下，隨著電壓升高，電流的峰值逐漸增大。電爆炸沖擊波的特性主要是由電流的前半個(gè)周期決定的。因此，隨著電壓升高，電爆炸過程中的能量逐漸增大，沖擊波逐漸增強(qiáng)，可以通過改變實(shí)驗(yàn)中的充電電壓獲得不同的爆炸動(dòng)載荷。但是，充電電壓對電流的上升沿幾乎沒有影響。因此，電流的上升速率隨電壓升高而增大，電爆炸引起的沖擊波加載速率隨電壓升高而增大。

圖4 不同電壓條件下盤狀金屬絲電爆炸電流Fig.4 Electrical explosion current of disc wire under different voltage

3 柱狀藥包爆破實(shí)驗(yàn)方法與應(yīng)用

3.1 柱狀藥包實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)流程

圖5為金屬絲電爆炸模擬柱狀藥包爆炸破碎圓柱形水泥砂漿試件的結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱髁鞒虨椋孩?制作電極。電極結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，由電爆炸金屬絲、2根方形銅條組成。金屬絲依然采用直徑為0.4 mm、長50 mm的銅絲，兩端與銅條焊接，銅條再與電爆炸裝置的正負(fù)極連接，構(gòu)成整個(gè)柱狀金屬絲電爆炸回路。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，可以選用不同材料、長度、直徑的金屬絲；② 預(yù)制試件。采用預(yù)制圓柱形水泥砂漿試件，水泥砂漿材料與2.1節(jié)材料配比一致。設(shè)計(jì)試件高度為150 mm，直徑為100 mm，金屬絲預(yù)埋在圓柱試件的中心(圖5(a))。預(yù)制試件過程中要保證金屬絲位于試件的幾何中心，并保持直線狀態(tài)。柱狀藥包爆破實(shí)驗(yàn)操作流程與球狀藥包爆破流程一樣，不再贅述。

圖5 圓柱形試件結(jié)構(gòu)示意與實(shí)物Fig.5 Schematic diagram and photo of cylindrical specimen

3.2 柱狀藥包實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1圓柱體試件表面裂紋擴(kuò)展過程

仍然采用充電電壓30,40和50 kV分別進(jìn)行柱狀藥包爆破實(shí)驗(yàn)，圖6為試件表面爆破裂紋擴(kuò)展過程。當(dāng)充電電壓為30 kV時(shí)(圖6(a))，在100 μs時(shí)刻，試樣表面還未見明顯的裂紋。在200 μs時(shí)刻，中心位置的縱向可見一條明顯的裂紋，此時(shí)橫向裂紋也開始形成發(fā)展。在400 μs時(shí)刻，橫向裂紋和縱向裂紋基本全部形成。在890 μs時(shí)刻，橫向裂紋和縱向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，但沒有形成新的裂紋。

圖6 圓柱試件在柱狀藥包和不同電壓條件下破壞過程Fig.6 Failure process of specimen under cylindrical charge and different voltage

圖6(b)為充電電壓為40 kV條件下裂紋的擴(kuò)展過程。在100 μs時(shí)刻，可見微小的橫向裂紋與縱向裂紋。在200 μs時(shí)刻，初始裂紋逐漸發(fā)展變大，縱向微裂紋逐漸增多。在400 μs時(shí)刻，幾乎所有的主裂紋已經(jīng)形成，裂紋形態(tài)和200 μs時(shí)刻的裂紋網(wǎng)相似，橫向裂紋與縱向裂紋逐漸增大，未見其他微裂紋形成。在890 μs時(shí)刻，上述裂紋繼續(xù)發(fā)展，并伴隨著碎塊向外飛散。

圖6(c)為充電電壓為50 kV條件下裂紋的擴(kuò)展過程。在100 μs時(shí)刻，試件中心位置處形成微小密布的一條橫向裂紋和2條縱向裂紋。在200 μs時(shí)刻，上述微裂紋逐漸擴(kuò)展變大，并出現(xiàn)兩條明顯的橫向微裂紋，但是縱向裂紋并沒有增加。此時(shí)幾乎所有的裂紋已經(jīng)形成。在400 μs時(shí)刻，裂紋形態(tài)和200 μs時(shí)刻的裂紋網(wǎng)相似，已經(jīng)形成的裂紋逐漸增大，未見其他微裂紋形成。在890 μs時(shí)刻，上述裂紋繼續(xù)發(fā)展，并伴隨著碎塊向外飛散。

