《工程科学学报》：缝槽水压爆破破岩载荷实验研究

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 夏彬伟高玉刚刘承伟欧昌楠彭子烨刘浪 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting XIA Bin-wei,GAO Yu-gang,LIU Cheng-wei.OU Chang-nan,PENG Zi-ye,LIU Lang 引用本文： 夏彬伟，高玉刚，刘承伟，欧昌楠，彭子烨，刘浪.缝槽水压爆破破岩载荷实验研究.工程科学学报，2020,42(9)：1130-1138. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.10.06.002 XIA Bin-wei.GAO Yu-gang,LIU Cheng-wei,OU Chang-nan,PENG Zi-ye,LIU Lang.Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(9):1130-1138.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2019.10.06.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.06.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting 工程科学学报.2020,42(5)：570 https:doi.org/10.13374.issm2095-9389.2019.06.04.001 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 Effective fracture zone under deep-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报.2019,41（⑤：582 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2019.05.004 岩体损伤度的，点荷载强度计算及分析 Analyses and calculation of point load strength on rock mass damage index 工程科学学报.2017,392：175 https::/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.02.002 装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 Effect of charge structure on deep-hole cumulative blasting to improve coal seam permeability 工程科学学报.2018,40(12：1488htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.006 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer 工程科学学报.2017,39(1)：141htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.01.018 岩爆结构面强度的弱化特征 Strength weakening characteristic of rock burst structural planes 工程科学学报.2018,403：269 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.03.002

缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 夏彬伟 高玉刚 刘承伟 欧昌楠 彭子烨 刘浪 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting XIA Bin-wei, GAO Yu-gang, LIU Cheng-wei, OU Chang-nan, PENG Zi-ye, LIU Lang 引用本文: 夏彬伟, 高玉刚, 刘承伟, 欧昌楠, 彭子烨, 刘浪. 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究[J]. 工程科学学报, 2020, 42(9): 1130-1138. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002 XIA Bin-wei, GAO Yu-gang, LIU Cheng-wei, OU Chang-nan, PENG Zi-ye, LIU Lang. Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(9): 1130-1138. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2019.10.06.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting 工程科学学报. 