水耦合装药爆破荷载与岩石介质相互作用研究

关键词： 水耦 合装 药 ； 壁 压 力 ； 量传播 孔 能 中图 分类 号 ： Ｕ７ １ ９ 文献 标识 码 ： 文 章编 号 ：０ ４ ５ １ （ ０ ２ ０ － ０ １ － ０ Ｔ ５． Ａ １０ － ７６ ２ １）３ ０ ６ ４
炮 孔水耦 合装 药 爆 破 实 际上是 以水 作 为传 递 爆 炸 能量 的耦 合介质 进行破坏 作用 的。伴 随着高 威力抗 水水
压 缩性 远 远小 于空 气 ， 般 情 况 下 它 几 乎 不 可压 缩 ， 一 但 炸 药爆 炸产 生 高压 作 用 ， 又变 成 可 压 缩 的 ， 且 水 的 它 而
口 —一 衰 减指 数 ， ａ ． ２ 取 ＝０ ７ ；
Ｒ—— 比例距 离 ， Ｒ＝Ｒ／／ ｃ 、Ｑ ； ／ Ｑ — — 所用 炸药 的 ＴＮＴ 当 量 ， ｇ ｍ， 值 为 Ｑ ｋ／ 其
以及 在周 围岩石 中形 成爆 炸应 力 场 的场强 和分 布 ， 由 并 此造 成 的岩 石破碎 程 度 和破 裂 范 围 与 空气 不 耦 合 装 药
时 大相径 庭 。
胶炸药和乳化炸药使用的推广， 近年来水耦合装药爆破 技术在工 程爆破 实践 中的应用得 到进 一步 推广 。前 苏联 哈萨克 工业学 院 曾在 露 天矿 做过 应 用试 验 ， 日本 将 水 耦 合装药爆 破应 用在 隧道 开挖 掘进 爆 破 中 ， 非 的杜 威 哈 南 露天 煤 矿 覆 盖 岩 层 剥 离 爆 破 中采 用 过 水 耦 合 装 药 爆 破Ｌ Ｊ １ 。国 内在此 方面也进 行 了一 些研究 和 应用 ， 中南 工
当冲击波传播至炮孑 孑 壁时 ， ＬＬ 其峰值压力为：
Ｐ 一熹
０
（） ２
式 中： 。 Ｒ —— 比例距离 ，。 ６￣ 。 Ｒ 一ｒ ／ ／Ｑ 代 人上 式 可得 ：
大部分 ， 即爆生气体膨胀能量和爆 炸冲击波 、 应力波能 量 。前 者则 主要 消 耗在形 成 爆炸 空腔 、 破碎 岩块 的抛 掷 和产生 空 气 冲 击 波 上 ； 者 主 要 消 耗 在 爆 腔 的初 始 扩 后 胀、 引起岩 石 弹性变 形质 点移 动 和产 生裂 隙上 ＿ ］ 当 １ 。 岩石炮 孔爆 破 时 ， 用 于岩石 使之 破 碎 的有 效爆 炸 能量 作
一
介顾 ｌ
介质 ２
由上 式得 ：
＝Ｐ （ ＋ Ｐ Ｂ）／ ： ｏ１ ＝ ／ ｌ （ ０ １）
————一
图 １ 波的反射和透射
由上式 得 ， 孔壁 处水 中冲击 波速 度为 ： 将 式 （ ） 人式 （ ） 得 ： ３代 ４，
厂——————
Ｐ一
Ｂ Ｑ） ｖ ｓ
某立井掘进爆破过程 中采用 Ｔ ２ ２０型岩石水胶 炸 药 ， 度 ＝ １２ ｇ ｃ ， 速 Ｄ。 ５０ ｓ装 药 直 径 密 ＝ ． ５／ｍ３爆 ＝ 一４ ０ｍ／ ，
ｄ 一 ４ ｒｍ， 热 Ｑ 一 ３ ７ ｋ ／ ｇ 炮 孔 直 径 ｄ 一 ５ ａ 爆 ６０Ｊ ｋ ， ｂ
减， 峰值压 力 降低 。根 据 爆 炸 相 似 律 ， 于炮 孔 柱状 装 对
进爆破 、 面爆 破 、 光 预裂爆 破 和城市拆 除控 制爆 破 中也都
有采用水耦合装药爆破的实例＿］ ３ 。实践证 明， 书 水耦合装 药爆 破具 有震动 强 度小 、 噪音 低 、 碎 块 度均 匀 、 破 飞石 容 易 控制等 优点 。但 要 在 各领 域 推 广应 用 这一 技 术 ， 理 在
