CN116183668A - 一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法，包括超动态压力‑应变传感单元、岩石模型、炮孔模拟件，所述超动态压力‑应变传感单元由应变块模型、冲击波压力传感器和应变传感器构成；所述岩石模型包括一个或若干个分层，所述每个分层上按照空间位置设置有若干个超动态压力‑应变传感单元。本发明采用上述的一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法，以便研究炸药爆炸作用、围压条件下岩体中的超动态压力、应变变化规律，分析爆炸应力波的传播、衰减规律及围压条件下爆破破岩机理。
Description
技术领域
本发明涉及工程爆破技术领域，尤其是涉及一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法。
背景技术
工程爆破在国民经济建设中发挥着重要且不可替代的作用。采矿、基建、交通、水电等工程，面对岩体的坚固与庞大，不采用爆破技术难以解决工程问题。超深孔爆破在矿产资源开采过程中应用非常广泛。通过超深孔爆破促使岩体/矿体裂纹的产生，从而达到岩石/矿石强度弱化、破碎、渗透率提高、应力转移等目的。如为预防煤矿厚硬顶板和冲击地压等灾害的超前工作面超深孔爆破、岩巷掘进超深孔爆破辅助弱化、金属矿超深孔爆破以及为了提高煤层瓦斯抽采和地热开采过程中矿体渗透率的爆破致裂。
超深孔爆破的主要特点是炮孔处在原岩应力之中，受围压作用影响，没有爆破自由面。受限于爆破过程的复杂性和加载设备的加载能力、爆破试验审批困难等方面的限制，导致此种条件的破岩机理还有待进一步的深化。炸药的爆炸作用在介质中引起的超动态压力、动态应变等爆破参数的变化规律，是研究围压条件下破岩机理的先决条件。
目前的超动态爆破参数测试方法，如高速摄影、DIC(数字图像相关法)等只能测试试块表面的爆破参数，对内部的爆破参数测量无能为力。因此，寻找一种成本低且较为可靠的围压条件下岩石类材料内部超动态爆破参数测试方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法，以便研究炸药爆炸作用、围压条件下岩体中的超动态压力、应变变化规律，分析爆炸应力波的传播、衰减规律及围压条件下爆破破岩机理。
为实现上述目的，本发明提供了一种围压条件下超动态爆破参数测试系统，包括超动态压力-应变传感单元、岩石模型、炮孔模拟件，所述超动态压力-应变传感单元由应变块模型、冲击波压力传感器和应变传感器构成；所述岩石模型包括一个或若干个分层，所述每个分层上按照空间位置设置有若干个超动态压力-应变传感单元。
优选的，所述应变块模型上设置有两个冲击波压力传感器和两个应变传感器。
优选的，所述冲击波传感器为CYY26型爆破冲击波压力传感器和PVDF薄片压力传感器中的一种或两种，所述超动态压力-应变传感单元的型号可以有一种或多种。
优选的，所述炮孔模拟件设置于岩石模型的中心位置。
一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，包括以下步骤：
S1：制作模具和炮孔模拟件；
S2：制作应变块模型并在应变块模型上固定各传感器；
S3：制作岩石模型；
S4：模拟岩石模型的应力环境、起爆并采集数据；
S5：分析实验结果。
优选的，在步骤S2中，制作应变块模型的步骤如下：
(1)应变块模型由硅酸盐水泥、石英砂、水组成，所述硅酸盐水泥、石英砂、水按照1：1.66：0.41的质量比混合、搅拌后得到的拌合物倒入模具中，平整、压实、静置，在标准条件下养护28天；
(2)轻轻敲击模具表面，去除模具，得到应变块模型；
(3)打磨光滑应变块模型表面，在应变块模型表面标注应变传感器和冲击波传感器的预设位置；
(4)将应变传感器和冲击波传感器置于预设位置，得到超动态压力-应变传感单元，之后封装。
优选的，在步骤S3中，制作岩石模型的步骤如下：
(1)将与应变块模型相同质量比的组分混合、搅拌得到拌合物，将拌合物第一次浇筑，放置炮孔模拟件，继续第二次浇筑；
(2)在拌合物上铺设超动态压力-应变传感单元布置模具，使用美工刀在拌合物上按超动态压力-应变传感单元布置模具确定的位置预先标识出超动态压力-应变传感单元的位置，去除超动态压力-应变传感单元布置模具，将超动态压力-应变传感单元按照预设位置压嵌到拌合物表面；
(3)继续缓慢浇筑拌合物至模具顶部，浇筑过程中防止传感单元移位、翻滚，并且将各个传感单元的信号线进行标识；