2020, 42(5): 570 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 Effective fracture zone under deep-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报. 2019, 41(5): 582 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.004 岩体损伤度的点荷载强度计算及分析 Analyses and calculation of point load strength on rock mass damage index 工程科学学报. 2017, 39(2): 175 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.002 装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 Effect of charge structure on deep-hole cumulative blasting to improve coal seam permeability 工程科学学报. 2018, 40(12): 1488 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.006 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer 工程科学学报. 2017, 39(1): 141 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.018 岩爆结构面强度的弱化特征 Strength weakening characteristic of rock burst structural planes 工程科学学报. 2018, 40(3): 269 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.002

工程科学学报.第42卷.第9期：1130-1138.2020年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.9:1130-1138,September 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002;http://cje.ustb.edu.cn 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 夏彬伟2)，高玉刚，2，刘承伟，2四，欧昌楠2)，彭子烨2，刘浪1,2 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4000302)重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030 ☒通信作者，E-mail:liuchengwei12@126.com 摘要针对缝槽爆破中以空气作为不耦合介质，其冲击波和准静态压力较小、炸药能量利用率低、破岩能力弱的问题，提 出缝槽水压爆破方法.利用水的微压缩性，以及传能效率高等特点，以水作为炮孔不耦合介质，提升缝槽爆破破岩载荷，开展 其爆破破岩载荷特征研究.通过自主研发的缝槽爆破载荷测试实验系统，分别开展缝槽空气不耦合爆破和缝槽水压爆破实 验.结果表明：水作为缝槽爆破不耦合介质，其冲击波压力峰值约是缝槽空气不耦合爆破的35倍，冲击波压力上升沿更平缓， 入射效率更高；其准静态压力峰值是缝槽空气不耦合爆破的37~46倍，水压爆破的准静态压力压降缓慢，保压时间更长.研 究表明，缝槽水压爆破的炸药能量利用率高，爆炸载荷提升明显.上述研究成果有助于深入认识缝槽水压爆破破岩载荷特 性，同时对该方法的工程应用提供理论和实验支撑 关键词缝槽：水压爆破：破岩载荷；冲击波：准静态压力 分类号TU443 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting XIA Bin-wei2.GAO Yu-gang2),LIU Cheng-wei,OU Chang-nan2),PENG Zi-ye2,LIU Lang2) 1)State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China 2)National&Local Joint Engineering Laboratory of Gas Drainage in Complex Coal Seam,Chongqing University,Chongqing 400030,China Corresponding author,E-mail:liuchengweil2@126.com ABSTRACT Slot blasting is widely used in mining and tunnel construction,municipal demolition,water conservation,hydropower, and other related projects due to its low cost and high efficiency.In the slot-blasting technique,it is necessary to break the rock efficiently and minimize the damage to the area surrounding the rock.Therefore,improving the blasting efficiency and explosive energy utilization rate as well as reducing the blasting vibration