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理論與實(shí)踐:?jiǎn)我浑p孔爆炸荷載作用下應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)
作者:鄭曉敏  

    由于單一雙孔爆炸荷載作用下介質(zhì)應(yīng)變規(guī)律研究是爆破破巖機(jī)理和預(yù)裂爆破致裂技術(shù)的基礎(chǔ),學(xué)者們對(duì)于單一雙孔爆破效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。近年來(lái)高應(yīng)變率的爆炸應(yīng)變直接測(cè)試成為可能。高祥濤研究了利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)測(cè)了條形藥包在水泥砂漿試件中爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變波,認(rèn)為該應(yīng)變波形具有初始以壓應(yīng)變?yōu)橹鳌⒊掷m(xù)的壓拉應(yīng)變交替出現(xiàn)的特征;岳中文等開(kāi)展了切縫藥包空氣間隔裝藥爆破的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試,認(rèn)為切縫方向應(yīng)變衰減速度較快;梁冰等以漳村煤礦3 8煤層為基礎(chǔ)分析了雙孔連續(xù)爆破應(yīng)力波的傳播過(guò)程及對(duì)煤層影響的范圍。由于煤巖材質(zhì)的各向異性,直接在煤、巖介質(zhì)水泥砂漿試樣中進(jìn)行爆炸應(yīng)變測(cè)試很難直觀獲得應(yīng)力波疊加效果,本文采用有機(jī)玻璃材料和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)深入研究單一雙7L爆炸荷載作用下應(yīng)變波傳播和裂隙擴(kuò)展規(guī)律,為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)爆破破巖機(jī)理和爆破預(yù)裂技術(shù)提供新的試驗(yàn)依據(jù)。

1  試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1  超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

    試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片、有機(jī)玻璃板、屏蔽線、電橋盒、SDY2107型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀、TST3406C動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及臺(tái)式計(jì)算機(jī)組成。使用的應(yīng)變片為BXl20 - 2BA直角應(yīng)變花,其敏感柵尺寸為2 mm×1 mm,基底尺寸為6.5 mm×6.5 mm,電阻為120Q。SDY2107型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀頻率響應(yīng)為2.5 MHz,輸入阻抗大于100 MΩ,靈敏度(橋壓2V)為0.1 V/lOOμε。TST3406C動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最高采樣速率為40×107次/s,滿足試驗(yàn)測(cè)試要求。

1.2試驗(yàn)材料及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)材料為有機(jī)玻璃(PMMA),有機(jī)玻璃尺寸為400 mm×300 mm×5 mm,兩炮孔位于試件中央,間隔120 mm。采用微激光精確定位切割。有機(jī)玻璃動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)分別為縱波波速2. 32×103 m/s,橫波波速1.26×103m3/s,動(dòng)態(tài)彈性模量6.1 GN/m2,動(dòng)態(tài)泊松比0. 31。試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,炮孑L A、B直徑為6 mm,單孔裝藥量為140 mg疊氮化鉛炸藥;沿垂直于兩炮孔連線中心布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)應(yīng)變花,每個(gè)應(yīng)變花有兩個(gè)應(yīng)變片組成相互垂直,用于測(cè)試測(cè)點(diǎn)處的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變,測(cè)點(diǎn)連線距離為80 mm、80 mm、80 mm。

2  試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1  爆破效果

    為了考察單一雙孔爆炸荷載下應(yīng)力分布情況,試驗(yàn)分兩組開(kāi)展,第一組起爆單孔A,第二組同時(shí)起爆炮孔A和炮孔B。爆破作用后效果見(jiàn)圖2。

    由圖2 (a)可以看出,在單孔起爆作用下,爆生裂紋主要集中在炮孔周圍,水平方向主裂紋擴(kuò)展距離沒(méi)有達(dá)到兩炮孔水平距離的一半;而由圖2(b)可以看出,在雙孔同時(shí)起爆情況下,裂紋的擴(kuò)展非常明顯,單個(gè)炮孔水平方向主裂紋擴(kuò)展都超過(guò)了兩炮孔水平距離的一半。由此可見(jiàn),單孔起爆產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度有限,雙孔起爆由于應(yīng)力波疊加作用產(chǎn)生的主裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展效果明顯。

2.2動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

  起爆后超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀會(huì)瞬間采集炮孑L周邊應(yīng)變信號(hào),兩組信號(hào)應(yīng)變持續(xù)時(shí)間在10 F/S以內(nèi)。圖3為單孔爆破應(yīng)變測(cè)試波形(炮孔A起爆)和雙孔同時(shí)起爆應(yīng)變測(cè)試波形(炮孔A、B同時(shí)起爆)。

