不同水量下不耦合装药混凝土试件爆破对比分析

张大宁 胡银林 郭连军 李秀虎 潘 博(辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051 )

不耦合装药爆破是一种特殊的控制爆破，自上世纪50年代首次在瑞典被成功应用，取得了良好的爆破效果[1]。在以后的几十年里，世界各国逐渐把不耦合爆破技术应用到矿山边坡、隧道开挖、水利水电等工程，很好地保护了矿山边坡的稳定、隧道围岩的稳定和机电峒室的安全。在实际工程中，由于地下涌水、自然降水和岩层的渗水等原因，出现了大量的含水炮孔。在这种情况下，炸药和炮孔壁之间的介质由原来空气介质变成水介质，即是炮孔水介质不耦合装药。由于水的物理特性不同空气，其相对于空气不可压缩性、密度大,并且水中的声速远大于空气中的声速[2]。因此，水不耦合装药爆破的发展过程和传播规律与空气不耦合装药爆破的过程和规律相似不尽相同。

随着乳化炸药等各种高猛度的抗水炸药的出现，对水不耦合装药爆破的研究逐渐增多，陈士海等人根据水介质的特点[3]，进行水压爆破破岩理论的研究，得出水压爆破孔壁压力、孔壁围岩应力场、水楔作用及最佳不耦合系数；杜俊林、罗云滚等人对水介质不耦合装药爆破[4]水中爆炸冲击波的传播规律进行理论研究，提出正入射情况下孔壁岩石内的初始冲击波压力；过江等[5]利用ANSYS-DYNA动力有限元程序对空气和水不耦合系数进行研究，得出空气不耦合装药有效应力衰减较快，空气不耦合装药相对水不耦合装药减少裂纹分叉，易形成良好的贯穿裂缝。

由于在实际工程爆破过程中每一个炮孔的含水量不尽相同，本研究使用动力有限元分析软件LS-DNAY，采用JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)损伤本构模型建立不同水量条件下不耦合装药爆破的双孔计算模型，并且结合了混凝土模型试验，研究不同水量下的不耦合装药结构对混凝土介质的破坏差异。

1 不同介质不耦合装药的理论分析

1.1 空气不耦合装药爆破机理

空气不耦合装药预裂爆破时，炮孔壁与药柱之间充满了空气，炸药爆炸产生的爆轰波最初作用在炸药周围的空气上，爆轰波在空气中沿炮孔径向向外传播，并与炮孔壁处的岩石产生碰撞，可以假设爆轰波与炮孔壁处的岩石表面之间产生弹性碰撞，使用弹性和波动理论进行求解炮孔壁的初始压力[6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 水介质不耦合装药爆破机理

水不耦合装药爆破产生的爆轰冲击波在炮孔内径向向外传播，同时压缩炸药周围的水介质，使炸药的爆炸冲击波峰值得到降低。实际工程爆破中炮孔装药大多采用为柱状装药，水作为不耦合介质时，水中爆炸冲击波传到孔壁时的峰值压力为[7]

(5)

式中，PW是炮孔径向方向上距离炸药轴心R处水中冲击波压力，MPa；Kd是炮孔装药不耦合系数；QC是TNT炸药药柱当量，kg；QT为所使用炸药的药柱量；ρe为使用炸药的密度，g/cm3。

由于岩石和水是2种不同的介质，当冲击波到达水和岩石的交界面时，将产生反射波和透射波，其中透射到炮孔壁上的冲击波峰值压力为[8]：

(6)

式中，ρ1D1为冲击波波速为D1时水的波阻抗；

(7)

式中，A和β均为常数，A=394 MPa，β=8。

1.3 空气与水不耦合装药炮孔壁压力的对比

根据上述理论分析，在炮孔孔径及不耦合装药结构相同的情况下，选用的TNT炸药参数：ρe=1.65 g/cm3，D=6 900 m/s，ρm=2.8 g/cm3，Cp=5 050 m/s，进行空气和水不耦合装药爆破计算，得出孔壁处岩石的初始冲击波压力，结果如图1所示。

