趙建平，盧 偉，程貝貝，李建武

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)

線性聚能爆破是通過(guò)凹槽(圓形拋物面、圓錐面等)裝藥，使炸藥爆轟能量在聚能槽方向顯著集中從而破壞目標(biāo)的一種爆破技術(shù)[1]。線性聚能爆破具有方向性強(qiáng)、能量利用率高、經(jīng)濟(jì)效益好、不受環(huán)境限制等特點(diǎn)，在礦山開(kāi)采、隧道掘進(jìn)、石油勘探等方面應(yīng)用廣泛。

眾多學(xué)者在線性聚能爆破的機(jī)理分析、數(shù)值模擬、裝藥結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用等方面做了大量卓有成效的工作。針對(duì)理論研究，陳壽峰等[2]基于模型試驗(yàn)分析了聚能爆破破巖機(jī)理，得到了不同炸高、不同裝藥形式和不同聚能管材質(zhì)下的巖體破碎體積和破碎深度。徐振洋等[3]進(jìn)行了線性聚能射流侵徹混凝土構(gòu)件試驗(yàn)，運(yùn)用3D DIC技術(shù)分析了混凝土應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布特征和裂紋擴(kuò)展形態(tài)。郭德勇等[4-5]以實(shí)際工程為背景，提出了煤層深孔聚能爆破致裂方法，對(duì)煤體力學(xué)行為及裂隙發(fā)育機(jī)制進(jìn)了分析。在數(shù)值模擬方面，劉燕燕等[6]基于有限元軟件，動(dòng)態(tài)顯示了45°、60°和90°聚能錐角下巖石內(nèi)部和外部裂紋擴(kuò)展過(guò)程。齊慶杰等[7]以裝藥位置為切入點(diǎn)，對(duì)炮孔里端、中端和外端裝藥進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明中端裝藥時(shí)聚能爆破效果最好，里端次之，外端最差。針對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)，王克波等[8]對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了4因素3水平的正交設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到了50 mm開(kāi)口的聚能管最佳裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)。楊仁樹(shù)等[9]通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了簡(jiǎn)易切縫藥包在硬巖掘進(jìn)中的合理性，得到了優(yōu)化參數(shù)。薛憲彬[10]設(shè)計(jì)了雙線型聚能槽裝藥結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示爆壓較普通炸藥提高150%，爆轟速度增加35.7%。在工程應(yīng)用方面，羅勇等[11]、史秀志等[12]在巖體切割、金屬材料切割等方面運(yùn)用聚能爆破技術(shù)，均取得了預(yù)期效果。然而，關(guān)于不同聚能錐角下的線性聚能爆破致裂巖體效果及巖體損傷的研究還不夠充分。

本文基于巷道巖壁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以巖體損傷增量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析40°、50°、60°、70°和80°聚能錐角時(shí)線性聚能爆破致裂巖體效果，運(yùn)用有限元軟件模擬各聚能錐角下的聚能射流，對(duì)聚能壓力、射流長(zhǎng)度和射流頭尾速度等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

1 巖體損傷判定標(biāo)準(zhǔn)

巖體中總是存在著標(biāo)識(shí)其應(yīng)力歷史及效應(yīng)的大量隨機(jī)分布的裂隙、細(xì)小孔洞等宏觀或微觀的初始損傷(微缺陷)，在爆炸波作用下，這些微缺陷成核、擴(kuò)展、匯合，致使巖體開(kāi)裂或破壞。微裂縫和宏觀斷裂延長(zhǎng)了聲波傳播路徑，降低了聲波速度，且聲速及幅值降低程度與裂縫數(shù)量、寬度有密切關(guān)系。因此，聲波波速是評(píng)價(jià)巖石中微裂紋發(fā)育程度簡(jiǎn)單有效的方法。T.J.Ahrens等[13]等測(cè)量了輝長(zhǎng)巖從受壓到破壞過(guò)程中的縱向彈性波速度變化。朱傳云等[14]基于物探方法推導(dǎo)了巖體損傷度D、巖體完整性系數(shù)K和聲波波降率η之間的關(guān)系：

D=1-(v/v′)2=1-K=1- (1-η)2

(1)

式中：v為試驗(yàn)測(cè)得巖體波速；v′為完整巖石波速。

為準(zhǔn)確分析由線性聚能爆破造成的巖體損傷，消除巖體初始損傷的影響，將損傷增量ΔD作為巖體損傷判定標(biāo)準(zhǔn)：

ΔD=D2-D1

(2)

