岩石控界切割锥形聚能射流的优化设计及试验.pdf

:./.岩石控界切割锥形聚能射流的优化设计及试验王 静薛永利 丁 建 顾 云 李 飞 刘 迪 孙 飞 刘勤杰核工业南京建设集团有限公司(江苏南京)南京君缘科爆工程技术有限公司(江苏南京)南京理工大学化学与化工学院(江苏南京)摘 要 对聚能装药形成射流冲击岩石展开研究通过线性聚能装药和锥形罩聚能装药的爆炸破岩对比试验、数值模拟以及岩石断裂力学分析认为采用锥形罩聚能装药结合初始裂纹形式时能量利用率更高能对岩石产生更好的劈裂效果 为得到高速锥形射流运用正交分析和数值仿真对聚能装药进行了优化设计优化后的锥形罩聚能装药的参数为:炸高 、药型罩锥角、药型罩厚度.优化后的岩石劈裂试验中两个锥形罩聚能装药同时爆炸作用于岩石在初始裂缝的引导下形成了长度达 的定向平直裂纹 该试验验证了多点锥形罩聚能装药应用于岩石控界切割技术的有效性可应用于精细化要求的边界控制爆破关键词 控界切割控制爆破聚能装药爆炸破岩分类号.().()().引言当前在核岛、矿山、水电、交通中的边坡或地下开挖等工程中对爆破施工的质量提出了很高的要求 尤其是核岛负挖工程既要严格控制建基面的平整度避免超挖和欠挖情况还要保证底板岩石的完整性减小爆破对底板的损伤 难点为如何将爆炸能量精准地导入建基面并使岩石在设计范围内开裂、裂缝扩展 预裂爆破、光面爆破等传统爆破方法应用于此类工程时存在着建基面平整度低、对底板损伤较大、能量利用率低等显著的问题 因此随着爆破理论和技术的进步该类爆破作业方法必须向现代化、精细化方向发展第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:江苏省地质矿产勘查局科技创新项目()第一作者:王静()女硕士高工研究方向为爆炸技术及爆破施工管理:.通信作者:丁建()男硕士研究生研究方向为爆炸技术及爆破施工管理:.目前聚能装药已经广泛应用于金属切割、军用破甲等方面但在岩石预裂成缝方面的研究应用较少 刘亮等全面系统地阐述了几种常用的岩石建基面开挖爆破施工技术分析了这些方法的优缺点和工程应用情况并重点介绍了一种最新的聚消能复合垫层爆破技术 王前裕等通过对试验结果和线性聚能装药效应机理的分析研究提出了新的岩石聚能装药预裂切缝方法并引入了黏弹塑性断裂模型优化了影响聚能效果的基本参数 赵建平等对岩体线性聚能爆破致裂效果和损伤范围开展研究得出线性聚能爆破具有良好的定向切割作用保证了切割方向岩体的平整度和块度减少了岩体中的杂散裂纹提高了工程质量 现有的研究中针对以介质切割为目的的聚能爆破研究对象主要是线性聚能装药而对锥形罩聚能装药的研究极少 本文中旨在探索一种能在岩石中快速生成有效平面裂纹的控界切割爆破方法使建基面的快速切割成型成为可能 在分析岩石起裂与裂纹扩展的基础上通过对比试验分析了线性聚能装药和锥形罩聚能装药在岩石中引入初始裂纹情况下的炸药能量利用率 继而运用正交分析与数值仿真对锥形罩聚能装药结构进行优化设计 最后通过现场试验测试了优化后的锥形罩聚能装药的实际应用性能 为控界聚能切割技术的研究与设计提供参考 线性聚能射流与锥形聚能射流的破岩对比试验 线性聚能装药与锥形罩聚能装药的设计参数如表 所示装药结构如图 所示 表 中:为线性切割器的宽度 为锥形罩装药的直径 为装药高度:为锥角 为药型罩的厚度 两种装药的药型罩材料均为无氧铜主装药均为 炸药 岩石试件为块状花岗岩.线性聚能装药试验及结果 首先利用线性聚能装药爆炸产生的射流在对称轴方向高度汇聚的特性设想可以使大块岩石受表 装药参数.装药类型/()/装药量/线性.锥形罩.主装药 药型罩图 两种聚能装药的剖面示意图.到局部的斧劈作用而产生脆断如图()所示试验前在岩石试件上预切割宽度为 的切槽以引导裂纹的产生方向将线性聚能装药沿预切切槽方向布置装药采用顶部中间位置点起爆炸高为 图 两种聚能装药的安装图.试验结果见图()在线性聚能射流的作用下表层岩石被破坏形成长方形破坏区域但岩石中未能产生有效的裂纹 形成的破坏区域最大长度为 最大宽度为 最大深度为 图 两种聚能装药爆后的岩石破坏区域.年 月 岩石控界切割锥形聚能射流的优化设计及试验 王 静等 .