根據(jù)圖6，充電電壓30 kV條件下，裂紋出現(xiàn)的時(shí)間最晚，試件表面的裂紋數(shù)量最少，裂紋網(wǎng)最稀疏，并且在最終時(shí)刻裂隙的寬度也最小。充電電壓50 kV條件下，裂紋出現(xiàn)的時(shí)間最早，形成的裂紋網(wǎng)最密集，數(shù)量和裂紋寬度均最大。綜上分析可知，圓柱試件的破碎效果受充電電壓的影響很大。隨著充電電壓逐漸增大，試件表面裂紋出現(xiàn)的時(shí)間更早，裂紋網(wǎng)密度更大。

3.2.2爆破塊度

圖7為水泥砂漿圓柱形試件在充電電壓30,40和50 kV條件下的爆破塊度。由圖7可以看出，在直線型金屬絲電爆炸作用下，水泥砂漿試件破碎成不同的塊度。在充電電壓為30 kV條件下，爆破之后的碎塊體積較大，只會(huì)產(chǎn)生較少的小碎塊。相比較30 kV電壓下的爆破塊度，40 kV充電電壓下的爆破塊度體積減小。當(dāng)充電電壓達(dá)到50 kV時(shí)，爆破塊度再次減小，而且產(chǎn)生的粉末狀碎屑明顯增多。

圖7 不同電壓下圓柱形試件的爆破塊度Fig.7 Blasting fragmentation of cylindrical specimen under different voltage

由圖7可知，充電電壓的大小對圓柱水泥砂漿試件的破碎效果有非常重要的影響，隨著充電電壓的增大，爆破后的碎塊體積越來越小。

3.2.3直線型金屬絲電爆炸電流

圖8為充電電壓30,40和50 kV條件下直線型金屬絲電爆炸過程中的電流。由圖8可以看出，隨著充電電壓逐漸升高，直線型金屬絲電爆炸過程中電流峰值逐漸增大。表明充電電壓越高，電爆炸過程中的能量越大，沖擊波越強(qiáng)，可以通過改變實(shí)驗(yàn)中的充電電壓獲得不同的柱面波載荷。同時(shí)，隨著電壓升高，電流的振蕩周期變長。但是，充電電壓并沒有改變電流的上升沿時(shí)間。

圖8 不同電壓條件下直線型金屬絲電爆炸的電流Fig.8 Electrical explosion current of linear wire under different voltage

4 討 論

4.1 金屬絲電爆炸與TNT爆炸的異同

4.1.1氣體量

表1為實(shí)驗(yàn)中銅金屬絲參數(shù)。銅絲在發(fā)生電爆炸后等離子氣化成為氣體，氣化后標(biāo)況下體積為：Vcu=m/mmol×22.4×103=19.7 cm3,其中，Vcu為實(shí)驗(yàn)中銅絲氣化后的體積；m為實(shí)驗(yàn)中銅絲質(zhì)量；mmol為銅的摩爾質(zhì)量。

表1 實(shí)驗(yàn)中銅絲參數(shù)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)電壓為50 kV時(shí)，電爆炸系統(tǒng)能量為5 kJ。1 g TNT釋放能量為4.184 kJ，爆生氣體為1.09 L。按能量等效原理，該次電爆炸相當(dāng)于1.195 g TNT，標(biāo)況下其爆生氣體體積為：VTNT=1 302.6 cm3。

實(shí)驗(yàn)中銅等離子體體積與相同當(dāng)量TNT爆生氣體的體積比為：Vcu/VTNT=1.51%。

按能量等效原理，銅絲等離子爆炸產(chǎn)生的氣體僅為相同當(dāng)量TNT爆炸產(chǎn)生氣體的1.51%。同時(shí)，金屬絲在電爆炸等離子氣化后，由于溫度降低，迅速吸附于材料表面，不會(huì)自由擴(kuò)散流動(dòng)。因此，金屬絲電爆炸過程中可以忽略等離子體對爆破效果的影響，認(rèn)為巖石等脆性材料在電爆炸載荷作用下的破壞只是沖擊波造成的。通過比較炸藥和銅絲發(fā)生爆炸后生成物的體積，說明金屬絲電爆炸僅提供沖擊波動(dòng)能。用鈍感含能材料補(bǔ)充氣體的電爆炸與化爆組合方法能更好的模擬炸藥爆炸效應(yīng)。

4.1.2峰值壓力

在炮孔粉碎區(qū)范圍內(nèi)，任一點(diǎn)引起的徑向應(yīng)力[17]可表示為

(1)

式中，σ為材料的徑向壓應(yīng)力；r為裝藥半徑；R為粉碎區(qū)半徑；P為爆轟初始應(yīng)力；μd為材料動(dòng)態(tài)泊松比，μd=0.8μ[18]，μ為靜態(tài)泊松比。

巖石類脆性材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度[19]的關(guān)系為

(2)

在粉碎區(qū)范圍內(nèi)，巖石破壞是受壓所致，其破壞準(zhǔn)則[22]為

σ≥σd

(3)

