切缝药包定向断裂控制爆破研究综述

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切缝药包爆破的研究现状和存在的问题

（南科技大学环境与资源学院，西四川绵阳６１１）２００
【摘要】总结和分析了缝药包切爆破的机理及其研究现状，出了切缝药包爆破技术发展中存在的一些尚提现状
需解决的问题。
【关键词】切缝药包爆破机理
ＣＵＲＲＥＮＴＩＳＴＵＡＴＩＯＮＯＦＣＵＴＴＩＮＧＥＡＭＳＣＡＲＴＲＩＤＧＥＢＬＡＳＮＧＴＩＡＮＤＥＸＩＴＥＮＴＳＰＲＯＢＬＥＭＳ
人［就提出了在炮孔中使用轴向切缝的管状药包于爆轰产物的压缩性ຫໍສະໝຸດ ，作用于塑料外壳上的冲击波，
波。透射波经切缝外壳和外壳与孔壁之间的环形空
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四川冶金
第２８卷
间衰减后，能量大大降低。同时外壳本身也产生变形与位移，吸收部分能量。这样就大大降低了未切
１切缝药包爆破机理及研究现状
非切缝处，爆轰产物直接冲击其外壳内壁，由于药包外壳（如竹片，塑料和金属等）的密度大于爆轰波阵面上爆炸产物的密度，固体介质的压缩性一般小且
除产生少量透射波外，还有向爆炸中心反射的压缩
早在上世纪７０年代，国ｗ．．ｏｍｙ等美ＬＦｕｅ在岩体中形成定向裂缝的方法。该方法的突出特点是在切缝方向造成压应力集中和剪切应力差，导致
缝区域孔壁产生径向裂缝的可能性。在切缝方向上由于不存任何阻力作用，该方向上的孔壁岩石直接受到爆轰产物的冲击。爆轰产物能流密度大且集中
来，且外壳的波阻抗与岩石的波阻抗基本相匹配时，
这种“ 切槽” 作用将更加明显，这是由于外壳的存在

定向断裂控制爆破技术的应用

定向断裂控制爆破技术的应用摘要：文中介绍了岩石定向断裂控制爆破技术的研究成果, 提出爆破参数的设计要点,及其操作要点关键词：爆破技术断裂裂纹中图分类号： p633.2文献标识码： a 文章编号：前言在爆破作用的前期控制微裂纹的数量和优势的发展方向, 在实际应用中还不能消除对巷道周边围岩的破坏, 仍存在一些较严重的超欠挖现象, 浪费大量爆破和喷浆材料, 影响掘进效率, 增加工程成本。

采用聚能管改变周边眼装药方式和方法的定向断裂控制爆破技术克服了以上不足。

( 1)传统的光面爆破对围岩有较大的破坏作用, 普遍存在巷道成形效果差, 围岩破坏严重, 严重影响岩巷掘进的循环进尺及岩巷掘进成本。

( 2)应用岩巷定向断裂控制爆破技术, 合理确定周边眼的眼距和装药量, 通过科学合理的施工组织, 可有效地控制巷道成形, 保护围岩, 并降低工程成本, 加快工程进度。

一、技术原理( 1)传统的光面爆破对围岩有较大的破坏作用, 普遍存在巷道成形效果差, 围岩破坏严重, 严重影响岩巷掘进的循环进尺及岩巷掘进成本。

在爆破作用的前期控制微裂纹的数量和优势的发展方向, 在实际应用中还不能消除对巷道周边围岩的破坏, 仍存在一些较严重的超欠挖现象, 浪费大量爆破和喷浆材料, 影响掘进效率, 增加工程成本。

采用聚能管改变周边眼装药方式和方法的定向断裂控制爆破技术克服了以上不足。

定向断裂控制爆破技术原理, 就是利用聚能管改变巷道周边眼装药方式及方法, 以获得好的爆破效果。

即在周边眼装药时, 将炸药放在利用abs 塑料制成的聚能管内, 对炮孔实行不耦合装药, 使聚能管本身对爆轰力产生瞬时抑制和导向作用, 并通过切缝提供瞬态卸压空间, 使爆轰压力在切缝处形成高能流, 集中在巷道轮廓线方向优先产生裂隙并定向扩展, 形成断裂面, 从而实现周边眼的控制爆破获得良好的爆破效果。

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究定向控制断裂爆破技术是指在爆破作业中，根据作业规模、施工现场环境、爆破技术要求和施工安全等多种因素，利用布雷原理、炸药类型及爆破方法等，采取的爆破技术，以达到获得满意的结果。

定向控制断裂爆破技术有助于减少施工成本，提高爆破效果，并有助于减少爆破施工带来的环境污染。

定向控制断裂爆破技术的研究也是当前施工技术研究的重点。

具体研究内容包括两个部分：一是炸药力学特性研究，即研究不同炸药类型、不同配量对应爆破效果的影响；二是爆破施工工艺研究，即研究不同爆破方式、爆破时间序列以及定向控制断裂爆破技术下爆破效果的影响。

要研究定向控制断裂爆破技术，就必须掌握分析爆破过程中的物理机理和施工工艺的基本原理，实现爆破的精确控制。

首先，基于炸药特性，分析和预测炸药开爆后受力分布状态，从而进行断裂设计，满足爆破施工要求。

其次，通过试验确定爆破施工参数，如炸药型号、配量、安装方式，钻孔等，确保爆破施工的安全性及准确性。

最后，结合施工现场的实际情况，设计定向控制断裂爆破爆破工艺，从而获得理想的爆破效果。

定向控制断裂爆破技术的研究不仅包括爆破等物理机理的研究，还包括安全管理、爆破施工质量控制、爆破施工安全评估等研究内容。

具体而言，定向控制断裂爆破研究应充分考虑施工现场、爆破施工过程等安全性因素，推广应用爆破事故的预防措施，从而控制断裂爆破施工的安全性。

此外，定向控制断裂爆破技术的研究还应关注爆破施工质量的控制。

爆破施工质量可以通过严格控制施工参数、定期检查爆破效果以及不断改进施工工艺等来实现。

同时，要求爆破施工人员对施工现场环境有全面深刻的认识，详细分析每一环节以及爆破施工的具体情况，以最大限度确保施工质量。

总之，定向控制断裂爆破技术的研究，不仅需要研究其物理机理，还需要重视爆破施工的安全性和质量控制，从而获得满意的爆破效果。

只有充分考虑安全性、施工质量及施工实际情况，才能保证定向控制断裂爆破技术在施工中的实施效果。

岩巷切缝药包定向断裂爆破技术研究

岩巷切缝药包定向断裂爆破技术研究中国矿业大学北京研究生部宋俊生杨永琦煤炭科学研究总院曾康生摘要本文分析和研究切缝药包爆破定向聚能切割爆破机理,并在现场应用中就爆破参数进行了相应的优化设计,通过现场试验证明了切缝药包的定向断裂控制作用,取得了较好的经济效益。

关键词岩巷掘进切缝药包控制爆破参数优化我国矿井岩巷掘进绝大多数仍采用钻爆法施工,凿岩机械化没有明显提高,尽管70年代初以来,各地普遍引进了光面爆破技术,井巷施工质量和施工速度有了较大的提高,但目前的爆破作业,多采用浅孔多循环方式,炮眼深度一般不超过2m,辅助作业时间长,工人劳动强度大,爆破效率低,材料消耗量大,最突出的两个问题,一是巷道成型质量差,超欠挖严重,对围岩破坏较大,尤其是在松软、破碎的岩层中更为突出,造成了支护材料的大量浪费;二是巷道施工速度低,据煤炭部年鉴,岩巷的平均单进约为50~60m,掘进速度低严重地影响着矿井的开拓延伸和后期的施工(尤其是在采掘关系紧张的矿井)。