    由圖3可見(jiàn),無(wú)論是單孑L起爆還是雙孑L同時(shí)起爆,應(yīng)變片傳感器先后形成兩個(gè)明顯的作用區(qū)域(如圖中虛線區(qū)域)。在第一個(gè)作用區(qū)域中,各測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出應(yīng)變情況有所不同,應(yīng)變值有正有負(fù),說(shuō)明不同測(cè)點(diǎn)受到的拉伸、壓縮應(yīng)變不同,但以壓縮為主;而在第二個(gè)作用區(qū)域中,各個(gè)測(cè)點(diǎn)都呈現(xiàn)出統(tǒng)一的變化趨勢(shì),先壓縮再拉伸,整體作用以拉伸為主,僅峰值大小不同。前者是由于壓縮應(yīng)力波引起,后者是由于應(yīng)力波疊加和膨脹氣體準(zhǔn)靜壓造成,與文獻(xiàn)中水泥砂漿單孑L爆破應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)試結(jié)果一致。因此,爆炸在材料中產(chǎn)生的應(yīng)變波形首先以壓縮為主的應(yīng)變作用使材料產(chǎn)生裂紋,然后以拉伸為主的應(yīng)變作用使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展。

    雙孑L同時(shí)起爆相對(duì)于單孔爆破測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變峰值明顯升高,除藥量增加一倍以外,兩炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加起到了重要的作用,特別是第二個(gè)作用區(qū)域中的拉伸應(yīng)變峰值是導(dǎo)致裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展的主要原因。4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變波形中第二個(gè)作用區(qū)域中拉伸應(yīng)變的橫縱向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    由表1可見(jiàn),單孔起爆作用下,橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為48.2×103με,縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為38.4×103με;雙孔同時(shí)起爆作用下,橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為195.3×lO3με,縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為252×l03 με。雙孔起爆橫縱應(yīng)變峰值明顯大于單孔爆破數(shù)值,雙孔同時(shí)起爆作用下的橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值以及縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值是相應(yīng)單孔起爆條件下相應(yīng)峰值的3~6倍,說(shuō)明多點(diǎn)爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用并不是單純的數(shù)值疊加。

3結(jié)論

    (1)單、雙爆破裂紋宏觀上觀察可見(jiàn),單孔起爆產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度有限,雙孔起爆由于應(yīng)力波疊加作用產(chǎn)生的主裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展效果明顯。

    (2)在應(yīng)變波曲線上,無(wú)論是單孔起爆還是雙孔同時(shí)起爆,爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用形式都是一致的,應(yīng)變波形包括兩個(gè)主要作用區(qū)域,首先以壓縮為主的應(yīng)變作用使裂紋產(chǎn)生,然后以拉伸為主的應(yīng)變作用使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展,且拉伸應(yīng)變峰值是導(dǎo)致裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展的主要原因。

(3)雙孑L起爆拉伸應(yīng)變區(qū)域橫縱應(yīng)變峰值明顯大于單孔爆破數(shù)值,雙孔同時(shí)起爆作用下的橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值以及縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值是相應(yīng)單孑L起爆條件下相應(yīng)峰值的3~6倍,說(shuō)明多點(diǎn)爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用,并不是單純的數(shù)值疊加。 

4 摘  要  

預(yù)裂效果是低滲透高瓦斯煤層深孔爆破增透技術(shù)的關(guān)鍵。采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),實(shí)測(cè)了單孔起爆和雙孔同時(shí)起爆作用下有機(jī)玻璃板中爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變波,對(duì)測(cè)試得到的軸向和切向爆炸應(yīng)變波信號(hào)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:?jiǎn)慰灼鸨a(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度有限,雙孔起爆由于應(yīng)力波疊加作用產(chǎn)生的主裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展效果明顯;應(yīng)變波波形包括兩個(gè)部分,首先以壓縮為主的應(yīng)變作用使裂紋產(chǎn)生,然后以拉伸為主的應(yīng)變作用使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展,且拉伸應(yīng)變峰值是導(dǎo)致裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展的主要原因;雙孔同時(shí)起爆爆炸拉伸應(yīng)變峰值是單孔起爆的3~6倍,說(shuō)明多點(diǎn)爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用并不是單純的數(shù)值疊加。研究結(jié)果為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)爆破破巖機(jī)理和爆破預(yù)裂技術(shù)提供新的試驗(yàn)依據(jù)。

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