ｐＤ＝ｐ Ｄ－ｕ ｏ ￣（ ） Ｐ＝ ｐ Ｄ ｕ ｏ （） ６ （） ７
十ｌ ０ ｏ
ｐ
１
（） ４
式 中 ： — —孔 壁岩 面 上 的初 始 冲击 压力 ； Ｐ
ｃ— — 岩石 的波 阻抗 ； 岩 石 的密 度 ； ｃ—— 岩 石 的纵波 速 度 ；
— —
１ 对 孔壁压 力的理 论 分析
式中： Ｐ—— 炮 孔径 向方 向距 离轴 心 Ｒ处 的冲击 峰 值 压
力 ， ａ ＭＰ ； Ｂ — 常数 ， Ｂ一 ７ ＭＰ ； — 取 ２ ａ
炮 孔水 耦 合 装 药 爆 破 时 ， 柱 爆 轰 后 产 生 径 向 膨 药 胀 ， 药 的爆 轰 波 在周 围水 中形 成 冲击波 。 由于水 的可 炸
由以上分析可知 ， 水耦合装药条件下 ， 传递 给岩石
ｗ一 Ｊ ） ￡ｔ 。 ） ｄ
（） １ ３
的爆炸能量不仅与炸药和岩石本身的性能相关 ， 而且还 与装药不耦合 系数有直接关系。
３ 工 程应 用计 算实例
式 中： 一 装药长度； 卜 Ｒ（） ￡—— 炮 孔 半 径 Ｒｏ随 时 间 变 化 的 函数 ， 文 据 献Ｅ １研究可得 ， １３ 由下式确定 ：
２ １ 岩 石界 面 处能量 的 传递 ．
Ｐ 是 ） （ ｉ 一
包 ㈤ 石 中 ， 能量 主要 与 炸药 性 能 和岩 石 性 质 有关 ， 括 透射
上 式可 以看 出 ， 着不 耦 合 系数 的增 加 ， 壁 处 冲 随 孔
击波峰值压力降低。 １ ２ 岩 石孔 壁上 的 冲击压 力 ． 当水中冲击波传至水与炮孔壁交界面时， 由于水和 孔壁 围岩 的波阻抗不 同 ， 必将在 此界 面发 生反 射和 投射 。 水 中冲击 波透射 在岩 石 中形 成 冲击 波 ， 会迅 速 衰减 成 弹 性 应力 波 ， 以波 速 在 岩石 中径 向 传播 。因此 ， 忽 并 可 略岩石 中冲击波 的影 响， 为在水 中 冲击 波 的冲击 压缩 认 下 ， 壁周 围岩石 内直 接产生应 力波 ， 孔 即认 为水 中 冲击 波 与孔壁岩 面的碰 撞是 弹性 的 ， 这样 便 可 以用 弹 性理 论求 解 出孔壁 上的初始 冲击 压力 ， 入射情况 ［］ 正 １ 如图 １ 示 。 ０ 所
射 一个 向心 稀疏 波 ， 在水 介质 中形 成爆 炸 冲击 波 。与在
空 气 中爆 炸相 似 ， 中将 产 生 一 个 柱 面 波 ， 且 沿 径 向 水 并 传播 ， 到达 孔壁 时发 生 透射 和反 射并 向水 中反射 一个 向 心 冲击 波 。这样 的作用 过程 会 在炮 孔 内重 复多 次 ， 直至 水 中动压 力 幅值趋 于平 衡 。 冲击 波在 炮 孔 中 径 向传 播 时 压 缩 水 介 质 ， 量 衰 能
通 过爆 轰 波和爆 生 气体 产 物 冲击 孔 壁 而投 射 到 周 围 岩 炸药 的爆 速 、 热 、 度 、 石 的物 理 性 质 和力 学 性 质 爆 密 岩 等 。径 向水 耦合 装药 时 ， 水 的可 压 缩 性 很 小 ， 炸 药 因 则 爆轰 后 ， 先是 爆 生气 体产 物 膨 胀 压 缩 水 介 质 ， 由水 将 再 爆 炸能 量传 递给 孔壁 并经 其透 射到 岩石 中去 。
孔壁处水 中冲击波正压作用时间为 ：
ｒ ７ ７ １ ｉ Ｘ ＝ ０ ×０ ＝ 一 ｆ二 ／ Ｏ １