80年代初,国内外许多专家学者着手研究巷道定向控制断裂爆破技术以期获得较为理想的效果。

定向断裂旨使裂纹沿着某一设计方向产生和扩展,而不在其他方向产生裂纹,从而改善成型质量,减少对围岩的破坏。

目前定向断裂控制方法大致分为三类:一类是通过改变炮孔的布置,如孔壁切槽、设导向孔等;其二是改变药包形状,如压型药包、聚能药包等;其三是改变装药结构,如切缝药包、水压爆破等。

本文提出了一种简易可行的切缝药包结构,通过现场试验证明了这种方法能够有效地控制巷道成型,提高施工速度。

1 切缝药包爆破机理及参数试验研究光爆技术不能很好地解决目前巷道超欠挖问题。

从机理上来看,炮孔炸药起爆后,炮孔壁采工作面由原初步设计的3个面改为一个面;缩短了贯通距离1850m;减少矿井建设工期1 ~1.5a,见图2。

(6) 拉开开拓布局,保证矿井稳产、增产设计为使矿井投产后能迅速达产和超产,将北二(72)煤采区两条上山贯通,作为移交标准。

切缝药包爆破机理分析与试验研究

第23卷　第1期2006年3月爆　破 BLAST I NG Vol .23　No .1 Mar .2006 文章编号:1001-487X (2006)01-0033-03切缝药包爆破机理分析与试验研究蒲传金,郭学彬,张志呈,肖正学(西南科技大学环境与资源学院,四川绵阳621010)摘　要:　通过理论和实验研究了切缝药包爆破机理和爆破参数,结果表明,切缝药包爆破有明显的聚能效应和护壁作用,其最佳装药不耦合系数为1.5～2.2。

关键词:　定向断裂控制爆破;　切缝药包;　应变峰值增大率;　不耦合系数中图分类号:　T D 235.1 文献标识码:　AM echan is m Analysis of Cutti n g Seam Cartr i dge Bl asti n gPU Chuan 2jin,G UO X ue 2bin,ZHAN G Zh i 2cheng,X I AO Zheng 2xue(South west University of Science and Technol ogy,M ianyang 621010,China )Abstract:　M echanis m and parameters of cutting sea m cartridge blasting were studied .It can be concluded thatcutting sea m cartridge blasting has a distinct energy cavity effect and p r otecting borehole wall effect and its op ti m u m decoup le coefficient is 1.5～2.2.Key words:　directi onal rep ture contr olled blasting;cutting sea m cartridge;increasing rate of strain peak value;decoup le coefficient收稿日期:2005-12-08.作者简介:蒲传金(1979-),男;绵阳:西南科技大学环境与资源学院硕士,助教.基金项目:四川省绵阳市科技局资助项目(1999[16]).1　引　言切缝药包爆破技术是在传统光面爆破基础上发展起来的,目前已经广泛应用于隧道掘进、边坡开挖、贵重石材的开采与切割等工程中。

定向断裂控制爆破实验研究

１．２试块尺寸
（１）宽度。根据《龙滩水电站右岸导流洞开挖
中爆破损伤范围研究》提出的损伤范围计算公式，
确定模型宽度为４０ｏｍ。（２）长度。在保证使用需要的前提下，应尽量
定向断裂控制爆破的实验研究方法有很多种，
ｍｍ× ２７０ｍｍ。小试块尺寸为７０ｍｍ ×７０ｍｍ× ７０
比如动光弹技术、动云纹法、动焦散技术、高速摄影技术、脉冲全息干涉技术，通过这些研究取得了不少的成果。但是，这些实验都是在有机玻璃和树脂材
ｍｍ，装药密度取为１．０ｇ／ｃｍ，由此计算得装药长度
（２）引火药头、黄油、电烙铁、松香、有机溶剂、
砂纸。
为５ｃｍ，堵塞长度为１２ｃｍ（６ｃｍＸ２），合计为１７
ｃｍ，实际取２０ｃｍ。
作者简介：唐征（１９８１～），男，辽宁朝阳人，工程师，２００４年毕业于河南理工大学，现从事矿井开采技术管理与研究。
了众多装药结构的基础上，提出了４种结构设计方案（图１），通过实验室模拟试验分析优化出一种适
摘要：利用水泥素混凝土模型模拟岩石性质进行了单孔定性分析实验、双孔模型实验和三孔光面爆破实验。通过单孔实验得出最佳装药参数和有效的实验数据，通过双孔模型实验观察分析出含水炮孔切缝药包在不同起爆时间条件下的贯通情况，通过三孔光面爆破实验分析出在含水炮孔切缝药包爆炸载荷作用下的光面

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究断裂爆破技术是一种用爆炸能量来控制地下岩石断裂的技术，广泛应用于矿山、建筑、隧道等领域。

定向控制断裂爆破技术则是在传统断裂爆破技术基础上，引入了定向控制的概念，旨在进一步提高爆破效果和降低环境影响。

本文将探讨定向控制断裂爆破技术的研究内容、应用前景和存在的问题。

首先，需要对岩石的物理力学性质进行研究，包括其抗压强度、抗拉强度、弹性模量等参数。

这些参数的研究将为断裂爆破参数的选择提供基础。

其次，需要研究爆破药剂的选择和调整。

传统断裂爆破技术中通常使用炸药作为爆破药剂，但炸药的爆炸能量难以掌控。

因此，在定向控制断裂爆破技术中，研究人员需要尝试使用新型的爆破药剂，如高能炸药、热释放材料等，以获得更好的爆破效果。

另外，需要研究合适的爆破参数，包括装药量、孔距、孔深等参数。

这些参数的选择将直接影响断裂爆破的效果。

因此，研究人员需要通过试验和模拟分析等手段，寻找最佳的爆破参数组合。

此外，还需要研究爆破震动的传播规律。

爆破震动会对周围环境产生一定的影响，如地震、噪音等。

因此，了解爆破震动的传播规律，选择合适的爆破技术和参数，将能够减小爆破对周围环境的影响。

定向控制断裂爆破技术具有广阔的应用前景。

首先，在矿山开采中，定向控制断裂爆破技术可以提高爆破效率，减少爆破成本。

其次，在建筑工程中，该技术可以用于爆破拆除建筑物和岩石，提高工程进度和效率。

此外，在隧道建设中，使用定向控制断裂爆破技术可以减小对周围岩石的破坏，提高施工质量。

不过，定向控制断裂爆破技术也面临一些问题。

首先，由于岩石的物理性质和地质条件的差异，针对不同地区和不同场景的断裂爆破技术需要进行不同的研究和设计，这给技术的推广应用带来一定的困难。

其次，定向控制断裂爆破技术在实际应用中还存在一定的安全隐患，如控制失灵、设备故障等。

因此，在研究的同时，需要持续加强技术的安全性和可靠性。

综上所述，定向控制断裂爆破技术是一种有着广泛应用前景的技术，但在实际应用中还存在一些问题需要解决。

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究定向控制断裂爆破技术是指在采矿、油气开采等工程爆破中，通过可控的断裂系统和独特的爆破布置，实现爆破效果的调控和改善。

它是一种可以改善采矿、油气、煤层气开采效率和成品率、阻止混杂物污染源等重要特点的新型爆破技术。

定向控制断裂爆破技术的发展，将极大地改善采矿、油气开采的爆破效果，使工程爆破更加精细、高效。

随着社会经济的发展，伴随着能源和资源的不断压缩，工程爆破技术也发生巨大变化，以提高采矿、油气开采的效率和成品率，减少工程投入以及污染源的产生。

定向控制断裂爆破技术，尤其是断裂密集和定向爆破技术，已经在工程爆破领域受到广泛应用。

断裂密集和定向爆破技术能够有效地增加爆破效率，减少爆破伤害，减少工作量，提高成品率，确保爆破安全。

断裂密集爆破是一种使用多排集断裂和定向爆破手段，实现定向控制爆破精度的爆破技术。

它是在断裂布置上采用较小冲击量和合理的冲击定向，通过多排集断裂和定向布置，实现更高效控制的采矿、油气开采爆破技术。

断裂密集爆破的关键技术定义有：冲击量、冲击定向、断裂集合规律、定向布置等。

断裂密集爆破的研究主要包括两个方面：一是对爆破的物理指标的研究，包括爆轰压力、爆炸物波及范围、火山爆口直径等；二是对爆破场景模拟及优化分析，包括爆炸模拟、断裂通道模拟、爆轰偏转模拟等。