and excessive crushing of rocks are of great significance to the development of blasting engineering.When air spaced uncoupling medium is used in slot blasting,its rock-breaking efficiency is significantly low due to various factors such as generation of shock waves,low quasi-static pressure,low energy utilization rate of explosive,and weak rock- breaking ability.To improve the rock-breaking load of slot blasting,the slot-hydraulic blasting method was proposed.In this method, water is utilized as the uncoupling medium for slot blasting as water has better microcompressibility and high energy transfer efficiency; in addition,research on its characteristics under rock-breaking load was investigated.Slot blasting with air spaced uncoupling charge and slot-hydraulic blasting tests were carried out under the independently developed slot blast load test system.The test results show that the shockwave pressure of slot-hydraulic blasting tests is approximately 35 times that of the air uncoupling blasting method because of the generation of high-pressure shockwaves and the higher incident efficiency.The hydraulic blasting quasi-static pressure is 37-46 times that of the air spaced uncoupled blasting,the quasi static pressure drop of hydraulic blasting is slow,and the pressure holding time is longer.The research results reveal that the energy utilization rate in the slot-hydraulic blasting is high and the blasting load improvement 收稿日期：2019-10-06 基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2018YFC0808401):国家自然科学基金资助项目(51974042)

缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 夏彬伟1,2)，高玉刚1,2)，刘承伟1,2) 苣，欧昌楠1,2)，彭子烨1,2)，刘    浪1,2) 1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030    2) 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030 苣通信作者，E-mail：liuchengwei12@126.com 摘    要    针对缝槽爆破中以空气作为不耦合介质，其冲击波和准静态压力较小、炸药能量利用率低、破岩能力弱的问题，提 出缝槽水压爆破方法. 利用水的微压缩性，以及传能效率高等特点，以水作为炮孔不耦合介质，提升缝槽爆破破岩载荷，开展 其爆破破岩载荷特征研究. 通过自主研发的缝槽爆破载荷测试实验系统，分别开展缝槽空气不耦合爆破和缝槽水压爆破实 验. 结果表明：水作为缝槽爆破不耦合介质，其冲击波压力峰值约是缝槽空气不耦合爆破的 35 倍，冲击波压力上升沿更平缓， 入射效率更高；其准静态压力峰值是缝槽空气不耦合爆破的 37～46 倍，水压爆破的准静态压力压降缓慢，保压时间更长. 研 究表明，缝槽水压爆破的炸药能量利用率高，爆炸载荷提升明显. 上述研究成果有助于深入认识缝槽水压爆破破岩载荷特 性，同时对该方法的工程应用提供理论和实验支撑. 