CN114280102A - 基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置及方法，应用于深部岩体隧道开挖与成型领域，包括：绝缘棒、正电极、负电极、金属丝、模具及底座；所述绝缘棒两端设有竖向凹槽，临近端部设有横向贯穿孔，所述正电极与负电极安装于绝缘棒两侧竖向凹槽内，且正电极穿过绝缘棒贯穿孔，所述金属丝两端焊接于两电极端部的槽孔内，所述模具为可拆卸式，内表面有电镀层，所述底座由螺栓将第一模型、第二模型与底座组合固定而成；本发明利用金属丝在高压脉冲下发生电爆炸产生的冲击波模拟隧道爆破中炸药爆炸的冲击波，设计了深埋隧道掘进中周边孔爆破模拟实验装置及方法，实现了不同动静载荷耦合条件下的多种隧道模型的室内爆破实验。

Description

基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置及方法

技术领域

本发明涉及到深部岩体隧道开挖与成型技术领域，更具体的说是一种基于金属丝电爆炸的模拟深埋隧道周边孔爆破实验装置及方法。

背景技术

目前，钻爆法是深埋隧道破岩掘进的主要方法，利用炸药爆炸瞬间产生的冲击波与爆生气体作用于周围岩体上，使其产生破碎与损伤，爆破过程包括掏槽爆破、辅助爆破和周边爆破。周边爆破是控制围岩损伤、隧道成型、形成光面的关键，国内外专家学者针对周边孔光面爆破做了大量的实验与理论研究，为光面爆破的应用和推广奠定了雄厚的理论基础。

随着隧道埋深的不断增加，高地应力环境对于传统光面爆破施工质量与效率的影响愈加突显，然而，爆破过程中出现的超欠挖严重、成型效果差等现象，表明目前已建立的光面爆破理论只适用于浅埋隧道的开挖与成型。炸药存在危险性高、可控性差以及其使用受到严格管控等问题，使得大部分高校及科研机构无法使用相似材料进行室内爆破类实验研究。现场原位实验重复性低、成本高、安全性差且数据难以统计分析等问题也随着深度增加愈加突显。金属丝电爆炸作为一种新型、安全、绿色的爆破技术，被用于材料制备、资源勘探、能源开发等诸多领域，金属丝在高压脉冲电流作用下瞬间相变为高温等离子体可产生GPa量级冲击波，是目前模拟炸药爆炸破岩产生的冲击载荷的有效方法。

因此，提供一种解决上述问题的金属丝电爆炸技术模拟炸药爆破以实现深埋隧道周边孔爆破破岩实验研究的装置及方法，是本领域研究人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置及方法，可实现不同动静载荷耦合条件下多种隧道模型的爆破实验，解决目前深部隧道周边孔爆破室内实验难以开展的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，包括：绝缘棒、正电极、负电极、金属丝、模具及底座，所述模具的内部设有空腔，所述模具空腔的底部设有底座，所述底座上可拆卸的连接有第一模型和第二模型，所述第一模型设置在第二模型上，所述绝缘棒的一端设置在所述底座上，所述绝缘棒的一侧设有正电极，所述绝缘棒的另一侧设有负电极，所述正电极和所述负电极的上端伸出所述模具用于与外部电源相连接，所述正电极和所述负电极的下端在所述模具内部分别连接所述金属丝的两端，所述金属丝设置在所述模具的内部。

作为优选地，所述底座上开设有连接孔，所述第一模型和所述第二模型上开设有与连接孔对接的对接孔，所述第一模型的连接孔和所述第二模型的对接孔内贯穿连接有螺栓，所述底座的底部开设有连接槽，连接槽内设置有穿过连接孔和对接孔的螺栓与可拆卸连接的螺帽。

作为优选地，所述第一模型与所述第二模型可依据工程实际设定为圆形或者马蹄形断面的隧道模型。

作为优选地，所述底座上开设有贯穿上下面的气孔，所述第一模型和所述第二模型上开设有与气孔对接的联通孔。

作为优选地，所述绝缘棒两侧设有用于连接所述正电极与所述负电极的竖向凹槽，所述正电极与所述负电极分别安装于所述绝缘棒两侧的竖向凹槽内。

作为优选地，所述绝缘棒在靠近所述底座的一端设有横向贯穿孔，所述正电极的下端穿过贯穿孔与所述金属丝的一端相连接，所述正电极和所述负电极的下端端部设有用于固定所述金属丝的槽孔。

作为优选地，所述正电极比所述负电极的长度长，所述正电极和所述负电极都设置成L形，所述正电极的竖向段与所述负电极的竖向段平行，所述正电极的横向段与所述负电极的横向段平行。