断裂密集爆破技术的研究，必须结合实际工程，深入分析爆破所涉及的地质结构、爆轰型式、影响因素以及冲击量要求等各方面因素，以及爆破效果模拟分析等技术，研究断裂采矿、油气开采的定向控制断裂爆破技术。

主要内容如下：1.对采矿、油气开采各项工程爆破，系统研究断裂充填和控制爆破的技术和方法；2.过对不同爆轰型式及地质结构的分析，研究断裂埋设技术、定向爆破布置技术、断裂火山爆破技术及其规律；3.究爆破效率、气体排量、破岩粉化程度及断裂布置技术的优化等；4.强实验室理论研究，研究不同条件下的断裂爆破的数值模拟，探究爆破过程中涉及参数的优化研究；5.合实际工程，开展爆破安全性及爆破效率的检验，力求提高工程爆破技术水平；6.展大型实验，持续发现断裂爆破新方法、新技术，探究较大规模断裂爆破技术的可行性及其应用性；定向控制断裂爆破技术的研究，既要有针对性地深入研究各方面参数和爆破效果，另外也要注重实际工程的检验，提高爆破技术的应用水平，最终打造具有高精度、高效率和安全性的工程爆破技术。

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究爆破作为一种采矿和工程开拓方法，可以被用来破坏地表和建筑物等大型目标，为了降低环境污染和结构损坏，爆破技术在不断改进。

在过去几十年里，研究者们致力于研发新型爆破技术，其中定向控制断裂爆破技术（DCC）是一项具有重要意义的工作。

定向控制断裂爆破技术是一种矿山爆破技术，主要用于控制断裂的发展方向，使其与设计的断裂轴线完全一致，从而可以提高断裂的深度，节约能量和减少矿石残留量，以使爆破作业更加高效和安全。

因此，研究定向控制断裂爆破技术可以帮助矿山公司更有效地开采矿石，降低环境污染，提高社会经济效益。

定向控制断裂爆破技术的研发，主要集中在以下几个方面：爆破参数设置，爆破波传播计算，断裂轴线计算，爆破效果评价和安全控制。

爆破参数设置是定向爆破技术的关键，除了传统的爆破参数设置外，还包括孔距、爆药量、爆药硬度等参数，以及爆破波在定向控制断裂爆破中的传播路径。

爆破波传播计算是评价断裂深度和断裂发展方向的基础，为爆破效果评价提供参考。

断裂轴线计算和爆破效果评价是定向控制断裂爆破技术最重要的两个方面，它们用于检测断裂的深度和方向，从而控制断裂的发展方向，使其与设计的断裂轴线完全一致，从而提高爆破作业的效率。

最后，安全控制被认为是爆破技术的最重要条件，它要求具有良好的安全监控和保护设备，以确保爆破作业的安全进行。

定向控制断裂爆破技术在工程应用上非常有用，以深度控制断裂、减少塌陷和改善破坏程度等方面具有明显的优势。

定向技术可以有效地控制断裂发展的方向，达到节省爆药的目的。

它也可以确保爆破作业的安全，减少爆破活动所产生的环境影响。

综上所述，定向控制断裂爆破技术具有很多优势，对矿山爆破技术和工程开发具有重要意义，值得进一步研究和发展。

做到这一点，需要建立完善的实验设施，采取有效的测试方法，开展系统化研究，从而最终确定定向断裂爆破技术的可行性和安全性，为工程爆破活动提供新的生产手段。

定向控制断裂爆破技术是在过去几十年里渐渐发展起来的一种新型矿山爆破技术，它旨在控制断裂的轴线方向，并有效改善矿山爆破作业的效率，降低环境污染，提高社会经济效益。

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究随着日益加快的城市化进程，建设有效节能环保的建筑物已成为当今社会的热门话题。

定向控制断裂爆破技术（DCRFP）是建筑领域研究的一项重要技术，可以实现安全、高效的拆除。

定向控制断裂爆破技术是一项针对拆除工程的有效技术，能够实现高精度的拆除效果。

通过对爆炸物的比例控制和位置控制，可以控制爆破的效果，实现最佳的拆除效果。

该技术得到了广泛的应用，在船舶回收、铁路建设和建筑物拆除等领域都有不错的效果。

定向控制断裂爆破技术主要包括:爆破孔设计，包括规则孔、深孔、定位孔及爆破构造等;爆破药品的选择和使用;炸药的安装，比如炸药的垂直度、炸线的深度等;爆破参数的设置，如时间间隔、爆破量、半径等;控制爆破数量，控制地质断裂和形态变化等。

研究定向控制断裂爆破技术，需要综合考虑地震波在实践中的传播特性、爆破产物对爆破结构的影响等因素，并采用相应的理论模型和方法，进行数值模拟和试验验证，以保证施工安全性和技术效果。

首先，根据建筑结构特点，确定理想的爆破方式，为研究爆破孔设计提供依据。

基于相应的有限元理论模型，预测和分析爆破的效果，以及爆破引起的地震波的传播特性，并根据建筑结构特点，确定爆破参数。

其次，研究爆破药品的选择和使用，确定爆破药品在爆破孔中的装药量和排斥率，以及爆破孔的形状、深度等。

最后，根据爆破参数及爆破药品进行实际爆破，通过实测地震信号分析和资料分析，评估爆破质量和安全性，以达到最优的拆除效果。

综上，定向控制断裂爆破技术的研究是一项极为复杂的领域，要求研究者需具备相当深的理论知识和丰富的实践经验，以确保研究结果准确、可靠。

对此，尽管存在一定的技术难度，但有望在今后通过深入研究，探索出更多更有效的实践方法，为大量建筑物的拆除工程提供更多的帮助。

文中的研究工作开展了较为深入的研究，另外，在未来的研究中，也可以从定向控制断裂爆破技术的其它方面入手，比如对爆破孔的个性化设计及爆炸产物的运动轨迹控制等，来探索更多应用前沿。

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究爆破技术是现代建筑工程的重要组成部分。

爆破技术的发展有助于提高工程质量、改善工期、降低成本和减少施工危险。

定向控制断裂爆破技术是爆破技术的一种，它的研究能够实现工程施工的精确控制和安全、有效的施工过程。

定向控制断裂爆破技术是一种针对施工工艺要求特别高的爆破技术。

断裂爆破技术通过将一系列爆炸装置精确地安置在爆破物质中，使断裂方向能够满足施工工艺要求，从而达到精确控制断裂的效果。

同时，断裂爆破还可以有效的减少环境噪声，提高施工安全。

定向控制断裂爆破技术的研究包括以下几个方面：（1）爆破物质特性研究。

在爆破物质中，物质的性质、颗粒度、弹性和密度等质量参数都会影响断裂爆破的效果。

因此，研究者需要对爆破物质特性进行详细研究，以便调整断裂爆破装置的安装位置、数量以及爆炸时机，为定向控制断裂爆破技术的安全使用提供依据。

（2）安全性研究。

安全性是定向控制断裂爆破技术的研究的重要方面。

研究者需要探讨爆破装置安装位置、断裂深度及断裂幅度等参数分别对定向控制断裂爆破技术的安全性以及施工效率的影响，力求在保证安全性的前提下，将断裂爆破的效率提高到最大。

（3）应用技术的研究。

定向控制断裂爆破技术的开发和应用对实际施工工艺有着重大的意义，无论是研究者还是工程施工者都需要探索和研究应用技术，以便将定向控制断裂爆破技术应用到实际的施工当中，进一步改善爆破施工的效率和安全性。

