关键词：
孔间延时
裂纹扩展
全场应变
光测实验
预裂爆破
摘要：
预裂爆破通常紧邻保留岩体或建（构）筑物,由于单一自由面夹制作用显著,预裂孔齐发爆破在成缝瞬间对保留岩体的损伤和扰动往往超过了逐孔起爆的主爆区。传统齐发预裂爆破方式已无法满足特殊环境控制爆破需求,因此迫切需要创新预裂爆破技术,发展更为精细的预裂爆破方法。本文研究基于炸药爆炸能量与介质破碎理论、爆破作用过程控制理论、相似模拟技术、爆破损伤评价等多种方法,从孔间爆生裂纹扩展规律和爆破损伤特性出发,利用多孔爆炸加载动态焦散线和数字图像相关（DIC）动态测试系统,研制了用于爆炸光测实验的多炮孔封堵装置、精准延时点火装置和连续柱状药包。通过动态焦散实验、物理相似模型试验、DIC测试和现场爆破试验,系统研究了逐孔预裂爆破的裂纹扩展行为及损伤演化机理,研究发现:
四种不耦合系数的单孔爆炸动焦散试验表明,不耦合系数Rd=1.67时,不仅可以有效地引导左右对称主裂纹的动态扩展,还能减少对其它方向的损伤,损伤变量与分形维数的关系满足ω=0.00175D9.04,随着药量的增加主裂纹面密度呈先降低后增大的变化规律,发现存在最佳的药量,既减小孔壁破裂区范围又能提高主裂纹扩展长度;单孔爆炸的应变峰值随比例距离增大呈幂函数衰减规律,揭示了单孔不耦合装药爆炸作用下介质损伤与全场应变的关系。
双孔等药量延时起爆,当孔间延时为0μs～12μs时,裂纹扩展的动态特征曲线形态基本相似,裂纹尖端的焦散斑相遇时裂纹偏转显著,形成了孔间“勾连状”的裂纹交汇区,εx应变分量峰值在孔间叠加效应中呈现出明显的“W”型分布,而εy应变分量峰值仅在孔间中心区域产生微弱叠加。当孔间延时为25μs和43μs时,先爆主裂纹近似水平地沿着孔间方向扩展,应力波叠加效应较弱,仅在接近后爆炮孔时发生轻微偏转后止裂;0μs～5μs延时时间内,孔间中心点的应变叠加效应最为显著,2μs～12μs时,孔间主裂纹的垂直间距和交汇区面积呈线性增长,表明孔间短延时对裂纹扩展和应变场演化影响显著。
三孔等药量延时起爆,当孔间延时为0μs和8μs时,先爆两炮孔间均表现出“勾连状”的裂纹交汇区,裂纹形态及扩展行为与双孔起爆相似,而后爆两炮孔间受多重应力波延时叠加作用,0μs时裂纹竖直间距和裂纹交汇区较大,8μs时孔间裂纹的动态扩展行为减弱,但在扩展中却直接相遇形成贯通裂纹,表明多孔延时起爆条件下孔间多重应力波叠加效应显著影响了后爆孔间裂纹动态扩展行为,孔间合理延时有助于裂纹的贯通和形成平整的爆破轮廓线。
多孔起爆物理模型试验表明,延时起爆时裂纹的扩展速率较同时起爆下降了8.46%,爆炸能量呈现“释放-衰减-再释放-再衰减”的波动过程。同时起爆时,应变集中区主要位于模型中部,应变峰值强度为延时起爆的5.1倍;延时起爆时,应变集中区沿炮孔中心线迅速扩展,岩体的损伤主要集中于孔间区域,损伤程度相对较小。沿炮孔轴向的分形维数变化趋势表明,连续柱状药包有效地减小了应力集中效应,有助于形成多孔间的平整轮廓面。青海牛苦头露天铅锌矿的局部边坡预裂爆破现场试验表明,预裂孔逐孔起爆时半孔率达到了87.5%,振动峰值速度较主爆区和预裂孔齐发起爆分别降低了68.36%和54.28%,保留岩体的损伤深度较预裂孔齐发起爆降低了44%。
本文揭示了不同延时起爆条件下多孔孔间应力、应变叠加特征,实现了多孔爆破成缝过程的可视化表征;通过采用图像灰度识别技术对预裂面进行损伤分析,获得了预裂面法向损伤在孔间裂纹扩展方向和孔深爆轰波传播方向的分布规律,构建了含炮孔径向、轴向及预裂面法向的三维空间预裂面损伤模型;基于动焦散和物理模型试验,并结合DIC测试分析,以孔内爆轰波成长时间、孔间爆炸应力波叠加时间、炮孔轴向裂纹贯通时间及岩石断裂韧度等因素为主要变量,建立了逐孔预裂爆破的孔间延时理论数学模型,并对其进行了工程应用。这些研究成果为精准控制爆炸能量释放、定向调控裂纹扩展及控制爆破技术的创新发展提供了重要的理论依据和实践指导。
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