锥形罩聚能装药试验及结果锥形罩聚能装药可以将侵彻能量聚焦于一点以期具有更强的侵彻能力 该类聚能射流的正侵彻常引起岩石试件表面或内部形成径向裂纹或径向断裂面 如图()所示试验前在岩石试件表面预切割深 、宽 的切槽以引导裂纹的扩展将锥形罩聚能装药布置于切槽正上方装药顶部中心位置点起爆炸高为 试验结果如图()所示 在锥形聚能射流的作用下岩石表面形成类椭圆形漏斗状破坏区域破口表面比较平整靠近岩石边缘一侧有两条细小的径向裂纹产生 破坏区域沿切槽方向长度为 沿垂直切槽方向长度为 中心最大深度为.两种聚能装药的对比分析聚能装药起爆后形成的金属射流头部以极高的速度冲击岩石在侵彻区内产生类似球形的冲击波 冲击波传播的过程中将在侵彻空腔边界产生环向的拉应力 根据断裂力学理论在环向拉应力作用下边界形状的拐点处将产生局部应力集中作用而优先产生裂纹切槽的裂纹引导作用正是基于此原理根据 脆性断裂理论对 型断裂裂纹产生条件分析后认为若想在岩石内产生劈裂裂纹射流首先要侵彻表层岩石并通过应力波和射流楔入的共同作用对岩石产生裂纹扩展的劈裂力从而引起岩石的脆断形成 型断裂裂纹 然而从试验结果来看聚能射流作用于岩石后产生了漏斗形破坏区域岩石表层的脱落卸载了射流楔入作用对岩石产生的劈裂力最终未能在岩石中产生断裂裂纹主要原因是射流侵彻、楔入的深度不够 若增加射流楔入岩石的深度将大大增加它在岩石中产生裂纹的能力 图 展示了两种聚能射流对岩石产生的裂纹及形成的断裂面的仿真结果 仿真中岩石裂纹方向宽度为 表面均设置了初始裂纹(切槽)图()和图()模拟了两个锥形罩聚能装药同时作用于岩石的情况两个装药间隔 图 中虽然两种聚能装药均在岩石表面产生了明显的裂纹但线性聚能装药的作用仅沿岩石的自由面产生了较浅的裂纹而岩石的深处并未断裂锥形罩聚能装药的作用则是产生了贯穿岩石的裂纹并形成了一个平整的断裂面结合试验与仿真结果线性聚能装药在岩石致裂上虽然具有取向性的优势但产生的刀片状金属射流厚度小、锥角小难以产生斧劈效图 岩石裂纹及断裂面仿真结果.果并且射流速度较低侵彻深度较小对于高强度岩石容易造成表面崩落而不产生裂纹的情况难以达到劈裂的效果 锥形罩聚能装药可以产生锥角较大的锥形金属射流在设置了初始裂纹的情况下锥形罩聚能装药在装药量小得多的情况下对岩石产生了更好的断裂效果对岩石的劈裂能力明显优于线性聚能装药并且在初始裂纹上间隔布置多个锥形罩聚能装药同样可以实现取向性的要求 因此认为锥形罩聚能装药劈裂岩石的能力更优 锥形聚能射流优化的正交试验.正交试验方案设计聚能射流侵彻作用在岩石中产生裂纹的能力与射流头部速度密切相关同时也受射流形状的影响当射流呈前细后粗的锥形时侵彻、楔入作用可以对岩石产生更大的劈裂力从而具有更强的岩石起裂与裂纹扩展能力 且当射流的锥角太小或太大时对岩石的劈裂作用都较弱最佳的劈裂锥角为 左右聚能射流的头部速度及形状受药型罩参数及炸高等众多因素的影响 为得到理想的高速锥形聚能射流增强射流在岩石中产生裂纹的能力对聚能装药进行正交设计 综合分析后选取炸高、药型罩锥角 和药型罩厚度 个因素作为变量每个因素设置 个水平 评价指标的选择决定了优化的方向 首先为使射流锥角接近 选择评价指 爆 破 器 材 第 卷第 期标 为 表示聚能射流的头部锥角接近的程度公式为 ()式中:为射流锥角 为射流尾部半径与头部半径的差 为射流头部长度选择射流头部速度 作为评价指标 当指标 越小、指标 越大时越有利于劈裂岩石各因素水平的取值如表 所示表 正交试验的各因素水平值.水平因素/()/.根据正交优化原理选用()正交表设计 因素 水平正交试验方案可满足试验设计要求由表 所设的 因素和 水平得到 组参数组合如表 所示表 因素 水平正交试验表.试验序号/()/.聚能射流形成过程仿真运用 模块 求解器建立二维轴对称模型按照表 中的方案分别进行射流成型过程的仿真计算 仿真模型如图 所示 仿真计算所选用的材料、本构方程和强度模型如表 所示.仿真结果分析及优化图 为表 中水平 的数值仿真所形成的射流形状 按照仿真试验方案提取 次仿真试验的结果数据如表 所示 通过对结果数据的极差分析就可以得到优化方案对次试验结果进行极差分析对于某一因 图 仿真模型.