以上是定向控制断裂爆破技术的研究内容。

定向控制断裂爆破技术的研发和应用不仅对施工效率和安全性有很大的提高，而且还能有效降低施工成本，满足现代建筑施工需求。

定向控制断裂爆破技术仍需要不断改进和完善，但是它作为一项新兴技术已经在建筑行业中取得了显著的效果。

未来，定向控制断裂爆破技术将会成为施工行业的一项重要工具，可以为社会提供更多的技术支持。

总之，定向控制断裂爆破技术是一种新兴的爆破技术，它的研究和发展可以有效提高施工效率和安全性，降低施工成本，满足现代建筑施工需求。

切缝药包聚能控制爆破在立井硬岩快掘中的应用研究

个．眼距由６００ｒｎｍ增大至８００ａｍ实施聚能控制爆破。现场爆破应用效果表明：切缝药包聚能控ｒ
制爆破可显著提高立井爆破炮孔利用率和眼痕率，半眼痕率增加了５２％，周边不平整度在＋５ｃｍ，周边眼切缝药包降低爆破对围岩的扰动损伤，改善了光面爆破效果，有利于提高立井掘进速度。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓｈａｆｔｂｌａｓｔｉｎｇｈｏｌｅ，ｐｏｏｒｓｈａｐｉｎｇ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｅａｍｃａｒｔｒｉｄｇｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌａｆｒａｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｂｌａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓａｐｐｌｉｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｕｔｔｕｂｅｃｈａｒｇｅｉｎｔｈｅｃｏｎｔｏｕｒｈｏｌｅ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｓｉｎｇｌｅｈｏｌｅｃｈｒｇａｅ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃｏｎｔｏｕｒｈｏｌｅｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ５２ｔｏ３５，ｈｏｌｅｄｉｓｔａｎｃｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ６００ｍｍｔｏ８００ｍｍｎｄａｈｅｔｃｏｎｔｒｏｌｂｌａｓｔｉｎｇｗａｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｆｉｅｌｄｂｌａｓｔｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ

切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究

切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究丁晨曦1,2)，杨仁树1,2,3)✉，陈程1,2)，马鑫民3)，康一强3)，赵勇1,2)1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083✉通信作者，E-mail ：*************.cn摘要为了探究切缝药包爆破定向裂纹与张开节理的相互作用过程，采用动态焦散线方法，结合高速摄影技术，开展了爆破模型实验研究. 研究结果表明，张开节理对切缝药包爆破定向裂纹的扩展有阻滞作用，定向裂纹不会穿过张开节理继续扩展，而是在经过与节理相互作用后在节理端部产生两条翼裂纹. 当定向裂纹垂直入射时，节理两端的受力状态基本相同，两条翼裂纹的起裂和扩展行为基本一致，两条翼裂纹的分布状态基本对称. 张开节理的几何特征对翼裂纹起裂时的动态应力强度因子有显著影响，一定程度上决定了翼裂纹起裂的难易程度. 当定向裂纹倾斜入射时，节理两端的受力状态存在差异，靠近定向裂纹入射点的一端能够获得更多的起裂能量，从而优先起裂和扩展，并形成更长的翼裂纹.关键词切缝药包；爆破；张开节理；焦散线；裂纹扩展分类号 TD235Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blastingDING Chen-xi 1,2)，YANG Ren-shu 1,2,3)✉，CHEN Cheng 1,2)，MA Xin-min 3)，KANG Yi-qiang 3)，ZHAO Yong 1,2)1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China2) Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China3) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083,China✉Corresponding author, E-mail: *************.cnABSTRACT To explore the interaction between directional crack and open joint in slit charge blasting, a dynamic caustics method andhigh-speed photography technology were used to carry out the blasting model experiment. In the model experiment, the polymethyl methacrylate (PMMA) was used as the specimen material, the lead azide (Pb(N 3)2) was used as the explosive, and a 3D printed resin material was used as the slit tube. Additionally, varying shapes of the open joint were prefabricated in the specimen. The failure mode of the specimen was described in detail, the initiation and propagation process of the wing crack at two ends of the joint was also analyzed.Research results show that the open joint has a retarding effect on the propagation of the directional crack in slit charge blasting. The directional crack will not continue to propagate through the open joint, but it will produce two wing cracks at the ends of the joint after interacting with the joint. When the directional crack is incident perpendicular to the open joint, the stress state at both the ends of the joint and the initiation and propagation behavior of the two wing cracks are the same, and the distribution state of the two wing cracks is symmetric. The geometric characteristics of the open joint have a significant impact on the dynamic stress intensity factor when the wing收稿日期: 2021−02−15基金项目: 中国博士后科学基金资助项目（2020M680354）；国家自然科学基金资助项目（51934001，52074301）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-TP-20-044A1）工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：894−902，2021 年 7 月Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 894−902, July 2021https:///10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001; crack is initiated. Moreover, it determines the difficulty of the wing crack initiation to some extent. When the directional crack is incident obliquely, the stress state of the two ends of the joint is different. The end, which is close to the incident point of the directional crack, exhibits more crack initiation energy so that the crack is initiated and propagated preferentially and a longer wing crack is formed.KEY WORDS slit charge；blasting；open joint；caustics；crack propagation切缝药包定向断裂控制爆破技术能够有效控制爆炸能量的释放，实现爆生裂纹的定向扩展，从而减少周边岩体的超、欠挖，保障岩石井巷的周边成型质量. 随着岩石井巷爆破工程量的增加，切缝药包爆破技术正发挥着越来越重要的作用. 近年来，许多科研工作者围绕切缝药包和聚能装药爆破的基础理论开展了研究[1−3]. 其中，杨仁树等[4]通过高速纹影实验和超压测试技术分析了切缝药包爆破后爆炸波动流场的变化规律，指出爆生气体优先沿切缝方向释放，切缝方向的应力峰值远大于非切缝方向的，有利于沿切缝方向优先形成裂纹. 程兵等[5]基于光滑粒子流体动力学方法−有限单元方法（SPH−FEM）耦合方法研究了切缝药包的爆破机理，具体分析了切缝药包爆破的爆轰产物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩体的损伤演化历程. Yue等[6]采用动态焦散线实验方法研究了切缝药包爆破的裂纹扩展行为，发现了相邻炮孔间裂纹相互勾连的分布特征. 此外，进一步的研究结果指出切缝药包爆破的定向断裂效果主要受到切缝宽度和不耦合系数的影响[7−9].天然岩体中不可避免地存在节理等缺陷，而节理对爆炸应力波的传播和爆生裂纹的扩展都有着显著的影响[10−12]. 赵安平等[13]认为在节理岩体中爆破时，炸药爆炸能量主要被限制在炮孔和附件的节理面之间，从而导致炮孔附近区域过于破碎，不利于爆破能量的有效利用. 谢冰等[14]指出炮孔间的节理对预裂爆破成缝效果有显著的影响，预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直. 进一步的研究结果表明，受压闭合节理在爆炸应力波的作用下会在节理端部起裂并扩展形成翼裂纹，该翼裂纹的起裂角度和扩展形态受到初始压应力和爆炸应力波的共同影响[15]. 此外，岩石爆破效果还受到节理方位和节理角度的影响[16−17].由此可见，有关切缝药包爆破机理的研究已经取得丰富研究成果，爆破荷载作用下含节理岩体的动态响应也越来越受到人们的关注. 然而，切缝药包爆破作用下的节理起裂和扩展等动态行为的研究还不够深入，节理对切缝药包爆破定向裂纹扩展过程的影响效应值得深入探讨. 基于此，本文结合高速摄影和动态焦散线方法，开展切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的模型实验研究，分析张开节理对定向裂纹扩展的影响，阐明定向裂纹作用下的节理起裂和扩展机制.1 爆破模型实验设计1.1 试件参数采用有机玻璃（PMMA）作为爆破模型实验的试件材料，PMMA在冲击和爆炸荷载作用下具有与岩石材料类似的动态断裂特征，并具有较好的应力光学特性，被广泛用作爆破模型实验的试件材料[18−21]. PMMA的动态弹性模量为6.1 GPa，泊松比为0.31. 图1为试件的示意图，试件尺寸为400 mm×300 mm×5 mm，在试件上采用激光切割的方法预制炮孔和节理. 具体地，炮孔半径R=4 mm，炮孔中心到节理的垂直距离为40 mm，节理MN两个端点M和N之间的距离为b=40 mm，节理左侧面到端点M和N的距离为a. 激光切割的线宽约为0.3 mm，因此，采用激光切割的节理面之间存在约0.3 mm的缝隙，试件中的节理为张开节理. 根据距离a取值的不同，本模型实验共分为3组进行，主要研究节理几何特征对切缝药包爆破定向裂纹与节理相互作用过程的影响. 3组模型实验分别记为：S1组（a=0 mm，节理为直线型），S2组（a=10 mm，节理为半椭圆型），S3组（a=20 mm，节理为半圆型）. 每组进行3次重复实验.图 1 试件示意图Fig.1 Diagram of the specimen丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究· 895 ·如图2所示，实验中切缝药包管壳为采用树脂材料通过3D 打印技术制作而成. 其中，切缝药包管壳的外径为8 mm ，管壳厚度为1 mm ，切缝宽度为0.7 mm ，切缝长度为3 mm. 模型实验中所采用的炸药为叠氮化铅（Pb(N 3)2），Pb(N 3)2是一种起爆药，适用于小药量的模型实验研究. Pb(N 3)2的爆热为1524 kJ·kg −1，爆容为308 L·kg −1，爆速为4478 m·s −1.实验中，在切缝药包管壳内装填Pb(N 3)2，单孔装药量为35 mg ，将金属探针插入炸药中，通过高压放电起爆炸药实现对试件的爆炸加载.1.2 实验原理与系统本模型实验主要采用动态焦散线方法[22−24]来研究切缝药包爆破定向裂纹及节理起裂和扩展过程中的动态行为. 图3为动态焦散线方法的原理示意图，裂纹尖端局部区域在应力的作用下对光线的透射特性产生影响，导致垂直入射的光线在透射后会发生偏转，使得参考平面的局部区域无光线投射，形成暗区. 暗区的轮廓线被称为焦散线，焦散线的形状和尺寸分别反映了裂纹尖端的受力状态和应力集中程度. 