作为优选地，所述金属丝与所述绝缘棒平行设置。

作为优选地，所述模具包括四块侧板和一块底座，四块侧板的侧壁可拆卸的首尾连接，且四块侧板的底部与底座的侧壁可拆卸的连接，所述模具的侧板和底座为不锈钢材料且内表面有电镀层。

一种基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1，将所述底座和设置在所述底座上的绝缘棒、正电极、负电极、金属丝、第一模板、第二模板嵌入安装到模具的底部，并设置电击棒的抵抗线值；

S2，将实验相似的材料浇筑到模具的内部，待电极棒与相似材料成为一体后，将模具拆卸下来，将气泵与底座底部的气孔连接出来分离出实验模型；

S3，对拆开后的结构进行养护，并置于抗冲击加载实验平台，将电极棒上伸出模具的正电极和负电极分别连接到高压电脉冲爆破系统中的正、负输出端，借助冲击加载实验平台模型施加不同的载荷；

S4，待模型加载相应载荷后，通过高压电脉冲爆破系统控制输入能量，模型内金属丝在高压脉冲电流作用下发生电爆炸，完成动静载荷耦合条件下周边孔爆破模拟实验；

S5，实验模型爆破后以隧道轴向为法线的破坏区截面呈漏斗状，漏斗张开角沿轴向掌子面方向逐渐减小，漏斗底部留有与钻爆法掘进中岩壁残留炮孔相似的凹槽，深度约为金属丝直径的3倍，且爆破后碎块块度较为均匀，无明显大块产生。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，主要具有如下有益效果：

（1）通过灵活改变金属丝的材质、直径、长度等，可模拟现场爆破中不同装药量、孔径、孔深等现场中多种作业条件。

（2）绝缘棒将正电极、负电极、金属丝组合为电极棒，借助高压电脉冲爆破系统可为模拟实验提供能量可控的爆破动载荷。

（3）底座由螺栓连接组合而成，可得到不同进尺、多种断面的隧道模型，底座旁侧留有气孔，可用于模型与底座分离。

（4）可模拟深部复杂的高地应力环境，实现不同动静载荷耦合条件下的爆破实验，解决目前关于深部钻爆法掘进的室内实验研究难题，且可控性强、重复性高、安全环保。

基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置的方法，使用高压电脉冲爆破技术使金属丝发生电爆炸来模拟炸药爆破破岩，将实验模型施加载荷来模拟深埋隧道下的周边孔爆破前的各种复杂高地应力环境，实现不同动静载荷耦合条件下的多种隧道模型的室内爆破实验，为深埋隧道掘进过程中爆破设计施工提供研究方法。

附图说明

图1附图为本发明圆形隧道装置结构示意图；

图2附图为本发明图1中A-A剖视示意图；

图3附图为本发明圆形隧道底座结构示意图；

图4附图为本发明电极棒结构示意图；

图5附图为本发明图4中B-B剖视结构示意图；

图6附图为本发明图4中C-C剖视结构示意图；

图7附图为本发明圆形隧道模型示意图；

图8附图为本发明圆形隧道模型加载示意图；

图9附图为本发明马蹄形装置结构示意图；

图10附图为本发明马蹄形模型示意图。

图中，1-绝缘棒，2-正电极，3-负电极，4-金属丝，5-模具，6-底座，7-贯穿孔，8-槽孔，9-螺栓，10-气孔，11-第一模型，12-第二模型，13-竖向凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

参见附图4-6所示，绝缘棒1为两侧壁开设有矩形的竖向凹槽13的条形棒，临近下端部开设有横向贯穿孔7，横向贯穿孔7从条形棒上的其中一个竖向凹槽13向设置另一个竖向凹槽13的方向贯穿设置。正电极2安装在绝缘棒1一侧的竖向凹槽13内，正电极2的上端延伸到模具5的外部，正电极2的下端折弯穿过横向贯穿孔7向一侧延伸，负电极3安装在绝缘棒1一侧的凹槽内，负电极3的上端延伸到模具5的外部，负电极3的下端折弯后横向延伸，绝缘棒1两侧壁上的两条竖向凹槽13竖直平行设置，设置在两条竖向凹槽13内的正电极2部分和负电极3部分互相平行，负电极3的折弯处高于正电极2的折弯处，正电极2的横向折弯段与负电极3的横向折弯段互相平行。正电极2和负电极3的横向折弯段的端部开设有槽孔8，金属丝4的两端分别焊接于正电极2和负电极3横向折弯段端部的槽孔8内，组合成图4所示电极棒；通过灵活改变金属丝4的材质、直径、长度等，可模拟现场爆破中不同装药量、孔径、孔深等现场中多种作业条件；绝缘棒1将正电极2、负电极3、金属丝4组合为电极棒，借助高压电脉冲爆破系统可为模拟实验提供能量可控的爆破动载荷。