从图1可知：①在相同的径向不耦合系数条件下，水介质不耦合装药爆炸产生的孔壁压力大于空气介质不耦合装药时的压力，水介质不耦合装药炮孔壁的压力随着不耦合系数增大而相对缓慢地减小；不耦合系数在1～2范围内，空气不耦合装药的孔壁压力急速下降，当不耦合系数大于2时，孔壁压力缓慢下降；②当炮孔孔壁压力相同时，水介质不耦合系数远大于空气不耦合系数；③当不耦合装药系数相同时，水介质不耦合装药产生的孔壁压力远大于空气不耦合装药时的压力，证明水比空气具有更好的传能作用，在相同的不耦合装药结构条件下，水介质比空气介质能量利用率高，在炮孔附近形成更强的准静态应力，且作用均匀、作用时间长，因此可以更好地节约炸药使用量。

2 爆破数值模型

2.1 混凝土介质损伤模型

由于炸药爆炸过程中，混凝土材料受到爆轰波和爆生气体的联合作用，材料内部呈现大的应变、损伤及破坏等特征。为了更加合理地描述混凝土在爆破中的破坏过程，本研究采用混凝土JHC(Johnson-Holmquist-Concrete)材料模型。混凝土JHC模型的参数见表1所示。

表1 JHC混凝土材料本构参数[9]Fig.1 Constitutive parameters of JHC concrete materials

2.2 炸药状态方程

数值计算中选择高能炸药，高能炸药的主要参数设定如下：ρ0=1.64 g/cm3，D=6 930 m/s，使用JWL状态方程模拟炸药爆炸爆轰过程中压力和比容的关系[10]：

(8)

式中，A，B，R1，R2，ω是描述JWL状态方程的5个物理常数，其取值见表2。

表2 炸药状态方程参数Table2 Parameters of state equation of dynamite GPa

炸药爆破过程中，空气和水材料普遍使用采用EOS_Gruneisen状态方程[11]描述：

(γ0+aμ)E0,

(9)

式中，a是γ0和E0的一阶修正量体积；μ=ρe/ρ0-1;ρ0，C，S1，S2，S3，γ0，E0等参数取值见表3、表4所示。

表3 空气状态方程参数Table 3 Parameters of state equation of air

表4 水状态方程参数Table 4 Parameters of state equation of water

2.3 有限元模型的建立

不同水量不耦合装药计算模型如图2、图3所示，本研究建立实体模型，材料使用3种物质：炸药、混凝土、约束介质(空气、水)，炮孔直径为15 mm，装药直径为5 mm，炮孔间距为120 mm，装药长度为100 mm，填塞长度为100 mm。为了简化计算，填塞部分与混凝土材料相同。为了可视化和减少运算量，本研究建立1/2模型作为研究对象。炸药、空气、水与混凝土4种介质单元均使用3D SOLID164单元，模型简化成一个单元厚度的三维模型，混凝土使用Lagrange算法，炸药与约束介质(空气、水)采用多物质ALE算法，混凝土与约束介质(空气或水)之间采用流固耦合算法。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

图3 不同水量装药结构Fig.3 Charge structure of different water yield

为了研究不同水量下预裂爆破的炮孔孔壁压力，依次在孔壁上选取距离其底部为2.5、5.0、7.5 cm处的单元点(分别在图3选取3个炮孔距离)进行研究。

2.4 计算结果与分析

由图4可知，在相同的装药条件下，干孔孔壁的变形明显小于含水炮孔孔壁变形；空气-水混合炮孔中，含水段炮孔孔壁变形大于空气段的变形，由此表明含水炮孔的孔壁粉碎区面积大于干孔的粉碎区面积，不利于预裂缝的形成。

图4 相同时刻不同水量下的损伤破坏分布(30 μs)Fig.4 Damage distribution of different water levels at the same time

不同水量不耦合装药爆破的孔壁单元压力如表5所示。

表5 不同水量不耦合装药爆破的孔壁单元压力Table 5 Unit pressure of hole wall of uncoupled charge blasting under different water yield