关键词    缝槽；水压爆破；破岩载荷；冲击波；准静态压力 分类号    TU 443 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting XIA Bin-wei1,2) ，GAO Yu-gang1,2) ，LIU Cheng-wei1,2) 苣 ，OU Chang-nan1,2) ，PENG Zi-ye1,2) ，LIU Lang1,2) 1) State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400030, China 2) National & Local Joint Engineering Laboratory of Gas Drainage in Complex Coal Seam, Chongqing University, Chongqing 400030, China 苣 Corresponding author, E-mail: liuchengwei12@126.com ABSTRACT    Slot blasting is widely used in mining and tunnel construction, municipal demolition, water conservation, hydropower, and  other  related  projects  due  to  its  low  cost  and  high  efficiency.  In  the  slot-blasting  technique,  it  is  necessary  to  break  the  rock efficiently and minimize the damage to the area surrounding the rock. Therefore, improving the blasting efficiency and explosive energy utilization rate as well as reducing the blasting vibration and excessive crushing of rocks are of great significance to the development of blasting engineering. When air spaced uncoupling medium is used in slot blasting, its rock-breaking efficiency is significantly low due to various factors such as generation of shock waves, low quasi-static pressure, low energy utilization rate of explosive, and weak rock￾breaking ability. To improve the rock-breaking load of slot blasting, the slot-hydraulic blasting method was proposed. In this method, water is utilized as the uncoupling medium for slot blasting as water has better microcompressibility and high energy transfer efficiency; in addition, research on its characteristics under rock-breaking load was investigated. Slot blasting with air spaced uncoupling charge and slot-hydraulic blasting tests were carried out under the independently developed slot blast load test system. The test results show that the shockwave pressure of slot-hydraulic blasting tests is approximately 35 times that of the air uncoupling blasting method because of the generation of high-pressure shockwaves and the higher incident efficiency. The hydraulic blasting quasi-static pressure is 37–46 times that of the air spaced uncoupled blasting, the quasi static pressure drop of hydraulic blasting is slow, and the pressure holding time is longer. The research results reveal that the energy utilization rate in the slot-hydraulic blasting is high and the blasting load improvement 收稿日期: 2019−10−06 基金项目: 国家重点研发计划课题资助项目（2018YFC0808401）；国家自然科学基金资助项目（51974042） 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期：1130−1138，2020 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 9: 1130−1138, September 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002; http://cje.ustb.edu.cn