根據(jù)式(1)～(3)可以確定粉碎區(qū)范圍，或在已知粉碎區(qū)范圍的情況下反推初始爆轟壓力。

圖9為充電電壓為50 kV，銅絲長100 mm、直徑0.4 mm條件下電爆炸在水泥砂漿試件中形成的粉碎區(qū)[16]，本次實(shí)驗(yàn)水泥砂漿強(qiáng)度σc為46.8 MPa，泊松比μ為0.25，測得粉碎區(qū)的半徑R為2.505 mm，裝藥半徑r即為銅絲半徑。

圖9 金屬絲電爆炸時(shí)的粉碎區(qū)直徑Fig.9 Diameter of smash district caused by wire electrical explosion

根據(jù)式(1)～(3)，計(jì)算得電爆炸的初始應(yīng)力P為49.05 GPa，約為TNT爆轟壓力21 GPa[23]的2.34倍。本文只討論了在充電電壓為50 kV，長100 mm、直徑0.4 mm銅絲的電爆炸峰值壓力，不同充電電壓(能量)條件下，不同材料、參數(shù)金屬絲的電爆炸峰值壓力還有待進(jìn)一步研究。

金屬絲的材料、長度、直徑等對電爆炸過程中的沖擊波特性、能量轉(zhuǎn)化率等具有重要影響[24-25]，可以通過改變金屬絲材料、參數(shù)等獲得實(shí)驗(yàn)所需的沖擊波載荷。

4.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨?/h3>

在圖6模擬柱狀藥包實(shí)驗(yàn)中，金屬絲長度為50 mm，直徑為0.4 mm，長度與直徑的比為125。在開展炸藥柱狀藥包爆破實(shí)驗(yàn)時(shí)，裝藥直徑需大于炸藥的臨界直徑，爆轟才能穩(wěn)定傳播。如果裝藥直徑小于臨界直徑，爆轟就會(huì)終止。臨界直徑的存在限制了柱狀藥包幾何相似模型實(shí)驗(yàn)的開展。與炸藥的柱狀藥包相比，直線型金屬絲具有細(xì)而長的優(yōu)勢，可以靈活地改變金屬絲的長度與直徑獲得不同長徑比，進(jìn)而模擬淺孔或深孔的柱狀藥包爆破。

例如，謙比希銅礦東南礦區(qū)的北采區(qū)巷道掘進(jìn)淺孔爆破[26]，炮孔直徑為45 mm、孔深3.7 m，孔深孔徑比為82.2，若采用直徑為0.4 mm銅絲進(jìn)行爆破模擬，絲長取32.88 mm即可。而對于該礦主礦體無底柱分段崩落法中深孔爆破[27]，炮孔直徑為76 mm、孔深16 m，孔深孔徑比為210.5，仍然采用直徑為0.4 mm銅絲進(jìn)行爆破模擬，則絲長為84.2 mm。

可見，本實(shí)驗(yàn)方法可以靈活地改變金屬絲的長度、直徑、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，來匹配現(xiàn)場爆破參數(shù)進(jìn)行小型化的幾何相似模型實(shí)驗(yàn)，克服了爆轟臨界直徑對試件尺寸的制約。

5 結(jié) 論

(1)提出并設(shè)計(jì)了金屬絲電爆炸模擬炸藥爆炸破碎巖石類脆性材料的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬絲電爆炸可有效破碎水泥砂漿材料，是一種有效模擬炸藥爆炸載荷的實(shí)驗(yàn)手段。在球狀與柱狀電爆炸沖擊載荷作用下，隨著電壓(能量)逐漸增大，試件表面裂紋出現(xiàn)的時(shí)間越早、數(shù)量越多，破碎塊度越小。

(2)金屬絲的參數(shù)、結(jié)構(gòu)與充電電壓等對電爆炸過程有明顯的影響。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求，可以通過改變充電電壓與金屬絲的材料、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等獲得所需的爆炸沖擊載荷。銅絲具有能量利用率較高、抗拉伸、易成型等特點(diǎn)，因此推薦使用銅絲作為電爆炸破碎脆性材料的金屬絲。

(3)與炸藥爆炸相比，金屬絲電爆炸破碎材料時(shí)，等離子化的氣體少，且迅速冷卻并吸附于材料表面，因此金屬絲電爆炸氣體可忽略不計(jì)，只提供沖擊波載荷。當(dāng)電壓為50 kV時(shí)，直徑0.4 mm、長100 mm直線型銅絲電爆炸時(shí)的峰值壓力為49.05 GPa。

(4)可以通過改變電極直徑與抵抗線，開展多種尺寸的球狀藥包漏斗爆破模型實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，金屬絲具有細(xì)而長的優(yōu)勢，可以通過改變金屬絲的長度與直徑，靈活地開展各種長徑比的小型化柱狀藥包模型實(shí)驗(yàn)。