硐室爆破空腔比的动光弹研究与工程应用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.06.002 第27卷第6期 北京科技大学学报 Vol.27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2005 硐室爆破空腔比的动光弹研究与工程应用 龚敏陈向东 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为了分析不同空腔条形药包爆破效果，以动光弹为研究手段，用五种不同空腔比实 验模型进行了爆破动应力场及破坏结果研究，并在首钢128t硐室大爆破中进行了工程应用. 研究和应用结果表明：最佳空腔比约为4.0：在岩石特别破醉地区为控制飞石，可采用大空腔 比进行爆破设计理论. 关键词酮室爆破：空腔比：爆破效果；条形药包：全息动光弹 分类号TD253.1 酮室爆破目前大量采用了条形药包的装药 中，线装药密度实际上是不均匀和很难控制的： 形式.而在条形药包爆破中，一般认为空腔条形 而且这样为耦合装药，不可能模拟不同空腔比药 药包效果较好，它能有效地降低药室孔壁的初期 包，在研究中采用特制的小管，精确控制装药量， 不必要的高应力，延长后期爆生气体的作用，从 不仅保证了线装药密度均匀，并使不同空腔条形 而明显改善爆破效果.过去许多学者对此进行了 药包实验成为可能， 理论和工程应用研究，Borovikov VAm应用弹塑 模型实验采用环氧树脂板，尺寸为250 性力学基本方程，对岩石中延长药包空腔发展过 mm×250mm×5mm.每次实验时药室长度5cm,装 程进行计算：陶纪南等人利用球药包叠加求和 药长度4.1cm,爆炸加载源为PbN6140mg,线装 方法，分析了在岩石和黄土中条形药包爆炸下 药密度34.15mgcm',实验时为模拟导爆索起 偶合系数对爆破作用和应力波参数的影响：卢文 爆，采用了通体同时起爆. 波)、李端明分别计算论证了任一单元球药包的 共进行了五组单个条形药包实验，空腔比分 空腔发展过程和条形药包的最优空腔比，但条形 别为耦合装药，21,3.0,4.0,7.0.记录时刻为起爆 药包本身及空腔这种特殊的装药结构使其对介 后15,30,42,60μs,同步误差不超过34s. 质的作用极其复杂，有待深入研究， 利用高速自动分幅激光全息动光弹，一次爆 2实验结果和数据分析 破加载可记录四个不同时刻的爆破等差条纹图， 图1是实验所获得的五组不同空腔比爆炸时 在解决了爆炸过程和照相同步控制、空腔条形模 的全息动光弹实验照片（本文仅列出空腔比为4 型等量装药等实验技术的基础上，本文对不同空 的一组).根据条形图及Durellit提出的动态条纹 腔比时条形药包应力场及爆后效果进行了分析， 判据，确定四个时刻的条纹级次，计算沿药包纵 并将实验研究结果应用于首钢128t硐室松动大 向中垂线上条纹级次值，同时作出相应的变化曲 爆破中，总结出实际工程爆破较适宜的空腔比， 线，由于条纹级次与最大剪应力是线性相关的， 因此动光弹研究中通常用条纹级数的变化来衡 1实验模型 量应力场的变化，如图2所示， 条形药包实验模型中一个很大的问题是由 214=154s时的条纹图分析 于模型大小的限制，线型爆炸源的精确装药十分 由条纹图可知，五组实验在这一时刻的应力 困难，过去是在模型开槽后直接将炸药撒在槽 场主要表现为膨胀波迭加后的综合效果，波阵面 形状呈椭圆形.两端部条纹稀疏，应力场较弱，P 收稿日期：200506-10修回日期：2005-1008 基金项目：国家自然科学基金资助课题No.19802002) 波最大条纹级数均出现在条形药包柱部中垂线 作者简介：粪敏(1963-)，男，副教授，博士 上，后续波（指包含S波和沿药柱迭加而成的波）