(4)平整、压实、静置，在标准条件下养护28天，轻轻敲击模具表面，去除模具，得到应变块模型。
优选的，在步骤S4中，模拟岩石模型的应力环境、起爆并采集数据的步骤如下：
(1)将岩石模型置于加载系统中，使其炮孔模拟件开口向上，在炮孔中装入设计炸药量，引出导线，并进行堵塞，堵塞物采用植筋胶；
(2)将超动态压力-应变传感单元的导线与相应的超动态数据采集系统电相连，并对数据采集系统进行调试和参数设置；
(3)启动加载系统，根据设计围压进行三向加载，待加载完毕后，稳压5分钟，进行炸药起爆；
(4)数据采集系统采集到超动态压力和应变数据。
优选的，所述第一次浇筑深度为100mm，所述第二次浇筑深度为150mm。
优选的，所述拌合物倒入模具之前，需要将模具内壁涂上润滑油。
因此，本发明采用上述一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法，通过在岩石模型内部设计位置布置压力-应变传感单元，可以开展围压条件下的爆破试验，对于揭示围压条件下超动态爆破参数变化规律及破岩机理有重要意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中围压条件下超动态爆破参数测试方法的步骤流程图；
图2是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中某一超动态压力-应变传感单元布置模具示意图；
图3是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中某一超动态压力-应变传感单元表面传感器的位置示意图；
图4是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中岩石模型炮孔模拟件的放置位置和拌合物界面示意图
图5是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中拌合物界面处超动态压力-应变传感单元设置位置示意图；
图6是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中动态应变-时间曲线(距炮孔4cm)；
图7是本发明一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法中动态应变-时间曲线(距炮孔12cm)。
附图标记
1、PVDF薄片压力传感器；2、CYY26型爆破冲击波压力传感器；3、应变块模型；4、应变片；5、炮孔模拟件；6、岩石模型设置有超动态压力-应变传感单元拌合物上表面。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。
还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，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/发明的保护范围之内。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。
实施例一
本发明提供了一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法，第一，需要制作适合本实施例的模具。为了保证模具产出模型尽可能不发生变形，本实施例使用的模具材料为不锈钢板。
本发明中应变块模型使用的模具所能制作的物理模型几何尺寸为30mm×30mm×30mm。选用5块厚度为5mm的不锈钢板，按照设定的尺寸对不锈钢板进行切割，得到2块尺寸为35mm×30mm×5mm和2块35mm×40mm×5mm的不锈钢板作为模具侧边和1块尺寸为30mm×30mm×5mm的不锈钢板作为模具底板。使用焊枪对4块侧边不锈钢板进行焊接，使用螺栓与螺母将模型底板与4个侧边进行固定，得到内部空间尺寸为30mm×30mm×30mm的立方体模具。为了方便后续的模型与模具的分离，在应变块模型模具的内壁涂上润滑油。
本发明中岩石模型使用的模具所能制作的物理模型几何尺寸为300mm×300mm×300mm。选用5块厚度为10mm的不锈钢板，按照设定的尺寸对不锈钢板进行切割，得到2块尺寸为310mm×300mm×10mm和2块尺寸为310mm×320mm×10mm的不锈钢板作为模具侧边和1块尺寸为300mm×300mm×10mm的不锈钢板作为模具底板。使用焊枪对4块侧边不锈钢板进行焊接，使用螺栓与螺母将模型底板与4个侧边进行固定，得到内部空间尺寸为300mm×300mm×300mm的立方体模具。为了方便后续的模型与模具的分离，在岩石模型模具的内壁涂上润滑油。