式中：D1為爆前巖體初始損傷；D2為爆后巖體損傷。計(jì)算式如下：

D1=1-(v1/v0)2

(3)

D2=1-(v2/v0)2

(4)

式中：v0為爆前孔中波速最大值；v1為爆前不同深度處巖體波速；v2為爆后不同深度處巖體波速。

2 線性聚能爆破致裂巖體試驗(yàn)

2.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于湖南某礦四中段巷道內(nèi)。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，地表除少量風(fēng)化剝落巖塊外，未見(jiàn)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。出露巖石以板巖和砂巖為主，均為塊狀或巨厚層狀，板巖平均抗壓強(qiáng)度93.59 MPa，平均抗拉強(qiáng)度6.24 MPa，平均泊松比0.15，砂巖平均抗壓強(qiáng)度171.93 MPa，平均抗拉強(qiáng)度5.73 MPa，平均泊松比0.22。

2.2 聚能管制作

聚能管由不銹鋼管外殼和紫銅板聚能罩組成。不銹鋼管長(zhǎng)1.4 m，內(nèi)徑37 mm，外徑38 mm，將厚度1 mm的紫銅板加工成近似“V”型，與不銹鋼管焊接，形成聚能管(見(jiàn)圖1)。為得到致裂巖體效果最好的聚能錐角，試驗(yàn)制作了40°、50°、60°、70°、80°不同聚能錐角的聚能管，為減小試驗(yàn)誤差，每種聚能角度均開(kāi)展3次線性聚能爆破致裂巖石試驗(yàn)。

圖1 線性聚能管Fig.1 Linear shaped tube

2.3 炮孔布置及裝藥

為更好地觀察試驗(yàn)效果，炮孔布置在完整性好、巖體強(qiáng)度高的巖層中，每個(gè)炮孔四周布設(shè)6個(gè)測(cè)試孔，采用YT29A型氣腿式鑿巖機(jī)鉆鑿與自由面垂直的水平炮孔和測(cè)試孔，孔徑為Φ42 mm、孔深1.4 m。炸藥選用2號(hào)巖石乳化炸藥，搓條后振動(dòng)搗實(shí)裝入聚能管內(nèi)，裝藥長(zhǎng)度1.2 m，密度1.2 g/cm3，5組15次試驗(yàn)總裝藥量20 kg。裝藥后，調(diào)整聚能管聚能槽軸線方向，使其與巖層走向相同。炮孔填塞物為巷道底泥，填塞長(zhǎng)度0.2 m。

聚能錐角為40°、50°、60°、70°、80°的炮孔分別命名為B1～B3、B4～B6、B7～B9、B10～B12、B13～B15，測(cè)試孔命名為C1～C6。試驗(yàn)中，若測(cè)試孔布置在聚能方向，起爆后，由于聚能方向的強(qiáng)大沖擊力，測(cè)試孔極有可能破壞，無(wú)法測(cè)出爆后波速，故C6測(cè)試孔位于聚能槽開(kāi)口對(duì)應(yīng)方向夾角內(nèi)和附近邊緣。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)炮孔布置，以炮孔為極點(diǎn)，巖層走向?yàn)闃O軸，建立極坐標(biāo)系。炮孔B1及測(cè)試孔相對(duì)位置如圖2所示。

圖2 B1炮孔及測(cè)試孔相對(duì)位置Fig.2 Relative position of B1 blasthole and test hole

2.4 巖體聲波測(cè)試

爆破孔和測(cè)試孔鉆鑿?fù)戤吅?，水管清孔，用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測(cè)儀，配合單孔一發(fā)雙收換能器進(jìn)行爆前巖體聲波測(cè)試。將換能器伸入孔底，同時(shí)向孔內(nèi)注水，使聲波與巖石充分耦合，從孔底向孔口不斷拉動(dòng)換能器，每5 cm測(cè)試一次，直至發(fā)射端換能器被拉出。對(duì)所有的爆破孔和測(cè)試孔進(jìn)行聲波測(cè)試。爆破試驗(yàn)后，清除巷道頂部和側(cè)幫松石，進(jìn)行爆后巖體聲波測(cè)試，測(cè)試方法與爆前相同。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 巖體致裂效果分析