夏彬伟等：缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 1131· is significant.These results may help to better understand the rock-breaking load characteristics of slot-hydraulic blasting and provide theoretical and experimental support for utilizing the method in engineering applications KEY WORDS slotting;hydraulic blasting;rock-breaking load;shock wave;quasi-static pressure 随着工程爆破的发展，割缝或刻槽爆破破岩 宗琦等)研究了炮孔水压装药爆破时爆炸冲击波 因具有定向控制爆生裂纹、有效控制爆破块径以 的形成和传播，根据弹性理论和波动理论，推导了 及工程成本低等优点而得以广泛应用.但现阶段 孔壁岩面正入射的冲击压力：夏彬伟等]通过试 割缝或刻槽爆破尚使用空气不耦合装药爆破-， 验分析了缝槽水压爆破形成的裂缝特征及冲击波 即炮孔间隙介质为空气.空气不耦合装药爆破时， 应力演化规律，以上研究只是单独地采用实验或 装药与煤岩体壁面之间存在空隙，爆生气体在该 理论研究水压爆破的冲击波，而鲜有研究水压爆 空隙间膨胀做功，消耗爆炸能量，降低了冲击波峰 破准静态压力. 值压力，同时由于空气的可压缩性，推动爆生裂纹 爆破破岩是爆炸冲击波和准静态压力共同作 后续扩展的准静态压力大小较低、持续时间较短， 用的结果，但受限于实验条件与使用工况的不同， 爆破破断煤岩体的效率不高.而水压爆破因具有 尚无学者对割缝爆破破岩载荷（冲击波和准静态 爆炸能量利用率高四、易形成“水楔效应”0山、气 压力)进行全面的实验研究.鉴于此，本文开展空 泡脉动现象2-]等优点.因此将水作为不耦合介 气与水两种不耦合介质下缝槽爆破爆炸载荷实 质填充于炮孔空隙用以提升缝槽爆破破岩载荷能 验，分析对比空气与水两种不耦合介质下的缝槽 力，达到高效破断岩石目的，同时减少对非目标围 爆破冲击波和准静态压力.对缝槽水压爆破方法 岩的损伤 的理论及实验基础研究有着积极的意义，为该方 在此方面，蔡永乐和付宏伟开展了水压爆 法的工程应用提供理论支撑 破爆炸应力波传播及破煤机理实验研究，提出了 1 一种煤层水压爆破的新方法；朱礼臣和孙咏]采 实验系统及材料 用线性不耦合装药和水充填方式爆破开挖沟槽， 1.1实验系统 改善了爆破效果；罗勇等理论上推导了采用不 缝槽爆破载荷测试实验系统由爆炸发生装置 同耦合介质时炮孔孔壁初始压力，并用现场试验 (自制爆炸腔)、传感器和数据采集仪三个部分组 表明水压装药爆破能降低粉矿率，提高爆破效率； 成，如图1所示 VIB-1204F data acquisition instrument Shock load Charge signal Generator of blasting load: explosive,blasting cavity Polyvinylidene fluoride (PVDF) 0-0.5MPa euais aeo 0-20 MPa Switching power Piezoresistive sensor supply Computer 图1爆破载荷测试实验系统图示 Fig.I Diagram of blasting load test system 1.2爆炸腔及炸药 炸腔主体为高60mm,直径150mm的圆柱体，中 为了模拟测定炸药在缝槽中爆炸引起的冲击 间构造一个高20mm,直径90mm,尖端角度60的 波以及准静态压力，自主设计制造了缝槽爆炸腔 缝槽.腔体由上下两部分构成，通过12颗M6螺栓 用于实验.如图2所示，爆炸腔主体材质使用优质 进行紧固链接，交界面放置硅胶薄膜，保证上下界 碳素结构钢45号钢，其抗拉强度大于等于600MPa, 面密封性.为便于装入炮孔不耦合介质和炸药，在 屈服强度大于等于355MPa,R表示各孔半径.爆 爆炸腔上部中心使用M20开口，用M20堵头封闭

is significant. These results may help to better understand the rock-breaking load characteristics of slot-hydraulic blasting and provide theoretical and experimental support for utilizing the method in engineering applications. KEY WORDS    slotting；hydraulic blasting；rock-breaking load；shock wave；quasi-static pressure 随着工程爆破的发展，割缝或刻槽爆破破岩 因具有定向控制爆生裂纹、有效控制爆破块径以 及工程成本低等优点而得以广泛应用. 但现阶段 割缝或刻槽爆破尚使用空气不耦合装药爆破[1−8] ， 即炮孔间隙介质为空气. 空气不耦合装药爆破时， 装药与煤岩体壁面之间存在空隙，爆生气体在该 空隙间膨胀做功，消耗爆炸能量，降低了冲击波峰 值压力，同时由于空气的可压缩性，推动爆生裂纹 后续扩展的准静态压力大小较低、持续时间较短， 爆破破断煤岩体的效率不高. 而水压爆破因具有 爆炸能量利用率高[9]、易形成“水楔效应” [10−11]、气 泡脉动现象[12−13] 等优点. 因此将水作为不耦合介 质填充于炮孔空隙用以提升缝槽爆破破岩载荷能 力，达到高效破断岩石目的，同时减少对非目标围 岩的损伤. 