本发明中用到了超动态压力-应变传感单元布置模具。取一张云母片，将其尺寸裁剪为300mm×300mm，将预设的压力、应变传感单元的位置标注在云母片上，使用美工刀将标注的位置镂空，对云母片中心位置同样进行镂空以预留出炮孔模拟件的位置，得到超动态压力-应变传感单元布置模具，本发明中所用的某一超动态压力-应变传感单元布置模具如图2。
炮孔模拟件是内径为20mm、管厚为2mm、长度300mm的PVC管。
第二，制作应变块模型并在应变块模型上固定各传感器。取425#硅酸盐水泥、石英砂、水，对石英砂进行筛选，将425#硅酸盐水泥、筛选后的石英砂、水按照1：1.66：0.41的质量比进行混合，人工搅拌，得到制作应变块模型的拌合物。
将拌合物缓慢倒入应变块模型模具中，平整、压实、静置，在标准条件下养护28天，待拌合物充分发生物理化学反应。使用小铁锤轻轻敲击模具表面起到松动模型的作用，去除模具，得到应变块模型。将应变块模型表面进行打磨光滑，并在应变块模型表面标注应变传感器和冲击波传感器的预设位置。将应变传感器和冲击波传感器置于相应位置。
本发明中每个应变块模型固定两个冲击波压力传感器和两个应变传感器，其中，应变传感器采用应变片，冲击波压力传感器采用CYY26型爆破冲击波压力传感器和PVDF薄片压力传感器，本实施例中某一超动态压力-应变传感单元表面传感器的位置如图3。在各传感器固定之后，在传感器表面涂AB胶，同时起到粘接和密封的作用。
第三，制作岩石模型。取425#硅酸盐水泥、石英砂、水，对石英砂进行筛选，将425#硅酸盐水泥、筛选后的石英砂、水按照1：1.66：0.41的质量比进行混合，使用搅拌机进行搅拌，得到制作岩石模型的拌合物。
如图3所示，将拌合物第一次浇筑至100mm时，在模型的中心放置PVC管(把PVC管的底部堵塞，以防拌合物进入PVC管内部)，浇筑岩石模型时，将炮孔模拟件垂直固定在模具正中央，底部与模具底板相距80mm，第二次浇筑至150mm。
如图4所示，在拌合物上铺设超动态压力-应变传感单元布置模具，使用美工刀在拌合物上按超动态压力-应变传感单元布置模具确定的位置预先标识出超动态压力-应变传感单元的位置，去除超动态压力-应变传感单元布置模具，将超动态压力-应变传感单元按照预设位置压嵌到拌合物表面。继续缓慢浇筑拌合物至模具顶部，浇筑过程中防止传感单元移位、翻滚，并且将各个传感单元的信号线进行标识。
将岩石模型平整、压实、静置，在标准条件下养护28天，待拌合物充分发生物理化学反应，使用小铁锤轻轻敲击模具表面起到松动模型的作用，去除模具，得到可用于试验的岩石模型。
第四，模拟岩石模型的应力环境、起爆并采集数据。本发明中使用真三轴加载系统模拟岩石模型的应力环境，将岩石模型置于真三轴加载系统中，将炮孔模拟件开口的一面作为上表面。将超动态压力-应变传感单元的信号线与相应的超动态数据采集系统电相连，并对超动态数据采集系统进行调试和参数设置，在炮孔中装入设计炸药量，并进行堵塞，堵塞物采用植筋胶，堵塞长度100mm。
启动真三轴加载系统，根据设计围压进行三向加载，待加载完毕后，稳压5分钟；进行炸药起爆。超动态数据采集系统采集到超动态压力和应变数据，进行后续分析，完成试验。
第五，分析实验结果。本实施例中，所加载的围压及装填炸药量如下表所示，所加载的最大主应力方向与炮孔轴线方向一致。炸药类型选用煤矿许用导爆索(10g/m)，根据设计药量进行裁剪，起爆雷管为2#普通电雷管。
表1所加载的围压及装填炸药量
| 试样编号 | 三向应力场(MPa) | 装药量/克 |
| 1 | σ1＝5，σ2＝4，σ3＝3 | 3 |
| 2 | σ1＝15，σ2＝12，σ3＝9 | 3 |
| 3 | σ1＝30，σ2＝24，σ3＝18 | 3 |
如图6和图7所示，某一围压条件下，距离炮孔4cm和12cm时分别测试的动态应变-时间曲线，从图中可以直观看出，虽然传感单元与爆源(炮孔)距离不一样，但是接受到的载荷时刻几乎一样，这是由于冲击波/应力波传播速度大，并且模型较小造成的；动态应变幅值随着距离的增加，幅值减小，呈现指数型衰减关系。