由表5可知，①同一种介质的连续不耦合装药预裂爆破，在炮孔壁不同单元产生几乎相同的炮孔壁压力；②在相同不耦合装药条件下，不同的不耦合介质的炮孔壁压力差别很大，全水不耦合装药炮孔孔壁压力最大，并且远大于空气不耦合、水与空气混合不耦合装药的孔壁压力；③在水与空气混合不耦合装药的炮孔中，含水部分孔壁压力大于空气部分孔壁压力，空气和水的交界面为孔壁压力的转折点；④水与空气混合不耦合装药时，含水部分孔壁压力远小于相同位置全水炮孔孔壁压力，但是大于相同位置全空气炮孔孔壁的压力。因此，在相同装药结构条件下，爆炸时水中冲击波峰值压力远大于空气中的峰值压力，导致预裂爆破时炮孔附近的介质表面平整度较差，不利于预裂缝的形成。

距离炮孔底部不同位置有效应力衰减曲线如图5所示。

从图5可以看出：①从炮孔壁到炮孔连心线中点，全水炮孔的有效应力远大于干孔、水与空气混合炮孔的有效应力；②空气与水混合不耦合装药时，含水段的有效应力大于空气段的有效应力，有效应力变化的转折点在空气和水的交界面处；③水与空气混合不耦合装药时，空气段的有效应力与相同位置全空气炮孔的有效应力相差不大；④空气与水混合不耦合装药时，含水段的有效应力大于同部位全空气炮孔的有效应力，但是小于相同位置全水炮孔的有效应力。说明水相对于空气具有良好的储能量和传到能量作用，在相同的装药结构情况下，水不耦合的有效应力远大于空气不耦合，严重影响到了预裂缝的形成和预裂面的平整度。

图5 不同位置有效应力衰减曲线Fig.5 Effective stress attenuation curve at different locations■—干孔；●—25%水量；▲—50%水量；▼—75%水量；◆—100%水量

3 混凝土试件试验研究

3.1 试验方案

试验模型采用525#硅酸盐水泥和筛分后的细河砂浇筑而成，水、水泥和细砂的质量配比为1∶2∶6，常温下在实验室养护28 d，储存60 d。混凝土模型为30 cm的正方体，在模型中心线上预留2个相同的炮孔，炮孔直径为1.5 cm，炮孔间距为12 cm，炮孔深度为10 cm。试验采用工业瞬发电雷管(0.4 g)，反向起爆5 m长度的导爆索(0.6 g)，实际每孔装药量为1.0 g。试验分别采用干孔、水柱为2.5 cm、水柱为5 cm，水柱为7.5 cm、水柱为10 cm的5种情况，填塞长度均为10 cm。其爆破效果如图6所示。

3.2 爆破效果分析

从图6中可以看出:①干孔和25%水量的炮孔取得良好的爆破效果，半孔比较完整，预裂面较平整，采用空气不耦合装药结构爆破，炸药和炮孔壁之间充满空气介质，爆轰产物经过空气介质后，降低了炮孔壁上的应力峰值，可以有效地减小炮孔壁处岩石的过粉碎，扩大裂隙区范围；②含水量为50%、75%和100%的炮孔，随着水量的增加，爆破效果越来越差，水介质不耦合装药爆破时，由于水介质相对于空气介质不可压缩，同时水介质具有良好的传递能量的作用，炮孔壁上的应力峰值压力未能得到有效降低，炮孔壁产生较大范围的粉碎区。因此，不同水量下不耦合装药爆破时，随着水量的增加，混凝土表面的平整度逐渐降低。

4 结 论

(1)全水不耦合装药爆炸产生的初始应力大于全空气(不耦合装药)、空气与水混合不耦合装药(条件下的初始应力，同时空气与水混合不耦合装药时，含水段孔壁压力明显高于空气段孔壁压力。

(2)水和空气的相同不耦合装药时，炮孔连心线上的Von Miss 应力差别很大，水不耦合的Von Miss应力是空气不耦合的2～3倍。

(3)装药条件相同，空气不耦合会形成更好的预裂面；水不耦合会造成炮孔壁周围岩石形成较大的粉碎区；水与空气混合不耦合装药时，随着炮孔中水量的增加，爆破后的预裂面平整度越差。

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图6 不同水量不耦合装药爆破效果Fig.6 Blasting effect of uncoupled charge with different water yield

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