以B1、B14炮孔為例，致裂巖體效果如圖3所示。B1、B14炮孔均布置于完整性較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的較堅(jiān)硬巖體中。B1炮孔爆炸后，在聚能方向、聚能反方向及與聚能方向垂直的方向，炮孔孔壁巖體被壓碎，可見(jiàn)巖體剝落痕跡。炮孔壁其他方向巖體完整性較好。在聚能方向和聚能反方向產(chǎn)生裂紋，裂紋起始附近有巖屑拋射現(xiàn)象，聚能方向上裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度及深度均比聚能反方向大。聚能爆破致裂巖體效果較好。B14炮孔爆炸后，在爆破漏斗作用下，炮孔孔口臨空面受損嚴(yán)重，周?chē)l(fā)生巖層剝離，聚能方向巖體剝離量較其他方向大，形成多條不連續(xù)裂紋。

圖3 致裂巖體效果Fig.3 Fracture rock effect

對(duì)比B1～B15組線型聚能爆破試驗(yàn)效果可知，①B1～B3炮孔起爆后，臨空面受損較小，聚能射流侵徹巖體，撕裂形成初始裂縫，聚能方向巖石壓碎痕跡明顯，小塊巖體掉落較多，裂紋向前延伸較長(zhǎng)；非聚能方向巖體破碎量少，B2、B3炮孔聚能反方向未見(jiàn)裂紋產(chǎn)生，各測(cè)試孔測(cè)試功能正常。說(shuō)明聚能錐角為40°時(shí)，聚能爆破效果顯著。②B4～B6炮孔周?chē)鷰r層剝離量有限，聚能方向可見(jiàn)清晰裂紋，其中B4C4、B5C5、B6C4 測(cè)試孔垮塌嚴(yán)重，無(wú)法測(cè)試波速。B7～B9炮孔由于布置在節(jié)理裂隙發(fā)育的較軟巖體中，炮孔周?chē)鷰r層脫落較多，其中B9炮孔的測(cè)試孔堵塞嚴(yán)重，波速測(cè)試較困難。這是因?yàn)榫勰鼙埔环矫嬖诰勰懿鄯较蛐纬缮淞?，在開(kāi)口方向的巖體內(nèi)形成裂隙，另一方面，由于聚能爆破在靠近孔口方向只有一個(gè)自由面，在孔口附近形成爆破漏斗，使得爆破孔周?chē)鷰r層部分剝離，致使爆破孔和個(gè)別測(cè)試孔周?chē)鷰r體的波速難以測(cè)試。③B10～B15炮孔聚能方向裂紋擴(kuò)展比非聚能方向稍好，但宏觀上聚能爆破效果相對(duì)來(lái)說(shuō)不明顯。

3.2 試驗(yàn)前后巖體波速分析

以B2和B14組孔為例，由試驗(yàn)前后巖體波速隨孔深變化規(guī)律(見(jiàn)圖4)可知，B2組孔在試驗(yàn)前，當(dāng)孔深小于45 cm時(shí)，波速較小，且沿孔深增長(zhǎng)緩慢，說(shuō)明前期巷道在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖造成了不可忽略的損傷，越靠近臨空面損傷越大，孔口位于巷道掘進(jìn)形成的圍巖松動(dòng)區(qū)內(nèi)。當(dāng)孔深大于45 cm時(shí)，C4、C5、C6測(cè)試孔隨孔深增加波聲速增長(zhǎng)較快。在試驗(yàn)后，C1～C5測(cè)試孔波速較試驗(yàn)前基本不變，C6測(cè)試由于在聚能作用下裂縫貫通度大，孔波速顯著降低，且隨著孔深增加，降低量增大，65 cm孔深時(shí)波速降為2 853 m/s。

圖4 各孔試驗(yàn)前后波速Fig.4 Wave velocities before and after each hole explosion

針對(duì)B14組孔，在試驗(yàn)前，當(dāng)孔深大于30 cm時(shí)，波速基本不再增長(zhǎng)，且各孔波速相差不大。在試驗(yàn)后，6個(gè)測(cè)試孔孔口坍塌，波速無(wú)法測(cè)量，C1～C5孔波速平均降低450 m/s，C6孔波速平均降低615 m/s。

巖體波速是計(jì)算損傷的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了巖體損傷程度的大小，波速越大，損傷越小。綜合對(duì)比B1～B15組孔爆破前后巖體波速大小，得到以下規(guī)律：①試驗(yàn)前，巖體波速隨孔深逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后，大部分孔波速基本保持不變，個(gè)別孔波速跳躍式增加；②同一組測(cè)試孔，波速差別較大，在個(gè)別孔深處波速減?。虎鄄煌M測(cè)試孔，波速相差很大，表明巖體完整性差別大；④試驗(yàn)后，各組孔中C6測(cè)試孔波速降低明顯，C1～C5測(cè)試孔波速保持不變，或略有降低。