在此方面，蔡永乐和付宏伟[14] 开展了水压爆 破爆炸应力波传播及破煤机理实验研究，提出了 一种煤层水压爆破的新方法；朱礼臣和孙咏[15] 采 用线性不耦合装药和水充填方式爆破开挖沟槽， 改善了爆破效果；罗勇等[16] 理论上推导了采用不 同耦合介质时炮孔孔壁初始压力，并用现场试验 表明水压装药爆破能降低粉矿率，提高爆破效率； 宗琦等[17] 研究了炮孔水压装药爆破时爆炸冲击波 的形成和传播，根据弹性理论和波动理论，推导了 孔壁岩面正入射的冲击压力；夏彬伟等[18] 通过试 验分析了缝槽水压爆破形成的裂缝特征及冲击波 应力演化规律. 以上研究只是单独地采用实验或 理论研究水压爆破的冲击波，而鲜有研究水压爆 破准静态压力. 爆破破岩是爆炸冲击波和准静态压力共同作 用的结果，但受限于实验条件与使用工况的不同， 尚无学者对割缝爆破破岩载荷（冲击波和准静态 压力）进行全面的实验研究. 鉴于此，本文开展空 气与水两种不耦合介质下缝槽爆破爆炸载荷实 验，分析对比空气与水两种不耦合介质下的缝槽 爆破冲击波和准静态压力. 对缝槽水压爆破方法 的理论及实验基础研究有着积极的意义，为该方 法的工程应用提供理论支撑. 1    实验系统及材料 1.1    实验系统 缝槽爆破载荷测试实验系统由爆炸发生装置 （自制爆炸腔）、传感器和数据采集仪三个部分组 成，如图 1 所示. Shock load Generator of blasting load: explosive, blasting cavity Charge signal VIB-1204F data acquisition instrument Polyvinylidene fluoride (PVDF) 0-0.5 MPa Voltage signal Computer 0-20 MPa Switching power Piezoresistive sensor supply 图 1    爆破载荷测试实验系统图示 Fig.1    Diagram of blasting load test system 1.2    爆炸腔及炸药 为了模拟测定炸药在缝槽中爆炸引起的冲击 波以及准静态压力，自主设计制造了缝槽爆炸腔 用于实验. 如图 2 所示，爆炸腔主体材质使用优质 碳素结构钢 45 号钢，其抗拉强度大于等于 600 MPa， 屈服强度大于等于 355 MPa，R 表示各孔半径. 爆 炸腔主体为高 60 mm，直径 150 mm 的圆柱体，中 间构造一个高 20 mm，直径 90 mm，尖端角度 60°的 缝槽. 腔体由上下两部分构成，通过 12 颗 M6 螺栓 进行紧固链接，交界面放置硅胶薄膜，保证上下界 面密封性. 为便于装入炮孔不耦合介质和炸药，在 爆炸腔上部中心使用 M20 开口，用 M20 堵头封闭 夏彬伟等： 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 · 1131 ·

1132 工程科学学报，第42卷，第9期 (b) lasting fus 150 ging bo Front view Profile of front view ixing bolt hote 28 0 Top view Profile of top view 图2爆炸腔.(a)实物图：(b)结构图（单位：mm) Fig.2 Blasting cavity:(a)physical chart;(b)structure diagram (unit:mm) 炮孔.在缝槽左侧开直径3mm的通道口，用于传 件，同时薄膜上下面分别放置强度较高且绝缘的 感器安装测量缝槽炮孔内压力.由火药自制的炸 聚环氧树脂，主要为了满足绝缘和抗冲击的需要， 药如图3所示，6mm×20mm柱形装药，使用 爆炸使其受压产生电荷信号，通过VIB-1204F数据 150、200和250mg三种装药药量，表1为炸药的 采集仪转化为电压信号，从而得到冲击荷载：由于 成分和配比，采用电子点火起爆 空气不耦合爆破和水压爆破的准静态压力相差几 十至几百倍，所以选用0~0.5MPa和0~20MPa 两个量程的压阻式传感器 (a) (b) 图3炸药实物图 Fig.3 Physical chart of explosive 图4两种传感器实物图.(a)PVDF薄膜压电传感器：(b)压阻式传感 表1炸药成分和配比（质量分数） 器(0~0.5MPa):(c)压阻式传感器(0~20MPa) Fig.4 Physical charts of the two sensors:(a)PVDF neurofibril film Table 1 Explosive composition and ration piezoelectric sensor,(b)piezoresistive sensor (0-0.5 MPa);(c) Sulfur Potassium nitrate Charcoal powder piezoresistive sensor(0-20 MPa) 21.05 34.58 47.34 图5所示为VIB-1204F型超动态数据采集仪， 其中VIB-1204F型数据采集卡每个单通道的采样 13传感器及采集仪 频率可以高达10MHz,能够精确采集到爆破过程 爆破破岩的主要动力来源是爆炸产生的冲击 中的冲击载荷及准静态压力变化 波和准静态压力，二者有着较为明显的差异，冲击 波载荷比准静态压力大几十至几百倍，但持续时 2实验设计 间比准静态压力短几十至几百倍.为精确测量出 为探究水压爆破的爆炸载荷特征，验证水介 爆炸冲击波和准静态压力，分别选用了聚偏二氟 质对爆炸载荷的提升效果，分别开展缝槽条件下 乙烯(Polyvinylidene fluoride,.PVDF)薄膜压电传感 水压爆破与空气不耦合爆破爆炸载荷对比测试 器和压阻式传感器，如图4所示.厚度为50um的 实验 PVDF薄膜被制成直径为5mm的传感器的核心元 实验设计在三种不同药量下，进行水压爆破