＼／ 当／ ￣
（） １ ２
式中 ：
时 间常数 ；
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西 部探 矿工 程
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ｃ 每米长度装药量的 Ｔ Ｔ当量 。 一 Ｎ 因此 ， 传递 给岩石 的能量可表示为：
论 和实践 上 ， 还有许 多 问题 有待 解决 。为此 ， 本文拟 在现 有爆 破理 论 和爆 破 技 术 的基础 上 ， 通过 水 耦合 装 药爆 破
药 ， 中任 意 一点 冲击 波压 力 为［ ： 水 ９ ］
Ｄ 一
一
旦
ａ
对 孔壁 的压力 和装 药 爆 炸能 量传 递 的研 究 ， 对水 耦 合装 药爆破 和岩石介 质 的相 互作用进 行 了深入 讨论 。
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水耦 合 装 药 爆 破 荷载 与岩 石 介 质 相 互 作 用研 究
赵 华兵 ， 龙 源 ， 胡新 印， 宋克健 ， 杨海 明
（ 中国人民解放军理７ 大学工程兵工程学院， － 江苏 南京 ２ ００ ） １０ ７
摘 要 ： 分析 炮孔水 耦合 装 药爆破 时孔 壁 岩石 上 的初 始 透射 压 力和投 射 能量 的基 础之 上 ， 究 了爆 在 研
ＰＴ 一
，ｃ ２， ｐ ｐ
波的传播要有能量的支持 ， 当波与两种不同介质的
边界 处 相接 触 时 ， 波 从 一 种 介 质 向 另 一 种 介 质 传 播 即 时 ， 发 生反 射 和投射 ， 中 的能量 也会 相应 发生 变化 。 将 波 随反 射 波反射 到 原介质 中的能 量称 反射 能量 ； 随投 射波 透射 到 另一种 介 质 中 的能 量 称 透 射 能量 。岩 石所 获 得 的爆 破 能量 主要是 透射 能 量 。 ２ ２ 岩 石界 面处 的透 射 能量 ． 根据 波 的质量 方程 和 动量方 程 有［］ 坞：
破 荷 载与岩 石 介质 的相 互 作 用 ， 出其初 始 透射 压 力和投 射 能量 不仅 与 炸药性 能和 岩 石性质 有 关 ， 得 还
与不耦合 系数有着密切 的关 系， 并通过工程应用计算实例证明了其合理性 。研究成果对 于水耦合装 药爆破 应 用 于工程 爆破 是 有理论 指 导意 义和 参 考价值 的。
式 中 ： — —水 中冲击波 波 阵面上 水 的密 度 ； ｐ— —水 的初 始 密度 ； ｏ
［一 水 中冲击 波 的速度 。 ） ＿ 由式 （ ） 式 （ ） ： ６和 ７得
Ｐ＝ｃ ＝ ＝ （ 一 Ｐ １ ＿） （） ８
ｐＤ ——其 内传播冲击波波速 Ｄ 时耦合介质水 ｏ
＝＝＝
密度本身 比空气大， 中爆轰产物的膨胀速度要 比空气 水 中慢 ， 就使 得水 中爆 炸 冲击 波 的作用 时 间和作 用强 度 这
ＱＱｖ／ ； ＳＱ
Ｑ— —线 装药 密 度 ，ｇ ｍ； ｋ／
＊ 收 稿 日期 ：０ １０ —８ ２ ｌ－５２
第一作者简介 ： 赵华兵（ ９ ６） 男（ 族） 河北廊坊人 ， １８一， 汉 ， 中国人 民解放军理 工大学 工程 兵工程 学院在读硕 士研究 生 ， 研究方 向 ： 爆破地 震效应 及防