图3中，σ为试件所受的应力，D 为焦散线的特征尺寸，Z 0为试件平面到参考平面的距离.Bright areaReference plane Mode I causticsMode I crackBright area图 3 动态焦散线方法的原理示意图Fig.3 Principle diagram of the dynamic caustics method基于动态焦散线方法，采用数字激光动态焦散线实验系统开展实验研究. 由于爆破加载的瞬态性，为了捕捉实验中切缝药包爆破定向裂纹及节理起裂和扩展的全过程，实验系统中高速相机的拍摄速度设定为每帧100000 s −1，即相邻两张照片之间的时间间隔为10 μs.2 试件破坏形态与裂纹分布3组实验完成后，对照分析发现组内试件的破坏形态具有很好的可重复性，每组实验随机抽取1个试件进行分析，分别记为试件S1−1、S2−1和S3–1. 图4为爆破后试件破坏形态与裂纹分布，切缝药包爆破后，沿切缝方向（水平方向）形成了两条平直的定向裂纹，并在非切缝方向形成了数条较短的爆生次裂纹，切缝药包爆破达到了良好的定向断裂效果. 其中，3个试件的左侧定向裂纹A1、A3和A5沿切缝方向扩展至贯穿试件；而右侧定向裂纹A2、A4和A6则沿切缝方向扩展至节理处，均未穿过节理. 由此可见，与闭合节理或充填节理不同的是，张开节理对裂纹的扩展具有显著的阻滞作用，显著影响了切缝药包爆破定向裂纹的扩展. 此外，3个试件均在节理端部M 和N 处萌生并扩展出翼裂纹，两端翼裂纹的扩展形态和分布状态基本相同.对节理端部M 和N 处萌生并扩展的翼裂纹长度l 及其与切缝方向（水平方向）的夹角θ进行测量和统计，统计结果如表1所示. 同一试件节理端部产生的两条翼裂纹长度及其与切缝方向夹角基本相同，3个试件的翼裂纹长度平均值分别为57.7、51.4和61.8 mm ，3个试件的翼裂纹与切缝方向的夹角平均值分别为10.4º、11.1º和14.3º. 可见，节理的几何特征对翼裂纹起裂夹角和扩展长度均有影响. 其中，试件S2–1的翼裂纹扩展长度最小，而试件S3–1的翼裂纹扩展长度最大.图 2 3D 打印的切缝药包管壳Fig.2 Slit charge tube by 3D printing· 896 ·工程科学学报，第 43 卷，第 7 期3 定向裂纹与节理相互作用分析3.1 相互作用过程以炸药起爆时刻记为t =0 μs ，图5所示为3个试件在爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片. 实验中，高速相机的拍摄视场越大，拍摄速度越低. 因此，受限于高速相机的性能，在保证拍摄速度的前提下，高速相机只能拍摄一侧定向裂纹的扩展过程. 对于试件S1–1，炸药爆炸后，爆炸应力波由炮孔向四周传播，t =20 μs 时，爆炸应力波传播至节理处并发生发射，切缝药包爆破产生的定向裂纹A2在高速相机视场中出现. t =60 μs 时，定向裂纹A2扩展至节理中部位置，这一过程中，节理端部在爆炸应力波的作用下未发生明显的应力集中，端部翼裂纹未起裂. 随后，定向裂纹A2与节理相互作用，大约20 μs 以后，即t =80 μs 时，节理端部发生明显的应力集中并出现焦散线，与此同时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹B1和B2. 此后，两条翼裂纹持续扩展，直至t =220 μs ，翼裂纹止裂. 对于试件S2–1，爆炸应力波传播至节理处时，在节理面处反射，在节理端部绕射，导致节理端部发生明显的应力集中并出现焦散线. 在爆炸应力波的作用下，节理端部虽然发生应力集中，但未发生翼裂纹起裂. 随后，t =60 μs 时，定向裂纹A4扩展至节理中部位置并与节理相互作用，t =80 μs 时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹B3和B4，两条翼裂纹持续扩展直至止裂. 与试件S2–1类似，对于试件S3–1，节理端部在爆炸应力波的作用下发生应力集中，但始终未发生翼裂纹起裂，直至t =50 μs 时，定向裂纹A6扩展至节理中部位置并与节理相互作用，随后t =80 μs 时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹B5和B6，并于t =230 μs 时，翼裂纹止裂.通过对上述3个试件的裂纹起裂和扩展过程进行对比，可以发现，切缝药包爆破产生的爆生气体主要沿切缝方向释放，是定向裂纹起裂和持续扩展的主要动力. 此外，试件S1–1的节理端部在爆炸应力波的作用下未产生应力集中，而试件S2–1和试件S3–1的节理在爆炸应力波的作用下却产生显著的应力集中，这主要是由于节理端部切线方向与爆炸应力波入射方向夹角的差异导致的. 但即使如此，爆炸应力波作用下的节理端部应力集中仍未达到起裂韧度，试件S2–1和试件S3–1节理端部并未在爆炸应力波的作用下发生起裂和扩展行为. 3个试件节理端部均在定向裂纹与节理相互作用后的20～30 μs 时发生翼裂纹的起裂. 因此，节理端部翼裂纹的起裂不仅仅是爆炸应力波作用的结果，更是由定向裂纹与节理相互作用而直接导致的. 3组实验中，切缝药包爆破定向裂纹的扩展方向垂直于节理（定向裂纹垂直入射），使得定向裂纹与节理相互作用后，节理端部M 和N 的受力状态基本一致，最终使得两端翼裂纹的扩展行为和分布状态基本对称.为了进一步探究定向裂纹与节理的相互作用过程，验证定向裂纹扩展方向对节理端部翼裂纹表 1 翼裂纹长度及其与切缝方向的夹角统计表Table 1 Lengths of the wing cracks and their included angles with the slitsWing crackSpecimen S1-1Specimen S2-1Specimen S3-1B1B2Average valueB3B4Average valueB5B6Average valueLength / mm 56.858.557.750.352.551.463.160.461.8Angle / (º)10.210.610.411.610.611.113.814.814.3A1(a)(b)(c)A2B1B2A3A4B3B4A5A6B5B6图 4 爆破后试件破坏形态与裂纹分布. （a ）试件S1-1；（b ）试件S2-1；（c ）试件S3-1Fig.4 Fracture patterns and crack distributions of the specimens after blasting: (a) specimen S1-1; (b) specimen S2-1; (c) specimen S3-1丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究· 897 ·起裂和扩展行为的影响，在上述3组实验的基础上设计了1组验证实验，记为S4组，验证实验S4组的试件参数参照S1组，只是验证实验组的切缝方向与水平方向夹角为30º，使得定向裂纹扩展方向倾斜，从而改变定向裂纹与节理相互作用的入射角度. 在S4组中随机抽取一个试件进行分析，记为试件S4–1，图6为试件S4–1爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片，t =60 μs 时，切缝药包爆破产生的定向裂纹A7倾斜进入节理. 在定向裂纹A7的作用下，节理端部N 处先发生应力集中并起裂形成翼裂纹B8，随后节理端部M 处也发生应力集中并起裂形成翼裂纹B7. 此后，两条翼裂纹持续扩展直至止裂，可以发现，在翼裂纹扩展过程中，先起裂翼裂纹B8的尖端焦散线尺寸始终明显大于后起裂翼裂纹B7，说明翼裂纹B8的尖端应力集中程度较大，最终导致翼裂纹B8的扩展长度显著大于翼裂纹B7. 这主要是由于定向裂纹A7入射角度的差异，导致定向裂纹A7在与节理相互作用过程中的能量优先在节理端部N 处释放. 验证实验组的分析进一步证明节Joint ClampBlasting stress wavet =10 μst =20 μst =30 μs Directional crack A2Caustics CausticsB1B2t =50 μst =60 μst =80 μsB1B2t =110 μst =150 μst =220 μs(a)Blasting stress wave Reflected stress waveCausticst =10 μs t =30 μs t =40 μsDirectional crack A4CausticsB3B4t =50 μst =60 μst =80 μsB3B4t =100 μst =150 μst =210 μs(b)· 898 ·工程科学学报，第 43 卷，第 7 期理端部翼裂纹的产生是切缝药包爆破定向裂纹直接作用的结果. 此外，定向裂纹的入射角度对节理端部翼裂纹起裂时间、扩展过程和扩展长度都有着重要影响.3.2 翼裂纹的起裂和扩展动态应力强度因子是表征裂纹尖端应力集中程度的物理量，通过对裂纹尖端焦散线相关特征尺寸的测量，结合动态应力强度因子（K Ⅰd ）的计算公式[25−26]，可得到裂纹起裂和扩展过程中动态应力强度因子随时间的变化曲线. 上文分析表明，试件S1–1、S2–1和S3–1的节理端部两条翼裂纹的扩展过程和分布形态基本对称，故每个试件只选取1条翼裂纹开展对比分析. 图7为翼裂纹B1（试件S1–1）、B3（试件S2–1）和B5（试件S3–1）起裂前后动态应力强度因子随时间的变化曲线. 3条翼裂纹的起裂时间均为t =80 μs 时，翼裂纹B3和MNDirectional crack A7Causticst =10 μst =20 μst =40 μst =60 μst =70 μs t =80 μs t =100 μs t =180 μsB7B8图 6 验证实验组试件S4–1爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片Fig.6 Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation in specimen S4–1 during blastingDirectional crack A6Causticst =10 μst =30 μst =40 μsB5B6t =50 μst =60 μst =80 μsB5B6t =100 μst =160 μst =230 μs(c)图 5 爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片. （a ）试件S1-1；（b ）试件S2-1；（c ）试件S3-1Fig.5 Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation during blasting: (a) specimen S1-1; (b) specimen S2-1; (c) specimen S3-1丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究· 899 ·B5起裂前的动态应力强度因子随着时间的增加而逐渐增加. 结合上文对翼裂纹起裂和扩展过程的分析，在翼裂纹起裂前，爆炸应力波的作用是前期动态应力强度因子增加的直接原因，而定向裂纹的作用导致了后期动态应力强度因子的增加. 翼裂纹B1、B3和B5起裂时的动态应力强度因子分别为0.44×106、0.98×106和0.55×106 N·m−3/2. 其中，翼裂纹B1起裂时的动态应力强度因子最小，翼裂纹B3起裂时的动态应力强度因子最大. 表明试件S1–1的节理端部最易起裂，而试件S2–1的节理端部最难起裂. 可见，节理的几何特征影响了节理端部翼裂纹的起裂行为. 具体地，直线型节理端部最易起裂，半圆型节理端部起裂时的动态应力强度因子是直线型节理的1.25倍，而半椭圆型节理端部最难起裂，其起裂时的动态应力强度因子是直线型节理的2.23倍. 此外，翼裂纹起裂时的动态应力强度因子为整个起裂和扩展过程中的最大值. 翼裂纹起裂后，由于定向裂纹与节理的相互作用，动态应力强度因子虽有所衰减，但在翼裂纹的扩展前期仍能保持较大的数值，翼裂纹扩展过程中的翼裂纹动态应力强度因子存在“平台期”. 在翼裂纹扩展后期，定向裂纹与节理的相互作用逐渐减弱，动态应力强度因子迅速衰减，直至翼裂纹止裂.图 7 试件S1–1、S2–1和S3–1的翼裂纹起裂前后动态应力强度因子随时间变化曲线Fig.7 Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in specimens S1–1, S2–1, and S3–1进一步地，对比分析定向裂纹垂直入射和倾斜入射两种情况下翼裂纹的起裂和扩展行为. 