因此，本发明采用上述一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法，以便研究炸药爆炸作用、围压条件下岩体中的超动态压力、应变变化规律，分析爆炸应力波的传播、衰减规律及围压条件下爆破破岩机理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种围压条件下超动态爆破参数测试系统，其特征在于：包括超动态压力-应变传感单元、岩石模型、炮孔模拟件，所述超动态压力-应变传感单元由应变块模型、冲击波压力传感器和应变传感器构成；所述岩石模型包括一个或若干个分层，所述每个分层上按照空间位置设置有若干个超动态压力-应变传感单元。
2.根据权利要求1所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试系统，其特征在于：所述应变块模型上设置有两个冲击波压力传感器和两个应变传感器。
3.根据权利要求2所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试系统，其特征在于：所述冲击波传感器为CYY26型爆破冲击波压力传感器和PVDF薄片压力传感器中的一种或两种，所述超动态压力-应变传感单元的型号可以有一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试系统，其特征在于：所述炮孔模拟件设置于岩石模型的中心位置。
5.一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：制作模具和炮孔模拟件；
S2：制作应变块模型并在应变块模型上固定各传感器；
S3：制作岩石模型；
S4：模拟岩石模型的应力环境、起爆并采集数据；
S5：分析实验结果。
6.根据权利要求5所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，其特征在于：在步骤S2中，制作应变块模型的步骤如下：
(1)应变块模型由硅酸盐水泥、石英砂、水组成，所述硅酸盐水泥、石英砂、水按照1：1.66：0.41的质量比混合、搅拌后得到的拌合物倒入模具中，平整、压实、静置，在标准条件下养护28天；
(2)轻轻敲击模具表面，去除模具，得到应变块模型；
(3)打磨光滑应变块模型表面，在应变块模型表面标注应变传感器和冲击波传感器的预设位置；
(4)将应变传感器和冲击波传感器置于预设位置，得到超动态压力-应变传感单元，之后封装。
7.根据权利要求5所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，其特征在于：在步骤S3中，制作岩石模型的步骤如下：
(1)将与应变块模型相同质量比的组分混合、搅拌得到拌合物，将拌合物第一次浇筑，放置炮孔模拟件，继续第二次浇筑；
(2)在拌合物上铺设超动态压力-应变传感单元布置模具，使用美工刀在拌合物上按超动态压力-应变传感单元布置模具确定的位置预先标识出超动态压力-应变传感单元的位置，去除超动态压力-应变传感单元布置模具，将超动态压力-应变传感单元按照预设位置压嵌到拌合物表面；
(3)继续缓慢浇筑拌合物至模具顶部，浇筑过程中防止传感单元移位、翻滚，并且将各个传感单元的信号线进行标识；
(4)平整、压实、静置，在标准条件下养护28天，轻轻敲击模具表面，去除模具，得到应变块模型。
8.根据权利要求5所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，其特征在于：在步骤S4中，模拟岩石模型的应力环境、起爆并采集数据的步骤如下：
(1)将岩石模型置于加载系统中，使其炮孔模拟件开口向上，在炮孔中装入设计炸药量，引出导线，并进行堵塞，堵塞物采用植筋胶；
(2)将超动态压力-应变传感单元的导线与相应的超动态数据采集系统电相连，并对数据采集系统进行调试和参数设置；
(3)启动加载系统，根据设计围压进行三向加载，待加载完毕后，稳压5分钟，进行炸药起爆；
(4)数据采集系统采集到超动态压力和应变数据。
9.根据权利要求7所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，其特征在于：所述第一次浇筑深度为100mm，所述第二次浇筑深度为150mm。
10.根据权利要求6所述的一种围压条件下超动态爆破参数测试方法，其特征在于：所述拌合物倒入模具之前，需要将模具内壁涂上润滑油。
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2022
- 2022-12-28 CN CN202211696090.3A patent/CN116183668A/zh active Pending
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