岩石爆破应力波分布规律的水下测试

曹 祺

(淮南职业技术学院能源工程系, 安徽淮南232001)

岩石爆破应力波分布规律的水下测试

曹 祺

(淮南职业技术学院能源工程系, 安徽淮南232001)

利用水下折射法避免了爆炸应力波与应变片的不耦合现象,建立了水下岩石爆破测试模型,论证原理,制作球形试块和DDNP集中药包,利用集中药包在球形试块中产生爆炸应力波在边界上入射角为零且无折射的特性,推导出球形试块中应力波峰值的衰减规律,并分析了实验结果。

球形试块; 应力波分布; 水下测试

众所周知,炸药爆炸后对介质的破坏是高压爆轰气体和应力波的共同作用。而水下爆炸能量测试法能够很好地将能量分为两部分:气泡波能和冲击波能。与实际情况的良好吻合,也是其他测试方法难以实现的。

本文使用水下测试法,测量并计算得到不同半径的水泥砂浆球形试块水下爆炸后透射应力波的大小,由于集中药包装药位于球心,爆炸应力波在边界上入射角为零且无折射,推算出不同半径的球形试块边界处的应力波大小,作为岩石内部距离不同点的应力波值,进一步推算出其衰减规律。国内外有关集中药包水中爆炸能测试的研究[1,2]为本文的测试提供的依据。

1 实验原理

本实验采用球形水泥砂浆模型试块测算炸药爆炸应力场分布。假设应力波从球形试块到自由面的传播为弹性波,弹性波从球心传播到自由面上的每一点都是正入射,则有折射应力σt与入射应力σi的比值为。

(1)式中:n为两介质的波阻抗之比。

水下实验设置如图1所示,B点为测试点,其压力峰值为Pm,A点是球形试块岩面与水交界面上的点,Pa是A点透射到水中的爆炸应力波峰值压力,σr是爆炸应力波在A点的径向入射波的压力峰值,Pa和σr的关系由公式(2)所示。

根据水下爆炸理论和标准药包的实测结果,爆轰波压力峰值随距离的衰减律[3]为:

图1 球形水泥砂浆试快水下爆炸示意图

假设半径为Rn的球形水泥砂浆试块水中爆炸后,在B处传感器测得的应力波压力峰值可以看作虚拟爆源O′爆炸产生所应力波压力峰值,因此由(3)式可得:B点透射应力波为

A点透射应力波为

公式中:W为装药量,g;Rn为球型模型试块的半径(n=1～5,n为整数),m;r为测点至球形试块中心的距离,m;K、α分别为集中药包水下爆炸时的系数和压力衰减指数。

由(4)(5)式可得:

将(2)式代入(6)式可得岩石表面应力波径向分量值为:

式中k值可由裸露药包在水下爆炸所产生的压力峰值,与在B点所测量峰值压力计算比较得出。

2 实验测试

爆炸能量水下测试系统的实验装置如图1所示,该系统由信号传输电缆、压力传感器、数据采集系统、数据处理系统以及室外水池(直径5.5 m,水深3.62 m)组成。

由于模型试块爆破药量较小,整个实验是在小水池的条件下完成。所以实验采用了爆速和猛度较低的DDNP(二硝基重氮酚)集中药包进行水下测试。每个药包表面做用环氧树脂防水处理。其主要性能如表1所示。

根据相似实验,制作不同半径的球形水泥砂浆试块(水泥:砂子:水=1:2:0.4),5个1组。水泥砂浆试块的几何尺寸和力学性质如表2、图2和表3所示。

表1 DDNP集中药包的主要性能参数

表2 装药球形试块几何尺寸

表3 球形试件的主要力学参数

图2 球形水泥砂浆试块

将DDNP集中药包装入球心,保证药包距试块边界处处相等且入射角均为零。刷防水剂,防止水侵入试块改变其力学性质。用环氧树脂及石英砂堵塞炮眼。最后,在测量铁架安装标定好的传感器,同时将球形试块固定在铁架中心,确保爆心与传感器在同一水平面上,爆心距传感器的距离为0.5 m。

3 实验结果与分析

3.1 实测结果

球形水泥砂浆模型共5组,每组5个,试块半径20 mm递增。

在实测过程中,随着试块半径的增大,应力波峰值迅速减小,并且伴随有大量干扰波,产生双峰值或是三峰值的波形图,使得典型的应力波波形图捕捉困难,造成实验数据的部分缺失。所测应力波参数见表4。

表4 球形水泥砂浆模型水下透射应力波实测值

以上数据用最小二乘法进行拟合得:在测量范围内(0.86≤W1/3/R≤2.47 kg1/3/m),应力波参数及能量参数拟合方程如下:

应力波峰值衰减规律:

式中R0为测点到模型试块的距离,线性相关系数:S=0.995 2。

3.2 实验结果分析

DDNP集中药包在球形水泥砂浆试块中水下爆炸后,利用水下测试法得到的岩石内应力波峰值压力随试块半径变化的图形如图3所示,随R/R0变化图形如图4所示。由图3可知,应力波峰值压力在爆炸的近区衰减的较快,随着球形试块半径的增大,应力波峰值压力衰减趋于平缓。同时,DDNP集中药包在球形试块中实际测量的爆炸衰减指数为1.85,前人工作总结爆炸衰减指数α的取值范围是1.68≤α≤1.81,造成该误差的原因,是由于应力波在介质中传播过程中,介质的不连续性和制作试块时产生的结构弱面对应力波的干扰作用,使得应力波在传播过程中发生几何发散和频射,导致应力波峰值压力衰减加快。此外水下测试法反推岩石内部的爆炸应力波分布特征,是建立在水为不可压缩介质的前提下,而在实验过程中,水的微小变形,传播压力转化成体积能,也削弱了应力波的峰值压力,故实验所得的球形试块应力波压力峰值的衰减指数比理论值要稍大点,是能够预见到的,是在实验允许误差范围内的,故实验结果是可信的。

图3 应力波峰值压力随试块半径变化曲线图

图4 应力波峰值压力随R/R0变化曲线图

[1] 曹祺,颜事龙,韩早.岩石爆破中爆炸能量分布的规律的现状和发展[J],煤炭爆破,2007(4):28-32.

[2] 吴亮,卢文波.岩石中柱状装药爆炸能量分布[J].岩土力学,2006(5):735-739.

[3] 颜事龙.集中药包与条形药包水下爆炸能量测试[J],爆破器材,2003,32(5):23-27.

[4] 王丽琼.二硝基重氮酚的爆速与密度的关系[J].煤炭科技.1984(3).

TD235.1+1

B

1671-4733(2015)06-0005-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.002

2015-11-20

淮南职业技术学院教科研基金项目(项目编号:HKJ12-4)

曹祺(1981-),男,安徽淮南人,讲师,从事井巷工程和爆破工程研究工作,电话:0554-6656921。