3.3 損傷增量分析

損傷增量考慮了巖體初始損傷效應(yīng)，能更準(zhǔn)確地反應(yīng)線性聚能爆破造成的巖體損傷。由B2、B14組測(cè)試孔損傷增量(見(jiàn)圖5)可知，在2組測(cè)試孔中，C1～C5組孔損傷增量大部分小于0.2，小部分介于0.2～0.3，極個(gè)別孔能夠達(dá)到0.35；B2C6測(cè)試孔隨距孔口距離增加，損傷增量快速上升，在65 cm孔深時(shí)達(dá)到0.88，遠(yuǎn)大于C1～C5測(cè)試孔。B14C6測(cè)試孔在距孔口20 cm時(shí)損傷增量最大，隨孔深增加損傷增量變化較復(fù)雜，總體上呈下降趨勢(shì)。

圖5 損傷增量Fig.5 Damage increment

在B1～B15組孔中，C6測(cè)試孔損傷增量均明顯大于C1～C5孔，說(shuō)明線型聚能爆破對(duì)聚能方向巖體造成良好的致裂效果，對(duì)非聚能方向巖體破壞小，能夠保證在特定方向致裂巖體。對(duì)B3、B5、B8、B12和B14組孔中C6測(cè)試孔的損傷增量進(jìn)行分析，不同聚能錐角時(shí)聚能方向巖體損傷增量如圖6所示。

圖6 不同聚能錐角聚能方向損傷增量Fig.6 Damage increment of shaped direction of different shaped cone angle

由圖6可知，B3C6(40°)、B5C6(50°)和B8C6(60°)測(cè)試孔損傷增量隨距孔口距離增加而增加，B12C6(70°)和B14C6(80°)測(cè)試孔損傷增量隨距孔口距離增加而減小。B3C6測(cè)試孔在不同孔深處損傷增量均大于B5C6和B8C6測(cè)試孔，其損傷增量曲線增長(zhǎng)先快后慢，最大損傷增量為0.93。B5C6和B8C6測(cè)孔損傷增量曲線交替上升，B5C6孔最大損傷增量0.91，B8C6孔最大損傷增量0.88。B12C6孔在距孔口55 cm范圍內(nèi)損傷增量始終保持在0.6以上，之后迅速減小，其最大損傷增量為0.79。B14C6最大損傷增量為0.7?？梢?jiàn)，最大損傷增量隨聚能錐角角度的增加逐漸減小。

總體來(lái)看，聚能錐角40°時(shí)線性聚能爆破致裂巖體效果最好，在聚能方向，巖體波速顯著降低，損傷增量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，具有良好的聚能效應(yīng)，裂紋擴(kuò)展深度、長(zhǎng)度較大，致裂效果好，對(duì)非聚能方向擾動(dòng)較小。聚能錐角50°和60°時(shí)，致裂巖體效果良好，對(duì)聚能方向巖體產(chǎn)生較大損傷，裂紋擴(kuò)展較清晰。聚能錐角70°和80°時(shí)，具有一定的聚能爆破效果，各方向巖體相對(duì)來(lái)說(shuō)受損較大。

4 聚能射流數(shù)值模擬

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以測(cè)得爆破前后巖體波速大小，計(jì)算損傷增量，觀察裂紋擴(kuò)展，宏觀上了解線性聚能爆破致裂巖體效果，但是，線性聚能爆破形成聚能射流的過(guò)程、聚能射流作用在巖石上的壓力等不能由試驗(yàn)觀測(cè)得到。因此，以試驗(yàn)裝藥結(jié)構(gòu)、材料類型和尺寸等為基礎(chǔ)，建立模型，進(jìn)行聚能射流數(shù)值模擬。

4.1 模型建立

運(yùn)用LS-DYANA軟件建立聚能錐角為40°、50°、60°、70°和80°的二維平面模型，采用Solid162二維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)解決聚能罩發(fā)生大變形的問(wèn)題。炸藥與聚能管、聚能管自身之間的接觸通過(guò)添加接觸算法關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算時(shí)運(yùn)用小型重啟動(dòng)分析，10 μs時(shí)炸藥爆轟基本完成，不再影響聚能射流的形成，此時(shí)刪除炸藥部分和聚能管與炸藥之間的接觸。模型采用cm-g-μs單位制。聚能錐角為40°時(shí)的數(shù)值計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型(聚能錐角40°)Fig.7 Numerical model(shaped cone angle 40°)