炮孔. 在缝槽左侧开直径 3 mm 的通道口，用于传 感器安装测量缝槽炮孔内压力. 由火药自制的炸 药 如 图 3 所 示 ， ϕ6  mm×20  mm 柱 形 装 药 ， 使 用 150、200 和 250 mg 三种装药药量，表 1 为炸药的 成分和配比，采用电子点火起爆. 图 3    炸药实物图 Fig.3    Physical chart of explosive 表 1 炸药成分和配比（质量分数） Table 1 Explosive composition and ration % Sulfur Potassium nitrate Charcoal powder 21.05 34.58 47.34 1.3    传感器及采集仪 爆破破岩的主要动力来源是爆炸产生的冲击 波和准静态压力，二者有着较为明显的差异，冲击 波载荷比准静态压力大几十至几百倍，但持续时 间比准静态压力短几十至几百倍. 为精确测量出 爆炸冲击波和准静态压力，分别选用了聚偏二氟 乙烯（Polyvinylidene fluoride, PVDF）薄膜压电传感 器和压阻式传感器，如图 4 所示. 厚度为 50 μm 的 PVDF 薄膜被制成直径为 5 mm 的传感器的核心元 件，同时薄膜上下面分别放置强度较高且绝缘的 聚环氧树脂，主要为了满足绝缘和抗冲击的需要， 爆炸使其受压产生电荷信号，通过 VIB-1204F 数据 采集仪转化为电压信号，从而得到冲击荷载；由于 空气不耦合爆破和水压爆破的准静态压力相差几 十至几百倍，所以选用 0～0.5 MPa 和 0～20 MPa 两个量程的压阻式传感器. (a) (b) (c) 图 4    两种传感器实物图. （a）PVDF 薄膜压电传感器；（b）压阻式传感 器（0～0.5 MPa）；（c）压阻式传感器（0～20 MPa） Fig.4     Physical  charts  of  the  two  sensors:  (a)  PVDF  neurofibril  film piezoelectric  sensor;  (b)  piezoresistive  sensor  (0 –0.5  MPa);  (c) piezoresistive sensor (0–20 MPa) 图 5 所示为 VIB-1204F 型超动态数据采集仪， 其中 VIB-1204F 型数据采集卡每个单通道的采样 频率可以高达 10 MHz，能够精确采集到爆破过程 中的冲击载荷及准静态压力变化. 2    实验设计 为探究水压爆破的爆炸载荷特征，验证水介 质对爆炸载荷的提升效果，分别开展缝槽条件下 水压爆破与空气不耦合爆破爆炸载荷对比测试 实验. 实验设计在三种不同药量下，进行水压爆破 150 30 20 Electronic blasting fuse 3 Front view Fixing bolt Charging bolt Top of blasting cavity Slotting hole 6 Underside of blasting cavity 60° 30° Profile of front view Fixing bolt hole Top view (a) (b) Profile of top view Explosive R28 PVDF Sensor interface R45 R3 R15 图 2    爆炸腔. （a）实物图；（b）结构图（单位：mm） Fig.2    Blasting cavity: (a) physical chart; (b) structure diagram (unit: mm) · 1132 · 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期

夏彬伟等：缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 1133 #4-1组实验得到的并非单一应力波的标准“压力- 时间”曲线.但实验测到的冲击波压力峰值和冲击 波压力上升沿，仍然根据不耦合介质的不同而具 有明显差异 图5VIB-1204F数据采集仪 3.1.2冲击波压力峰值大小分析 Fig.5 VIB-1204F data acquisition instrument 通过对实验获得的冲击波压力峰值（表3）的 和空气不耦合爆破共12组实验，分别测量分析空 分析发现，不耦合介质为空气与水时，对于同一不 气介质和水介质下的冲击波载荷和准静态压力特 耦合介质，药量的改变对冲击波压力峰值影响不 征.实验组设置如表2所示： 大.不同三组药量下，空气不耦合爆破中冲击波压 力峰值几乎相同，为8.09t0.18MPa;水压爆破冲击 表2实验组设置 波压力峰值存在一定差异，但并非随药量增大而增 Table 2 Settings of the experimental group 大，应为实验误差所致，其压力为286.28±42.98MPa Uncoupling medium Charge weight/mg Experimental number 因此进一步的研究中不再考虑装药量大小，而进 150 #1-1,#1-2 行不同耦合介质下压力峰值的对比.实验中炮孔 Air 200 #2-1,#2-2 等效半径为36.5mm,装药半径为3mm,不耦合装 250 #3-1,#3-2 药系数为K=12.5. 150 #4-1,#4-2 根据赵金昌例的研究结果，TNT炸药的不耦 Water 200 #5-1,#5-2 合爆破炮孔壁冲击波公式如下所列. 250 6-1.#6-2 空气不偶合爆破炮孔壁冲击波压力： P,=2518K28 (1) 3实验结果与分析 水压爆破炮孔壁冲击波压力： 3.1冲击压力实验结果与分析 Pa=3616K0.72 (2) 3.1.1冲击波压力测试结果 当K:12.5,理论上TNT炸药的水压爆破的炮 由于实验原始数据量较大，每秒包含10？