CN107167496A - 一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法 - Google Patents

一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法。所述研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法包括：制作填充切缝药包的切缝管；制作应用于不耦合装药爆炸致裂效应的试件；基于切缝管以及试件装填炸药；搭建研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；将引爆导线连入预先设置的起爆装置，初始化爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；起爆炸药，获取高速相机拍摄的数字激光动态焦散斑照片，基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数；获取不同不耦合系数条件下的不耦合装药爆炸致裂效应参数以比较不耦合装药爆炸致裂效应。应用本发明，能够评价切缝药包不耦合装药的爆炸致裂效应。

Description

一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法
技术领域
本发明涉及爆破技术，尤其涉及一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法。
背景技术
在工程爆破施工过程中采用爆破技术是土木建设领域中重要的施工作业技术手段，尤其在井巷工程的掘进施工中，爆破掘进是一种有效的作业方式。其中，在爆炸载荷的作用下，岩石、混凝土等被爆破物体形成的动态断裂过程，即爆破成缝机理，直接影响爆破的质量，因而，是工程爆破施工过程中最受关注的热点问题。
爆破成缝机理是利用爆炸冲击波所引起的爆炸应力波和爆生气体产生的高温、高压气体膨胀推力共同作用于岩体而产生裂缝，即应力波与爆炸气体共同作用理论，也就是说，岩体内最初裂隙的形成是由爆炸应力波造成的，随后爆生气体楔入岩体内最初形成的裂隙，并在准静态压力作用下，使由爆炸应力波形成的最初裂隙进一步扩展。
在井巷工程的控制爆破中，为使炮孔周围产生的较密集的径向裂纹减少，使需要扩展的横向裂纹可以得到充分的扩展，通常使用的方法是尽可能的减小爆炸应力波的作用，从而可以大量延长爆生气体的作用时间，即采取不耦合装药的方法以减少径向裂纹，扩展横向裂纹。
工程实践表明，切缝药包爆破由于是在具有一定密度和强度的炸药外壳上开有不同角度、不同形状和数量的切缝，利用切缝控制爆炸应力场的分布和爆生气体对(孔壁)介质的准静态作用和尖劈作用，达到控制所爆介质开裂方向的目的，因而对保证巷道(井巷)周边的成型质量有很好的效果，在井巷工程的控制爆破中得到了广泛的应用。
但是，目前如何评价切缝药包不耦合装药的爆炸致裂效应还没有很好的实验方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法，能够评价切缝药包不耦合装药的爆炸致裂效应。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法，包括：
制作填充切缝药包的切缝管；
制作应用于不耦合装药爆炸致裂效应的试件；
基于切缝管以及试件装填炸药；
搭建研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；
将引爆导线连入预先设置的起爆装置，初始化爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；
起爆炸药，获取高速相机拍摄的数字激光动态焦散斑照片，基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数；
获取不同不耦合系数条件下的不耦合装药爆炸致裂效应参数以比较不耦合装药爆炸致裂效应。
结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述切缝管长10mm、外径6.5mm、内径6mm，在切缝管壁上沿直径的方向制作对称通透切槽，切槽宽1mm、长9mm，距切缝管的两端圆面均0.5mm。
结合第一方面，在第一方面的第二种实施方式中，所述基于切缝管以及试件装填炸药包括：
利用硬质透明胶覆盖封堵有机玻璃板炮孔的一侧面；
将切缝管一侧涂胶，并将涂胶一侧的切缝管粘结在硬质透明胶上；
将预定量的炸药用塑料薄膜包裹后，装入切缝管内，设置引爆导线。
结合第一方面，在第一方面的第三种实施方式中，所述不耦合装药爆炸致裂效应参数包括：裂纹扩展位移、裂纹扩展速度、裂纹尖端的应力强度因子以及裂尖动态能量释放率。
结合第一方面、第一方面的第一种至第三种中任一种实施方式，在第一方面的第四种实施方式中，所述基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数包括：
基于所述数字激光动态焦散斑照片，量测得到裂纹尖端的焦散斑的最大直径，将所述裂纹尖端的焦散斑的最大直径应用于应力强度因子计算公式，得到应力强度因子；
基于所述数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展位移，基于相邻数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展速度；
基于所述裂纹扩展速度以及裂纹尖端的应力强度因子，计算裂尖动态能量释放率。
结合第一方面，在第一方面的第五种实施方式中，所述基于相邻数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展速度包括：
从数字激光动态焦散斑照片上精确测得瞬时裂纹尖端的位置，并按图片与实物的比例进行换算，得到裂纹尖端位移；