参见附图2-3所示，底座6上表面设有第二模型12，第二模型12上设有第一模型11，底座6安装在模具5的内部，底座6的中心位置开设有竖向设置的连接孔，底座6的底部中心位置开设有连接槽，连接槽与连接孔对接且外形内径比连接孔大，第一模型11和第二模型12的中心位置上开设有孔径与连接孔对应的对接孔，螺栓9从上往下依次穿过第一模型11、第二模型12的对接孔和底座6的连接孔延伸到底座6底部的连接槽内，螺栓9延伸在连接槽的一端与螺帽螺纹连接，螺栓9和螺帽将第一模型11、第二模型12与底座6于中心处连接固定，如附图3所示为组装完毕后底座6示意图；底座6由螺栓9连接组合而成，可得到不同进尺、多种断面的隧道模型，底座6旁侧留有气孔10，可用于模型与底座6分离。

参见附图1-2所示，将所述底座6和设置在底座6上的绝缘棒1、第一模型11、第二模型12以嵌入的方式固定到模具5内，所述电极棒用环氧树脂AB胶设于底座6上。

本发明可应用于不同动静载荷耦合条件下的多种隧道模型的室内爆破实验，参见附图7-8所示，模型由所述装置直接浇筑而成，可通过抗冲击加载系统施加多向应力，模拟深部各种复杂高地应力环境。

金属丝4通过高压电脉冲爆破系统在所述模型内发生电爆炸，完成周边孔爆破模拟实验。

具体的，将正电极2安装于绝缘棒1外侧凹槽并穿过横向贯穿孔7，负电极3安装于内侧凹槽与正电极2平行并齐，用绝缘胶纸将正电极2、负电极3与绝缘棒1缠绕为一体。

具体的，将金属丝4两端焊接于绝缘棒1上正电极2与负电极3的端部凹槽内，此时完成电极棒的制作。

具体的，由螺栓9将第一模型11、第二模型12和底座6连接组成底座6，通过替换第一模型11与第二模型12可得到不同断面的隧道模型，如附图7、附图9、附图10所示的圆形与马蹄形隧道模型。

具体的，模具5由螺母将4块侧板与1块底座6组合而成，四块侧板的侧壁通过螺母可拆卸的首尾连接，且四块侧板的底部与底座6的侧壁通过螺母可拆卸的连接，组成模具5的侧板和底座6为不锈钢材质且内表面有电镀层。

一种基于金属丝4电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1，将所述底座6和设置在所述底座6上的绝缘棒1、正电极2、负电极3、金属丝4、第一模板、第二模板嵌入安装到模具5的底部，并设置电击棒的抵抗线值；

具体的，将组装完毕后的底座6以嵌入模具5内的方式固定，电极棒固定位置依据设计抵抗线值确定，即电极棒上金属丝4到第一模型11的距离，确定电极棒位置后用环氧树脂AB胶暂时固定在底座6上完成装置组装。

S2，将实验相似的材料浇筑到模具5的内部，待电极棒与相似材料成为一体后，将模具5拆卸下来，将气泵与底座6底部的气孔10连接出来分离出实验模型；

具体的，依据爆破模拟实验配比相应的相似材料并浇筑于已经完成组装的装置内，待相似材料成型且达到一定强度后拆卸下模具5，此时电极棒已与相似材料组合成为模拟实验的模型，将气泵接于底座6底部气孔10端即可使底座6与模型分离。

具体的，所述实验模型完全脱模后，电极棒已与底座6分离并与相似材料模型成为一体，电极棒金属丝4端部位于模型内部，远离金属丝4棒端部裸露于模型外用于连接高压电脉冲爆破系统。

S3，对拆开后的结构进行养护，并置于抗冲击加载实验平台，将电极棒上伸出模具5的正电极2和负电极3分别连接到高压电脉冲爆破系统中的正、负输出端，借助冲击加载实验平台模型施加不同的载荷；

具体的，实验模型养护完毕后，置于抗冲击加载实验平台上，将裸露于模型外端电极棒上的正电极2与负电极3分别连接到高压电脉冲爆破系统中的正、负输出端。

S4，待模型加载相应载荷后，通过高压电脉冲爆破系统控制输入能量，模型内金属丝4在高压脉冲电流作用下发生电爆炸，完成动静载荷耦合条件下周边孔爆破模拟实验；

具体的，待抗冲击加载实验平台依据模拟的高地应力环境向装置施加相应载荷后，通过高压电脉冲爆破系统控制相应的爆破能量，使金属丝4在模型内发生电爆炸从而完成爆破模拟实验。

S5，实验模型爆破后以隧道轴向为法线的破坏区截面呈漏斗状，漏斗张开角沿轴向掌子面方向逐渐减小，漏斗底部留有与钻爆法掘进中岩壁残留炮孔相似的凹槽，深度约为金属丝4直径的3倍，且爆破后碎块块度较为均匀，无明显大块产生。