个数 孔壁冲击波压力为空气不耦合爆破的300倍左 据点，且原始数据存在一定的干扰噪音，故对实验 右：而实验使用的是自制火药，非当量炸药，无法 原始曲线波峰、波谷以及突变处的关键点进行取 准确计算其理论冲击波压力峰值大小.实验测得 点作图，并将曲线时间起点归零，便于实验组对比 空气不耦合爆破冲击波压力峰值平均值为8.09MPa, 分析，如图6所示.同时对实验获得的冲击波压力 水压爆破冲击波压力峰值平均值为286.28MPa, 起点、峰值时刻关键点坐标进行记录，如表3 可得水压爆破冲击波压力峰值为空气不耦合爆破 所示. 的35倍左右，虽然未达到TNT炸药理论计算的高 由于缝槽尖端处应力波受波的反射、干涉等 倍数，但峰值压力也有明显提升.表明水作为缝槽 影响，以及实验设备存在一定噪音，故#1-1、#2-1、 炮孔不耦合介质后，冲击压力峰值显著增大 10 350 (a) #1-1 (b) #4-1 300 dw/d #6-1 250 200 150 50 -10 0 1015202530 0 5 1015202530 Time/ms Time/ms 图6爆炸冲击波“压力-时间”曲线.(a)空气不耦合爆破：(b)水压爆破 Fig.6 Pressure-time curve of blasting shock wave:(a)air uncoupling charge blasting;(b)hydraulic blasting

和空气不耦合爆破共 12 组实验，分别测量分析空 气介质和水介质下的冲击波载荷和准静态压力特 征. 实验组设置如表 2 所示： 表 2 实验组设置 Table 2 Settings of the experimental group Uncoupling medium Charge weight /mg Experimental number Air 150 #1-1, #1-2 200 #2-1, #2-2 250 #3-1, #3-2 Water 150 #4-1, #4-2 200 #5-1, #5-2 250 #6-1, #6-2 3    实验结果与分析 3.1    冲击压力实验结果与分析 3.1.1    冲击波压力测试结果 由于实验原始数据量较大，每秒包含 107 个数 据点，且原始数据存在一定的干扰噪音，故对实验 原始曲线波峰、波谷以及突变处的关键点进行取 点作图，并将曲线时间起点归零，便于实验组对比 分析，如图 6 所示. 同时对实验获得的冲击波压力 起点 、峰值时刻关键点坐标进行记录 ，如 表 3 所示. 由于缝槽尖端处应力波受波的反射、干涉等 影响，以及实验设备存在一定噪音，故#1-1、#2-1、 #4-1 组实验得到的并非单一应力波的标准“压力− 时间”曲线. 但实验测到的冲击波压力峰值和冲击 波压力上升沿，仍然根据不耦合介质的不同而具 有明显差异. 3.1.2    冲击波压力峰值大小分析 通过对实验获得的冲击波压力峰值（表 3）的 分析发现，不耦合介质为空气与水时，对于同一不 耦合介质，药量的改变对冲击波压力峰值影响不 大. 不同三组药量下，空气不耦合爆破中冲击波压 力峰值几乎相同，为 8.09±0.18 MPa；水压爆破冲击 波压力峰值存在一定差异，但并非随药量增大而增 大，应为实验误差所致，其压力为 286.28±42.98 MPa. 因此进一步的研究中不再考虑装药量大小，而进 行不同耦合介质下压力峰值的对比. 实验中炮孔 等效半径为 36.5 mm，装药半径为 3 mm，不耦合装 药系数为 Kd=12.5. 根据赵金昌[19] 的研究结果，TNT 炸药的不耦 合爆破炮孔壁冲击波公式如下所列. 空气不偶合爆破炮孔壁冲击波压力： Pb = 2518K −2.8 d （1） 水压爆破炮孔壁冲击波压力： Pd = 3616K −0.72 d （2） 当 Kd=12.5，理论上 TNT 炸药的水压爆破的炮 孔壁冲击波压力为空气不耦合爆破的 300 倍左 右；而实验使用的是自制火药，非当量炸药，无法 准确计算其理论冲击波压力峰值大小. 实验测得 空气不耦合爆破冲击波压力峰值平均值为 8.09 MPa， 水压爆破冲击波压力峰值平均值为 286.28 MPa， 可得水压爆破冲击波压力峰值为空气不耦合爆破 的 35 倍左右，虽然未达到 TNT 炸药理论计算的高 倍数，但峰值压力也有明显提升. 表明水作为缝槽 炮孔不耦合介质后，冲击压力峰值显著增大. 图 5    VIB-1204F 数据采集仪 Fig.5    VIB-1204F data acquisition instrument 0 5 10 15 20 25 30 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 Time/ms (a) #1-1 #2-1 #3-1 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 300 350 Time/ms (b) #4-1 #5-1 #6-1 Shock wave press, Pb/MPa Shock wave press, Pd/MPa 图 6    爆炸冲击波“压力−时间”曲线. （a）空气不耦合爆破；（b）水压爆破 Fig.6    Pressure−time curve of blasting shock wave: (a) air uncoupling charge blasting; (b) hydraulic blasting 夏彬伟等： 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 · 1133 ·