椭圆双极线性聚能药柱聚能预裂特性研究

李必红,冯大林,李是良,秦健飞

(1.国防科技大学, 湖南长沙 410072;2.中南水电勘察设计研究, 湖南长沙 410006;3.中国水利水电第八工程局有限公司, 湖南长沙 410007)

椭圆双极线性聚能药柱聚能预裂特性研究

李必红1,冯大林2,李是良1,秦健飞3

(1.国防科技大学, 湖南长沙 410072;2.中南水电勘察设计研究, 湖南长沙 410006;3.中国水利水电第八工程局有限公司, 湖南长沙 410007)

针对用于民用低爆速炸药的椭圆双极线性聚能药柱,从装药利用率、爆炸应力测试和爆炸数值模拟 3个方面分析研究该药柱的聚能预裂性能,研究分析表明椭圆双极线性聚能药柱的具有明显的预裂爆破特性,能够达到安全、经济、环保的效果。

椭圆线性双极聚能药柱;装药利用率;应力测试;数值模拟;预裂特性

0 引 言

在岩石边坡开挖中,为了减少钻孔量、提高边坡稳定性以及节约成本,开发研制了椭圆双极线性聚能药柱技术。采用注塑拉伸工艺成型椭圆 PVC管,在该管的长半轴两侧对称形成两个聚能槽,配置对中装置后在管内充满炸药从而形成双极线性装药,称之为椭圆双极线性聚能药柱。国内从 2006年开始采用椭圆双极线性聚能药柱进行预裂爆破或光面爆破,并将该技术在小湾水电站等多项工程进行了推广应用,如图1所示。

图1 椭圆双极线性聚能药柱及其应用

为了有效地分析该药柱的聚能预裂特性,为其应用提供理论依据,本文将从装药利用率、爆炸应力测试和数值模拟 3个方面开展研究。

1 装药利用率分析

椭圆双极线性聚能药柱爆炸瞬间,在形成初始裂缝的同时借助高能气流形成的“气刃”使聚能射流沿着裂缝喷射,爆破应力波、爆轰气体的膨胀作用及聚能射流的“气刃”作用相互作用、有机结合,使裂缝更容易形成并且得到更充分扩展和延伸,从而实现聚能射流面与预裂面的完全吻合。为了从爆炸理论上研究该药柱的聚能预裂特性,本文建立了基于瞬时爆轰理论的爆炸分析模型,利用该模型可以有效地进行装药有效部分分析及装药利用率计算。

1.1 基于瞬时爆轰的爆炸分析模型

炸药爆速非常高,完成爆炸变化时间极短,可以近似地认为装药的爆轰是在一瞬间完成的,这样可以使问题的研究得到简化:产物爆轰瞬间完成,不考虑起爆点的影响,产物散射遵循等距离面组规律。由此可以建立以椭圆形长轴为 X轴,短轴为 Y轴的建立直角坐标系,如图2所示。

图2 装药分析模型

1.2 聚能方向装药利用率计算

瞬时爆轰理论下,爆轰产物散射遵循等距离面组规律,即在单位时间内有假想的等厚度产物层沿装药表面的法线向外进行散射,进而可知装药有效部分边界到最近二边的距离相等,据此可以利用参数估计方法对边界函数进行回归确定。该药柱产物内部散射面分布及装药有效部分如图3所示。

图3 聚能方向有效部分及利用率计算

对于药柱参数 (a=15,b=11,c=9,α=35°)已知时,可以利用我们设计和软件进行求解,如图3所示,得出药柱聚能方向装药利用率为 41.196%。

软件分析表明:椭圆双极线性聚能药柱在聚能方向装药有效部分特别多,利用率特别高,聚能特性明显;而常规圆柱形药柱则完全不同,该药柱各方向装药有效部分相同,利用率也相同,没有能量的聚中特性。

2 爆炸应力测试分析

为了有效分析药柱的爆炸应力特性,利用 yzw/165°切铌酸锂晶体制作专门压力传感器,设计并开展试验来测试药柱聚能射流方向和短轴方向的应力大小。

开展了 2组爆炸应力测试试验。第一组试验方案如图4所示,是传感器与药柱中心相距 105 mm的情况下测试的,提前用样架钻好孔,再将传感器和药柱分别放入孔内,然后用与岩石阻抗基本匹配的混凝土浇筑,2个传感器分别置于聚能槽方向和短轴方向。第二组试验方案如图5所示,是传感器与药柱紧贴下测试的,2个传感器分别紧贴聚能槽和短轴。

图4 传感器与药柱中心相距 105 mm时的测试试验

图5 传感器与药柱紧贴时的测试试验

测量得到椭圆双极线性聚能药柱爆破后在射流方向和非射流方向上岩石中的应力 -时间曲线,如图6、图7所示。

图6 试验一岩石中的应力 -时间曲线

图7 试验二岩石中的应力 -时间曲线

从图6中看出,与药柱中心相同距离 (105 mm)上,聚能方向最大应力值为 3.1 MPa,而短轴方向最大应力值为 0.15MPa,二者比值为 20.7。从图7中看出,与药柱紧贴时,聚能方向最大应力值大于 85 MPa,而短轴方向最大应力值为 23 MPa,二者比值大于 3.7。

以上爆炸应力测试表明:聚能射流方向对岩石的侵彻破坏能力远大于非射流方向对岩石的侵彻破坏能力。

3 爆炸数值模拟分析

3.1 数值模拟实体模型

本文使用ANSYS软件进行模型的建立与数值计算。利用模型的对称性,选取三维模型的 1/2进行模拟分析,如图8所示。装药截面为椭圆形,射流形成方向为双向的,聚能装药侵彻岩石的 1/2模型如图9所示。采取流固耦合算法来模拟射流形成过程,外壳、炸药、空气采用 Euler算法,被侵彻的岩石采用 Lagrange算法。

图8 药柱网格划分

图9 药柱侵彻岩石的 1/2模型

3.2 数值模拟结果

图10给出了数值模拟得到的射流行程及运动示意图,从图中可以看出在爆轰压力的作用下加速运动,在极短的时间内药型罩发生巨大的变形,由于壳体收缩到直径较小的区域,使其厚度不断增加;随后压垮的壳体材料在轴线会聚碰撞,使得其内壁材料获得较大的轴向速度后被轴线挤出,形成射流。

图10 二个不同时刻聚能射流行程及运动示意

图11给出这聚能方向 (即单元 151197)和短轴方向 (即单元 151197)两个介质单元压力随时间变化过程。从图中可以清晰地看出聚能方向的压力峰值要明显大于短轴方向所对应的值,聚能方向压力最大值达 280 MPa,而短轴方向最大值还不到 25 MPa,差距有 10倍之多,这很好地说明了聚能的效果明显。

图11 不同介质单元压力变化示意

4 结 论

本文基于椭圆双极线性聚能装药技术,通过基于瞬时爆轰的聚能方向装药利用率分析,以及药柱对岩石毁伤破坏性能的爆炸应力测试和数值模拟分析,得到了装药利用率、不同位置岩石应力的分布情况以及聚能射流形成和运动过程,三者结论基本一致,说明椭圆双极线性聚能药柱具有良好的聚能预裂爆破特性,为该技术的应用与推广提供了一定的理论依据。

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2011-06-26)

李必红 (1975-),男,副教授,主要从事爆破技术研究。