表 仿真材料的本构方程及强度模型.部件名称材料本构方程强度模型空气 炸药 药型罩 壳体 图 水平 的聚能射流形状.表 正交试验仿真计算结果.试验序号/().素将该因素相同水平的各项评价指标结果取平均值记为 即()表示炸高 为水平 时各试验所得指标的平均值计算所有 值如表 所示再计算同一因素下 个水平中 的最大值与最小值之差得到极差 极差 的大小可表示各因素 年 月 岩石控界切割锥形聚能射流的优化设计及试验 王 静等 对相应指标影响的主次顺序 表 列出了各因素影响下对应各指标的极差()和()并得到各因素分别对两个指标影响的主次顺序为:对指标 影响最大的因素为炸高 且 随 的增加而变大对指标 影响最大的因素为药型罩锥角 且 随 的增大而降低表 各因素水平下对应指标的平均值./()().().().().().().().().().表 各指标极差及各因素影响的主次顺序.指标极差影响顺序().()/().为了分析每个因素影响下不同水平对指标的影响趋势将表 的结果绘于图 从图 可见当评价指标 越小、越大时越有利于劈裂岩石对表 和图 进行综合分析容易得到 为 、为 时的破岩效果较优 对于因素 相比 为.当 为.时具有更高的 而 相对增加较小故选取 为.因此得出表 中试验 的参数组合(炸高 、药型罩锥角、药型罩厚度.)效果较优 聚能装药优化后的岩石控界切割 为了测试优化后的锥形罩聚能装药的实际应用性能并改进爆破方法进行岩石控界切割试验在裂纹方向上间隔一定距离布置两个锥形罩聚能装药 以进一步增强对裂纹形成方向的控制见图试验前在岩石表面预切割深、宽 的切槽以引导裂纹的扩展在切槽的两个装药位置分别()对 的影响()对 的影响图 各因素、各水平对各指标的影响趋势.图 聚能装药安装图.钻直径 、深 的小孔两个小孔的间距为 使用两个优化后的锥形罩聚能装药参数为炸高 、药型罩锥角、药型罩厚度.置于小孔正上方两个装药同时起爆 试验结果如图 所示 图()中在两个锥形聚能射流的同时作用下在岩石的切槽方向产生了明显的劈裂裂纹中间段裂纹方向与切槽高度重合且无杂散裂纹产生 在切槽两端靠近岩石边缘处裂纹均开始偏离切槽并且距离孔越远裂纹偏离越严重如图()两端裂纹开始偏移的位置与就近小孔的距离分别为 和 即中间段与预切割切槽高度重合的裂纹长度为 切槽端面的侧面裂纹情况如图()所示从两端侧面来看裂纹已经贯穿了整块岩石在侧端面上随着裂纹向下延伸同样逐渐偏离切槽方向 爆 破 器 材 第 卷第 期图 优化后岩石劈裂试验结果.从结果来看本次试验中在岩石中产生的劈裂裂纹在方向和长度上都很理想并且没有杂散裂纹产生证明了优化后锥形聚能射流的良好性能及该控界切割方法的有效性 结论经过两种形式的聚能装药对比试验、锥形聚能射流的正交优化以及爆破方法的改进最终获得了满意的试验结果并得出以下结论:)通过现场对比试验及分析后发现相比线性聚能装药锥形罩聚能装药在岩石劈裂方面的能量利用率更高能在较小装药量的情况下对岩石产生更好的断裂效果)通过正交试验对聚能射流的形状和头部速度进行了优化得到劈裂岩石效果较好的锥形聚能射流聚能装药的主要参数为:炸高 、药型罩锥角、药型罩厚度.)设计了一种采用多个聚能装药、多点同时起爆、在岩石中快速精准地产生平面裂纹的方法并通过现场试验得到了长度为 的定向平直裂纹无杂散裂纹验证了该控界切割方法的有效性参 考 文 献王飞.核岛负挖保护层爆破施工技术探讨.煤炭技术 ():.():.贾梦晔 高永宏 周鹏飞 等.药型罩材料与结构的研究进展.兵器装备工程学报 ():.():.刘亮 蔡联鸣 张玉柱 等.建基面保护层开挖爆破技术新进展.工程爆破 ():.():.王前裕 谢圣权.线型聚能切割器在岩石预裂成缝中的应用.中国矿业():.():.赵建平 杨晓红 张振洋 等.岩体中线型聚能爆破切割试验及损伤规律研究.采矿技术():.樊兵凯 崔瀚.椭球型药型罩 战斗部成型仿真研究.电子测试():.():.武天宇 朱建生 陈朋 等.战斗部毁伤效应研究.火工品():.():.武天宇 朱建生 陈朋 等.径向型 战斗部结构优化设计.舰船电子工程 ():.():.年 月 岩石控界切割锥形聚能射流的优化设计及试验 王 静等