具体的，实验模型爆破后以隧道轴向为法线的破坏区截面呈漏斗状，漏斗张开角沿轴向掌子面方向逐渐减小，漏斗底部留有与钻爆法掘进中岩壁残留炮孔相似的凹槽，深度约为金属丝直径的3倍，且爆破后碎块块度较为均匀，无明显大块产生。

本实例通过上述，金属丝4在高压脉冲电流下瞬间相变为高温等离子体产生冲击压缩波，当模型受到冲击波时，由于应力集中致使内部颗粒发生错位而发生剪切破坏。本实例具有可灵活改变金属丝4形态、设计多种隧道模型、有效地模拟高地应力环境与精准控制爆破能量等优势，解决目前深埋隧道爆破室内实验研究受限的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，包括：绝缘棒（1）、正电极（2）、负电极（3）、金属丝（4）、模具（5）及底座（6），所述模具（5）的内部设有空腔，所述模具（5）空腔的底部设有底座（6），所述底座（6）上可拆卸的连接有第一模型（11）和第二模型（12），所述第一模型（11）设置在第二模型（12）上，所述绝缘棒（1）的一端设置在所述底座（6）上，所述绝缘棒（1）的一侧设有正电极（2），所述绝缘棒（1）的另一侧设有负电极（3），所述正电极（2）和所述负电极（3）的上端伸出所述模具（5）用于与外部电源相连接，所述正电极（2）和所述负电极（3）的下端在所述模具（5）内部分别连接所述金属丝（4）的两端，所述金属丝设置在所述模具（5）的内部。

2.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述底座（6）上开设有连接孔，所述第一模型（11）和所述第二模型（12）上开设有与连接孔对接的对接孔，所述第一模型（11）的连接孔和所述第二模型（12）的对接孔内贯穿连接有螺栓（9），所述底座（6）的底部设有连接槽，连接槽内设置有穿过连接孔和对接孔的螺栓与可拆卸连接的螺帽。

3.根据权利要求2所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述第一模型（11）与所述第二模型（12）可依据工程实际设定为圆形或者马蹄形断面的隧道模型。

4.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述底座（6）上开设有贯穿上下面的气孔（10），所述第一模型和所述第二模型上开设有与气孔（10）对接的联通孔。

5.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述绝缘棒（1）两侧设有用于连接所述正电极（2）与所述负电极（3）的竖向凹槽（13），所述正电极（2）与所述负电极（3）分别安装于所述绝缘棒（1）两侧的竖向凹槽（13）内。

6.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述绝缘棒（1）在靠近所述底座（6）的一端设有横向贯穿孔（7），所述正电极的下端穿过贯穿孔（7）与所述金属丝（4）的一端相连接，所述正电极（2）和所述负电极（3）的下端端部设有用于固定所述金属丝（4）的槽孔（8）。

7.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述正电极（2）比所述负电极（3）的长度长，所述正电极（2）和所述负电极（3）都设置成L形，所述正电极（2）的竖向段与所述负电极（3）的竖向段平行，所述正电极（2）的横向段与所述负电极（3）的横向段平行。

8.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述金属丝（4）与所述绝缘棒（1）平行设置。

9.根据权利要求1所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置，其特征在于，所述模具（5）包括四块侧板和一块底座，四块侧板的侧壁可拆卸的首尾连接，且四块侧板的底部与底座的侧壁可拆卸的连接，所述模具（5）的侧板和底座为不锈钢材料且内表面有电镀层。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的基于金属丝电爆炸的深埋隧道周边孔爆破实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将所述底座（6）和设置在所述底座（6）上的绝缘棒（1）、正电极（2）、负电极（3）、金属丝（4）、第一模板（11）、第二模板（12）嵌入安装到模具（5）的底部，并设置电击棒的抵抗线值；

S2，将实验相似的材料浇筑到模具（5）的内部，待电极棒（1）与相似材料成为一体后，将模具（5）拆卸下来，将气泵与底座底部的气孔（10）连接出来分离出实验模型；

S3，对拆开后的结构进行养护，并置于抗冲击加载实验平台，将电极棒（1）上伸出模具（5）的正电极（2）和负电极（3）分别连接到高压电脉冲爆破系统中的正、负输出端，借助冲击加载实验平台模型施加不同的载荷；

S4，待模型加载相应载荷后，通过高压电脉冲爆破系统控制输入能量，模型内金属丝（4）在高压脉冲电流作用下发生电爆炸，完成动静载荷耦合条件下周边孔爆破模拟实验；

S5，实验模型爆破后以隧道轴向为法线的破坏区截面呈漏斗状，漏斗张开角沿轴向掌子面方向逐渐减小，漏斗底部留有与钻爆法掘进中岩壁残留炮孔相似的凹槽，深度约为金属丝直径的3倍，且爆破后碎块块度较为均匀，无明显大块产生。

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