4.2 材料參數(shù)

炸藥選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述，主要參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥主要參數(shù)

紫銅板聚能罩選用*MAT_STEINBERG材料模型和*EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程描述，主要參數(shù)如表2所示。

表2 紫銅板主要參數(shù)

不銹鋼管外殼采用動(dòng)力學(xué)模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC描述，主要參數(shù)如表3所示。

表3 不銹鋼管外殼主要參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

由40°聚能錐角時(shí)聚能射流的形成過(guò)程(見(jiàn)圖8)可知，藥柱起爆后，在聚能管外殼和聚能穴導(dǎo)向作用下，爆轟產(chǎn)物沿近似垂直聚能穴表面的方向高速射出(見(jiàn)圖8a)；由于裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)稱，射出速度大小相等，爆轟產(chǎn)物在軸線附近匯集，進(jìn)行矢量疊加，同時(shí)推動(dòng)聚能罩向軸線運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖8b)。爆轟產(chǎn)物壓力、速度本就很高，經(jīng)碰撞疊加后在軸線處產(chǎn)生更高的壓力區(qū)和速度值，形成聚能射流以及伴隨在它后面的一支運(yùn)動(dòng)速度較慢的杵體(見(jiàn)圖8c～圖8d)。

圖8 聚能射流形成過(guò)程Fig.8 Formation process of jet

聚能射流從頭部向尾部速度逐漸降低，40°聚能錐角時(shí)，射流頭部速度達(dá)到3 587.6 m/s，尾部速度為896.7 m/s。聚能射流較其它方向具有極高的速度、密度、壓力，破壞作用顯著增強(qiáng)。根據(jù)能量守恒定律，能量主要集中在聚能方向，則作用在非聚能方向的能量變小，能有效提高能量利用率。

50°、60°、70°和80°聚能錐角時(shí)聚能射流形成過(guò)程與形狀和40°時(shí)基本一致，不同聚能錐角線性聚能射流對(duì)比如表4所示。

表4 不同聚能錐角線性聚能射流對(duì)比

由表4可知，聚能錐角40°、50°、60°、70°、80°時(shí)聚能射流壓力、射流長(zhǎng)度、射流頭部速度、射流尾部速度等指標(biāo)均依次遞減，說(shuō)明聚能爆破效果逐漸減弱。聚能錐角40°時(shí)，射流頭部和尾部速度最大，同時(shí)頭尾速度差也最大，保證了射流具有較好的延展性，經(jīng)過(guò)一定距離延伸后不會(huì)斷裂。隨著角度增大，頭尾速度差逐漸減小，射流長(zhǎng)度受限。在60°和70°之間，聚能壓力等各個(gè)參數(shù)有較大幅度的下降。

5 結(jié)論

1)損傷增量考慮了巷道開(kāi)挖等原因造成的巖體初始損傷，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)由線性聚能爆破引起的巖體損傷。在聚能方向巖體損傷增量大，致裂巖體破壞顯著，非聚能方向巖體損傷增量小，巖體破壞小。定向致裂巖體效果明顯。

2)聚能錐角為40°時(shí)，線性聚能爆破致裂巖體效果最佳。在聚能方向，爆破前后測(cè)試孔巖體波速顯著降低，最小波速降為2 853 m/s，最大損傷增量0.93，聚能射流頭尾速度差大，裂紋擴(kuò)展深度和長(zhǎng)度相對(duì)較大，對(duì)非聚能方向巖體擾動(dòng)較小。50°、60°、70°和80°聚能錐角時(shí)，最大損傷增量、聚能壓力、射流長(zhǎng)度、射流頭部速度、射流尾部速度等隨聚能錐角增大而減小，致裂巖體效果逐漸降低。

3)數(shù)值模擬顯示40°、50°、60°、70°和80°聚能錐角時(shí)聚能射流壓力、射流長(zhǎng)度、射流頭部速度、射流尾部速度等指標(biāo)均依次遞減，說(shuō)明聚能爆破效果逐漸減弱，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

4)線性聚能爆破在工程上得到了廣泛應(yīng)用，但當(dāng)聚能方向無(wú)自由面時(shí)，補(bǔ)償空間不足，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度受限，需進(jìn)一步研究聚能管材質(zhì)、裝藥結(jié)構(gòu)和藥量等因素對(duì)致裂巖體裂紋長(zhǎng)度的影響。