由相邻两幅数字激光动态焦散斑照片的裂纹裂纹尖端位移的差值，除以相邻两幅数字激光动态焦散斑照片的时间间隔，得到所述时间间隔内的裂纹扩展速度。
本发明实施例提供的研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法，所述研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法包括：制作填充切缝药包的切缝管；制作应用于不耦合装药爆炸致裂效应的试件；基于切缝管以及试件装填炸药；搭建研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；将引爆导线连入预先设置的起爆装置，初始化爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；起爆炸药，获取高速相机拍摄的数字激光动态焦散斑照片，基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数；获取不同不耦合系数条件下的不耦合装药爆炸致裂效应参数以比较不耦合装药爆炸致裂效应，能够评价切缝药包不耦合装药的爆炸致裂效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法流程示意图；
图2为本发明实施例研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统结构示意图；
图3为本实施例不同不耦合系数条件下，应力强度因子与时间的关系曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法流程示意图。用于在实验室内研究切缝药包的不耦合装药爆炸致裂效应，参见图1，该方法包括：
步骤101，制作填充切缝药包的切缝管；
本实施例中，用于装填切缝药包的切缝管的材质可以选取铜管、钢管、塑料管等，材质的选取无限制。
本实施例中，作为一可选实施例，切缝管长10mm、外径6.5mm、内径6mm，在切缝管壁上沿直径的方向制作对称通透切槽，切槽宽1mm、长9mm，距切缝管的两端圆面均0.5mm。
本实施例中，切缝管的外径尺寸与内径尺寸的差为壁厚，可采用激光切割或3D打印技术制作切缝管。药包直径等于切缝管内径。
步骤102，制作应用于不耦合装药爆炸致裂效应的试件；
本实施例中，作为一可选实施例，试件的材料选用均质透明的有机玻璃板，尺寸规格400mm×300mm×10mm(长×宽×厚)，选用的有机玻璃板的物理力学参数，例如，P波、S波在有机玻璃板中的传播速度、弹性模量、泊松比等均满足测试要求。
在试件中央钻取炮孔，将试件钻透，炮孔为通透炮孔。炮孔的直径可以设为：6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm等，由于不耦合系数为炮孔直接与药包直径的比值，因而，相应的不耦合系数分别为：1、1.33、1.67、2、2.5、3。
本实施例中，作为一可选实施例，可预先制作多个试件，每一试件中央对应钻取一不同直径的炮孔。
步骤103，基于切缝管以及试件装填炸药；
本实施例中，作为一可选实施例，基于切缝管以及试件装填炸药包括：
A11，利用硬质透明胶覆盖封堵有机玻璃板炮孔的一侧面；
本实施例中，利用硬质透明胶覆盖封堵有机玻璃板炮孔的一侧面，即在有机玻璃板炮孔的一侧面上贴一块硬质透明胶，将炮孔的该侧断面覆盖封堵。
A12，将切缝管一侧涂胶，并将涂胶一侧的切缝管粘结在硬质透明胶上；
本实施例中，将制作好的切缝管一侧涂抹“哥俩好”胶水，并将涂胶一侧的切缝管粘结在硬质透明胶上。作为一可选实施例，切缝管上设置的切缝正对有机玻璃板炮孔的中心。
A13，将预定量的炸药用塑料薄膜包裹后，装入切缝管内，设置引爆导线。
本实施例中，炸药可以是叠氮化铅、DDNP等。
本实施例，采用塑料薄膜包裹炸药可以有效防止散状炸药从两个切缝处泄露出，在将炸药装入切缝管后，将两股导线螺旋缠绕后沿中间部位间断，两导线的间断平齐且基本紧靠在一起，主要用于尖端放电引爆炸药。
步骤104，搭建研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；
本实施例中，将装完炸药的试件放在加载架上。
图2为本发明实施例研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统结构示意图。参见图2，本实施例中，爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统通常由场镜组合、激光器、扩束镜、数码高速相机等组成。其中，
激光器发出持续稳定高亮的光波，经过扩束镜和场镜1后，变为平行光并入射到受载试件表面，发生偏转后的光束经场镜2聚合进入高速相机镜头，通过改变相机的拍摄记录速度，对参考平面处的光强变化过程进行拍摄，实现动态焦散线的记录，得到数码焦散斑照片。
该爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统可以对爆破、冲击等动态断裂试验过程进行光测力学分析，且光路系统简单，操作方便，易于观察，可以节约试验成本，提高试验的精确度和成功率。
步骤105，将引爆导线连入预先设置的起爆装置，初始化爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；
本实施例中，将引爆导线连入起爆装置，调整光路，设置高速相机的拍摄速度。
步骤106，起爆炸药，获取高速相机拍摄的数字激光动态焦散斑照片，基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数；
本实施例中，作为一可选实施例，不耦合装药爆炸致裂效应参数包括但不限于：裂纹扩展位移、裂纹扩展速度、裂纹尖端的应力强度因子、裂尖动态能量释放率等。
本实施例中，作为一可选实施例，基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数包括：