图8为翼裂纹B1（试件S1–1）、B7（试件S4–1）和B8（试件S4–1）起裂前后动态应力强度因子随时间的变化曲线. 可以发现，试件S4–1的2条翼裂纹B7和B8的动态应力强度因子数值存在显著差异. 翼裂纹B1和B7的起裂时间相同，均为t=80 μs；翼裂纹B8的起裂时间相对较早，为t=70 μs. 翼裂纹B7起裂时的动态应力强度因子为0.43×106 N·m−3/2，与翼裂纹B1起裂时的动态应力强度因子基本相同；而翼裂纹B8起裂时的动态应力强度因子达到了0.68×106 N·m−3/2，显著大于翼裂纹B1和翼裂纹B7的. 定向裂纹的倾斜入射造成了节理两端受力特征的差异性，定向裂纹优先作用于节理端部N处，导致能量优先集聚，翼裂纹B8优先起裂并在扩展过程中携带更多的能量. 起裂后，翼裂纹B7的动态应力强度因子迅速衰减并率先止裂，翼裂纹B8的动态应力强度因子虽然在扩展前期衰减较快，较大的携能仍能维持其较长时间的持续扩展. t>180 μs时，翼裂纹B8的扩展超出高速相机拍摄视场（图6），导致裂纹扩展后期的动态应力强度因子数据缺失. 通过对3条翼裂纹的扩展长度进行测量并对比，发现翼裂纹B8的扩展长度最长，而翼裂纹B7的扩展长度最短.图 8 试件S1–1和S4–1的翼裂纹扩展过程中动态应力强度因子随时间变化曲线Fig.8 Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in specimens S1–1 and S4–14 结论切缝药包爆破能够产生两条沿切缝方向扩展的定向裂纹. 与闭合节理或充填节理不同的是，张开节理对定向裂纹的扩展具有显著的阻滞作用.定向裂纹不会穿过张开节理继续扩展，而会在节理端部产生两条翼裂纹. 张开节理的几何特征对翼裂纹的扩展角度和扩展长度都有显著影响. 分析表明，爆炸应力波作用下，张开节理端部能否产生显著的应力集中现象也很大程度上取决于节理几何特征和应力波入射角度. 本实验条件下，爆炸应力波的作用都未能导致翼裂纹的起裂，切缝药包爆破定向裂纹与节理的相互作用是翼裂纹起裂和扩展的直接动因. 在定向裂纹垂直入射节理的· 900 ·工程科学学报，第 43 卷，第 7 期情况下，不同几何特征节理的翼裂纹在起裂时的动态强度因子也存在显著差异，节理的几何特征决定了翼裂纹起裂的难易程度.此外，定向裂纹与张开节理相互作用时的入射角度对节理端部翼裂纹的起裂和扩展行为有显著影响. 当定向裂纹垂直入射时，节理两端的受力状态基本相同，两条翼裂纹的起裂和扩展行为基本一致，两条翼裂纹的分布状态基本对称. 当定向裂纹倾斜入射时，节理两端的受力状态存在差异，靠近定向裂纹入射点的一端能够获得更多的起裂能量，从而优先起裂和扩展，并形成更长的翼裂纹.参考文献Guo D Y, Zhao J C, Zhu T G, et al. Crack propagation andcoalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam. Chin J Eng , 2020, 42（12）: 1613（郭德勇, 赵杰超, 朱同功, 等. 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理. 工程科学学报, 2020, 42（12）：1613）[1]Xu P, Chen C, Guo Y, et al. Experimental study on crackpropagation of slit charge blasting in media with vertical bedding plane. J Min Sci Technol , 2019, 4（6）: 498（许鹏, 陈程, 郭洋, 等. 含垂直层理介质在切缝药包爆破下裂纹扩展行为的试验研究. 矿业科学学报, 2019, 4（6）：498）[2]Yang R S, Zhang Z R, Yang L Y, et al. Cumulative blastingexperiment study of slotted cartridge based on hard-rock rapid driving technology. Chin J Rock Mech Eng , 2013, 32（2）: 317（杨仁树, 张召冉, 杨立云, 等. 基于硬岩快掘技术的切缝药包聚能爆破试验研究. 岩石力学与工程学报, 2013, 32（2）：317）[3]Yang R S, Yang G L, Gao X T. Theory and Practice ofDirectional Fracture Controlled Blasting . Beijing: Science Press,2017（杨仁树, 杨国梁, 高祥涛. 定向断裂控制爆破理论与实践. 北京: 科学出版社, 2017）[4]Cheng B, Wang H B, Zong Q. Numerical simulation on blastingmechanism of slotted cartridge based on coupled SPH-FEM algorithm. Chin J Energy Mater , 2020, 28（4）: 300（程兵, 汪海波, 宗琦. 基于SPH-FEM 耦合法切缝药包爆破机理数值模拟. 含能材料, 2020, 28（4）：300）[5]Yue Z W, Yang L Y, Wang Y B. Experimental study of crack propagation in polymethyl methacrylate material with double holes under the directional controlled blasting. Fatigue Fract Eng Mater Struct , 2013, 36（8）: 827[6]Xiao Z X, Lu M, Lu Y S, et al. Dynamic photoelasticity experimental study on influence of slit ’s width on slit chrage ’s blast effect. J PLA Univ Sci Technol Nat Sci , 2006, 7（4）: 371（肖正学, 陆忞, 陆渝生, 等. 切缝宽度对药包爆炸效应影响的动光弹试验. 解放军理工大学学报: 自然科学版, 2006, 7（4）：371）[7]Wang Y B. Study of the dynamic fracture effect using slotted[8]cartridge decoupling charge blasting. Int J Rock Mech Min Sci ,2017, 96: 34Song J S, Wang Y B, Gao X T, et al. The mechanism of directionalfracture controlled blasting and its application. J Min Sci Technol ,2016, 1（1）: 16（宋俊生, 王雁冰, 高祥涛, 等. 定向断裂控制爆破机理及应用.矿业科学学报, 2016, 1（1）：16）[9]Yang R S, Ding C X, Yang L Y, et al. Experimental study on theeffects of joints on the blasting induced cracks propagation. J Vib Shock , 2017, 36（10）: 26（杨仁树, 丁晨曦, 杨立云, 等. 节理对爆生裂纹扩展影响的试验研究. 振动与冲击, 2017, 36（10）：26）[10]Aliabadian Z, Sharafisafa M, Mortazavi A, et al. Wave andfracture propagation in continuum and faulted rock masses:distinct element modeling. Arab J Geosci , 2014, 7（12）: 5021[11]Deng X F, Zhu J B, Chen S G, et al. Numerical study on tunneldamage subject to blast-induced shock wave in jointed rock masses. Tunnelling Underground Space Technol , 2014, 43: 88[12]Zhao A P, Feng C, Guo R K, et al. Effect of joints on blasting andstress wave propagation. Chin J Rock Mech Eng , 2018, 37（9）:2027（赵安平, 冯春, 郭汝坤, 等. 节理特性对应力波传播及爆破效果的影响规律研究. 岩石力学与工程学报, 2018, 37（9）：2027）[13]Xie B, Li H B, Wang C B, et al. Numerical simulation of presplitblasting influenced by geometrical characteristics of joints. Rock Soil Mech , 2011, 32（12）: 3812（谢冰, 李海波, 王长柏, 等. 节理几何特征对预裂爆破效果影响的数值模拟. 岩土力学, 2011, 32（12）：3812）[14]Yang R S, Ding C X, Yang L Y, et al. Model experiment ondynamic behavior of jointed rock mass under blasting at high-stress conditions. Tunnelling Underground Space Technol , 2018,74: 145[15]Hu R, Zhu Z M, Zhang X Y, et al. Effect of joint orientation onrock blasting. J Sichuan Univ Eng Sci , 2012, 44(S2): 41（胡荣, 朱哲明, 张晓燕, 等. 节理方位对岩石爆破的影响规律.四川大学学报: 工程科学版, 2012, 44(增刊2): 41）[16]Qu S J, Liu J F. Numerical analysis of joint angle effect oncracking with presplit blasting. Rock Soil Mech , 2015, 36（1）: 189（璩世杰, 刘际飞. 节理角度对预裂爆破成缝效果的影响研究.岩土力学, 2015, 36（1）：189）[17]Yang R S, Ding C X, Li Y L, et al. Crack propagation behavior inslit charge blasting under high static stress conditions. Int J Rock Mech Min Sci , 2019, 119: 117[18]Li M, Zhu Z M, Liu R F, et al. Study of the effect of empty holeson propagating cracks under blasting loads. Int J Rock Mech Min Sci , 2018, 103: 186[19]Li Q, Xu W L, Guo Y, et al. Propagation law of blasting crack atend of cylinder blasthole under uniaxial static pressure. J Vib Shock , 2020, 39（13）: 91（李清, 徐文龙, 郭洋, 等. 单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹的扩展规律. 振动与冲击, 2020, 39（13）：91）[20]丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究· 901 ·。