B11，基于所述数字激光动态焦散斑照片，量测得到裂纹尖端的焦散斑的最大直径，将所述裂纹尖端的焦散斑的最大直径应用于应力强度因子计算公式，得到应力强度因子；
本实施例中，应力强度因子为裂纹尖端的应力强度因子。作为一可选实施例，利用下式计算应力强度因子：
式中，
Dmax为裂纹尖端的焦散斑的最大直径；
μ为应力强度因子的比例系数；
g为应力强度因子的数值系数；
为复合型扩展裂纹尖端的I型应力强度因子；
为复合型扩展裂纹尖端的II型应力强度因子；
F(v)为速度修正因子；
z0、c、deff为预先设置的常数。
本实施例中，在研究数值的基础上可以得出，F(v)＜1，例如，对于具有现实含义的拓展速度中，F(v)≈1。
本实施例中，通过量测得到裂纹尖端的焦散斑的最大直径，就能求出应力强度因子。
B12，基于所述数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展位移，基于相邻数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展速度；
本实施例中，基于相邻数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展速度包括：
从数字激光动态焦散斑照片上精确测得瞬时裂纹尖端的位置，并按图片与实物的比例进行换算，得到裂纹尖端位移；
由相邻两幅数字激光动态焦散斑照片的裂纹裂纹尖端位移的差值，除以相邻两幅数字激光动态焦散斑照片的时间间隔，得到所述时间间隔内的裂纹扩展速度。
B13，基于所述裂纹扩展速度以及裂纹尖端的应力强度因子，计算裂尖动态能量释放率。
本实施例中，利用下式计算裂尖动态能量释放率：
式中，
G为裂尖动态能量释放率；
AI(v)为裂纹扩展第一速度函数；
AII(v)为裂纹扩展第二速度函数；
v为裂纹扩展速度；
E为切缝管材料的弹性模量。
本实施例中，当裂纹扩展速度v＝0时，AI(v)＝AII(v)＝1；
当v≠0时，
Cd为膨胀波的波速；
Cs为剪切波的波速；
v为裂纹扩展速度，即试件表面裂纹的扩展速度。
步骤107，获取不同不耦合系数条件下的不耦合装药爆炸致裂效应参数以比较不耦合装药爆炸致裂效应。
本实施例中，由上述实验和计算，可以得到不同装药结构条件(不同不耦合系数条件)下的切缝方向的裂纹扩展位移、裂纹扩展速度、裂纹尖端的应力强度因子、裂尖动态能量释放率等表征不耦合装药爆炸致裂效应的物理力学参数(不耦合装药爆炸致裂效应参数)。
本实施例中，还可以通过绘制各物理力学参数与时间的关系曲线。
图3为本实施例不同不耦合系数条件下，应力强度因子与时间的关系曲线示意图。
本实施例中，通过比较这些物理力学参数的特征，就可以比较不同不耦合系数条件下切缝药包致裂的效应，从而为指导工程实践提供参考。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种研究不耦合装药爆炸致裂效应的实验方法，其特征在于，该方法包括：
制作填充切缝药包的切缝管；
制作应用于不耦合装药爆炸致裂效应的试件；
基于切缝管以及试件装填炸药；
搭建研究不耦合装药爆炸致裂效应的爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；
将引爆导线连入预先设置的起爆装置，初始化爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统；
起爆炸药，获取高速相机拍摄的数字激光动态焦散斑照片，基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数；
获取不同不耦合系数条件下的不耦合装药爆炸致裂效应参数以比较不耦合装药爆炸致裂效应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切缝管长10mm、外径6.5mm、内径6mm，在切缝管壁上沿直径的方向制作对称通透切槽，切槽宽1mm、长9mm，距切缝管的两端圆面均0.5mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于切缝管以及试件装填炸药包括：
利用硬质透明胶覆盖封堵有机玻璃板炮孔的一侧面；
将切缝管一侧涂胶，并将涂胶一侧的切缝管粘结在硬质透明胶上；
将预定量的炸药用塑料薄膜包裹后，装入切缝管内，设置引爆导线。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不耦合装药爆炸致裂效应参数包括：裂纹扩展位移、裂纹扩展速度、裂纹尖端的应力强度因子以及裂尖动态能量释放率。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述数字激光动态焦散斑照片计算不耦合装药爆炸致裂效应参数包括：
基于所述数字激光动态焦散斑照片，量测得到裂纹尖端的焦散斑的最大直径，将所述裂纹尖端的焦散斑的最大直径应用于应力强度因子计算公式，得到应力强度因子；
基于所述数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展位移，基于相邻数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展速度；
基于所述裂纹扩展速度以及裂纹尖端的应力强度因子，计算裂尖动态能量释放率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于相邻数字激光动态焦散斑照片获取裂纹扩展速度包括：
从数字激光动态焦散斑照片上精确测得瞬时裂纹尖端的位置，并按图片与实物的比例进行换算，得到裂纹尖端位移；
由相邻两幅数字激光动态焦散斑照片的裂纹裂纹尖端位移的差值，除以相邻两幅数字激光动态焦散斑照片的时间间隔，得到所述时间间隔内的裂纹扩展速度。
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