定向控制断裂爆破技术的研究

定向控制断裂爆破技术的研究近年来，随着建筑物结构不断复杂化，安全性和可靠性的要求也越来越高，断裂爆破技术即定向控制断裂爆破技术，在结构施工、地质勘探和环境保护等行业中发挥着越来越重要的作用。

向控制断裂爆破技术是指将炸药置入洞，经过精确计算和特殊设计，实现特定方向的断裂爆破。

这种技术具有准确性高、破坏局部小、破坏范围可控、断裂效果均匀、断裂效果可预测等优点，可以有效减少施工成本，并且在某些情况下可以代替传统爆破方法，如果采用不同的断裂爆破技术可以实现相应的技术效果。

第一部分，定向控制断裂爆破技术的结构原理，定向控制断裂爆破技术是根据爆破物理原理设计制定的。

断裂爆破具有良好的定向性，可以根据地形条件和地质状况确定爆破方向，以实现定向控制断裂效果。

首先，爆破物理学分析断裂爆破的物理过程。

断裂爆破的整个爆爆过程可以分为三个阶段：断裂爆破前的物理现象，断裂爆破瞬间，和断裂爆破后的残留物理现象。

其中，断裂爆破前的物理现象是指通过炸药的作用，产生压力波，压力波穿过岩石，使岩石内部出现微小裂纹，最终增加断裂爆破的效果；断裂爆破瞬间，即当炸药燃烧爆炸后，传播的冲击波、压力波、热波和明火在空间上瞬间激发断层，产生巨大的冲击力，引发破坏作用；断裂爆破后的残留物理现象，也就是岩石被炸裂之后，会经过一定的时间，岩石保持布满裂纹等物理现象。

第二部分，定向控制断裂爆破技术在施工、地质勘探和环境保护等方面的应用。

1、在建筑施工中，定向控制断裂爆破技术可以有效地满足建筑施工的安全要求，既可以减少建筑物质量，又能保证施工断裂均匀，避免劳动力消耗，为建筑工程的施工提供有效的帮助。

例如，可以采用定向控制断裂爆破技术来分割不同大小的建筑物，以便顺利完成施工，而不影响其他建筑物。

2、在地质勘探中，定向控制断裂爆破技术可以有效控制地质状况，准确探测地层，以便及早发现各种风险，避免不可逆的损失。

3、在环境保护方面，定向控制断裂爆破技术可以有效减少对空气、水和水土流失的影响，同时可以实现节约能源，为环境增添绿色能源，保护地球环境。

定向断裂控制爆破

4.2 切槽深度a

对于不同特性的岩石和炸药，应选取不同的切槽深度，根据Jams，W. Dally，W.L Founery等人的研究，对于大多数岩石来说，当炮孔内的压力超过 69MPa 时，炮孔周围将产生杂乱的裂隙，断裂面也将难以控制。理论分析表明，相对切槽深度a/R < 0.2 时，a/R的值对临界炮孔压力的影响最敏感，当 a/R > 0.2时，其影响逐渐减少；当a/R > 0.5 时，其影响可忽略不计。随着a/R 值的增大，炮孔临界起裂荷载减少，但a/R 过大，降低效应不很显著，在工程实践中，a/R 过大将导致岩石对切刃的夹持作用增大，机械切槽效率降低，刃具磨损加大，因此建议a= (0.2～0.3)R。

2.主要方法

关于定向断裂控制爆破的方法，国外学者先后提出有15种之多，比较有效而实用的方法有四种，如图1所示： (1)炮孔形状法，即改变炮孔形状，通称切槽爆破； (2)药卷形状法，即改变药卷形状，工程爆破中常用轴对称侧向聚能药包爆破； (3)切缝药包法，即在药柱外套一个预先开有一定宽度的切缝的套管的切缝药包爆破法； (4)空孔导向法，即改变装药结构，保持炮孔和药卷形状不变，工程上一般应用于光面爆破或预裂爆破中。

根据炸药爆轰理论，宗琦认为爆生气体膨胀充满炮孔时的压力为：
式中
PK为临界压力，TNT的PK =280MPa； PW为平均爆轰压力，； 0 ,D分别为炸药的密度和爆速；为装药体积和炮孔体积。
3.切槽爆破的力学效应
爆炸荷载对炮孔壁的作用是由爆炸冲击波的动态作用和爆生气体的准静态压力作用两部分组成。岩石的破碎过程是一个动态过程，平面内的应力状态与静力内压作用是两种性质的应力状态。炸药爆炸前，炮孔壁的位移等于零；炸药爆炸时的一瞬间，孔壁质点获得很高的动量，这部分动量的获得是由于爆炸冲击波引起的，孔壁质点获得的动能随即传递给与之相邻的质点，迅速向四周传播。

切缝药包岩石定向断裂爆破的研究——已经打印

振　动　与　冲　击第25卷第4期JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCK Vol.25No.42006　切缝药包岩石定向断裂爆破的研究收稿日期:2005-04-25　修改稿收到日期:2006-07-28第一作者罗　勇男,博士,1977年生罗　勇1　沈兆武2(11广东宏大爆破工程有限公司,广州　510055;　21中国科学技术大学　力学和机械工程系,合肥　230026) 摘　要　以爆炸力学、岩石断裂力学理论为原理,对切缝药包在岩石定向断裂爆破中的切缝产生及裂纹起裂和扩展进行了一定的研究,同时对该法的爆破参数进行了设计,并在实验室进行模型试验验证其正确性。

实验结果表明切缝管能使爆炸后的能量有方向性地集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,现场初步试验也表明该法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。

最后还指出了该技术还需要有待研究的方向,这些对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。

关键词:爆炸力学,断裂力学,定向断裂爆破,切缝药包中图分类号:T D235 文献标识码:A0　引　言为了获得平整的岩石开挖面和井巷轮廓线,提高石料开采的成材率,减少超(欠)挖,同时,为了降低巷道围岩受损伤的程度,以便提高其稳定性能,普通的光面爆破已经不能适应生产的需求,而在其基础上发展起来的岩石定向断裂爆破得到了广泛的应用。

该爆破方法大体上分为三类[1,2],即切槽孔岩石定向断裂爆破、聚能药包岩石定向断裂爆破和切缝药包岩石定向断裂爆破。

第一类方法的增加了钻孔的难度,加大了辅助工序的时间,且需要采用专用钻具,钻孔效率较低。

第二类方法用药量少,尽管效果很好,但聚能药包制作工艺麻烦,适应性较差,目前药包还难以系列生产。

第三类方法成本低,套管材料一般选用ABS塑料管,取材方便,制作简单,成本低,适应性强,易于推广,尽管对套管力学性质有一定的要求,但若能根据现场生产技术的研究及分析,研究生产,则该爆破技术可以适应复杂多变的现场条件,并能显著提高爆破效果。

切缝药包爆炸波效应实验和模拟研究

切缝药包爆炸波效应实验和模拟研究高祥涛;陈程【摘要】In order to study the directional fracture effect of split-tube charge holder ,the schlieren method was used to study the propagation law of blast wave in the split-tube charge holder in an infinite air free field ,the dynamic caustics experiment method was used to study the process of directional cracking in the solid medium .The experimental results were verified and supplemented by AUTODYN numerical analysis .The results show that the special structure of the split-tube charge holder makes the blast wave and the explosive gas preferentially released along the slitting direction ,which is the key to the formation of directional cracks .When the detonation wave is not propagated to slit pipe wall ,the pressure of the detonation product increases from the detonation wave array toward the center of the blast hole and then decreases .At the same time , the first pressure peak increases with the distance from the center of the blast hole .A reasonable air decoupling charge coefficient determines the effect of directional cracks produced by the split-tube charge holder .%为了研究切缝药包定向断裂效应,采用纹影实验方法研究了无限空气自由场中切缝药包爆炸波传播规律,采用动态焦散线实验方法研究了切缝药包在固体介质中产生定向裂纹的过程,并用 AUTODYN 数值分析对实验结果进行了验证和补充.研究结果表明:切缝药包特殊结构使得爆炸波和爆生气体优先沿切缝方向定向释放,是形成定向裂纹的关键;在爆轰波未传播至切缝管壁阶段,爆轰产物压力从爆轰波阵面向炮孔中心呈先增大后减小的梯度分布规律,同时第一次压力峰值随距炮孔中心距离的增大而增大;合理的空气不耦合装药系数决定着切缝药包产生定向裂纹的效果.【期刊名称】《工程爆破》【年(卷),期】2018(024)003【总页数】6页(P20-25)【关键词】切缝药包;定向断裂;爆炸波;不耦合装药【作者】高祥涛;陈程【作者单位】贵州省公安厅治安总队,贵阳550001 ;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD235切缝药包定向断裂爆破技术在岩石井巷掘进、隧道开挖、露天边坡、露天和井下煤矿开采中有着广泛的应用，它可以让定向裂纹沿设计开挖面有效扩展，同时还可以降低爆炸对周边围岩的损伤，在这种定向效果的实现中，切缝药包的结构起到重要作用。