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 妞 铜室爆破空腔 比的动光弹研究与工程应用 龚 敏 陈 向 东 北 京科技 大学土 木与环 境 工程学 院 ， 北 京 摘 要 为 了分析 不 同空 腔 条形 药包 爆破 效 果 ， 以动 光弹 为研 究手 段 ， 用五 种 不 同空 腔 比 实 验 模型 进 行 了爆破 动 应力 场 及破坏 结果研究 ， 并在 首 钢 酮 室 大爆 破 中进 行 了工 程应用 研 究和 应用 结 果 表 明 最 佳 空 腔 比 约 为 在岩 石特 别破 碎地 区 为控 制 飞 石 ， 可采用 大 空腔 比进行 爆破 设计 理 论 关键词 酮 室爆破 空 腔 比 爆破 效 果 条 形 药 包 全 息动光 弹 分 类号 铜 室 爆 破 目前 大 量 采 用 了 条 形 药 包 的装 药 形 式 而 在 条形 药包 爆 破 中 ， 一般 认 为空腔 条 形 药包 效果较好 ， 它 能有 效地 降低 药 室 孔 壁 的初 期 不 必 要 的高应 力 ， 延 长 后 期 爆 生气 体 的作 用 ， 从 而 明显 改善爆 破 效 果 过 去 许 多学 者对 此 进 行 了 理 论 和 工 程应 用 研 究 ， 议 应 用 弹 塑 性 力 学基 本 方程 ， 对 岩 石 中延 长 药包 空腔 发展过 程 进 行 计 算 陶纪 南 【 等 人 利用 球 药 包 叠 加 求 和 方 法 ， 分 析 了在 岩 石 和 黄 土 中条 形 药 包 爆 炸 下 偶合 系数 对 爆破 作用 和 应 力波参数 的影 响 卢文 波闭 、 李端 明，，分 别计 算论证 了任 一 单元 球药包 的 空腔 发展 过程 和 条 形药包 的最 优 空腔 比 但 条 形 药包 本 身及 空 腔 这 种 特 殊 的装 药 结 构 使 其 对 介 质 的作用 极 其 复 杂 ， 有待 深 入 研 究 利用 高速 自动 分 幅激 光 全 息 动 光 弹 ， 一 次爆 破 加载 可 记 录 四个不 同时刻 的爆破等 差 条纹 图 ， 在解 决 了爆 炸 过程 和 照 相 同步控制 、 空腔 条形模 型等量装 药等 实验 技术 的基础 上 ， 本 文 对 不 同空 腔 比时条 形 药包 应 力场 及爆 后 效果 进 行 了分 析 ， 并将 实验 研 究结 果 应 用 于 首钢 铜 室松 动 大 爆破 中 ， 总 结 出实 际工 程 爆破 较 适 宜 的空 腔 比 中 ， 线 装 药 密 度 实 际 上 是 不 均 匀 和 很 难 控 制 的 而 且 这样 为藕 合装 药 ， 不 可 能模拟 不 同空腔 比药 包 在研 究 中采用特制 的小管 ， 精确控 制装药量 ， 不 仅保 证 了线装 药密 度均 匀 ， 并使不 同空腔 条形 药包 实验 成 为 可 能 模 型 实 验 采 用 环 氧 树 脂 板 ， 尺 寸 为 每 次 实验 时药 室长度 ， 装 药 长 度 ， 爆炸 加 载源 为 ， 线装 药 密 度 巧 · 一 ‘ ， 实验 时 为 模 拟 导 爆 索 起 爆 ， 采 用 了通 体 同时起 爆 共进 行 了五组 单个条 形 药 包 实验 ， 空腔 比分 别 为祸 合 装 药 ， ， ， ， 记 录 时刻 为起 爆 后 ， ， ， 哪 ， 同步 误 差 不 超 过 林 实验模 型 条 形 药 包 实 验 模 型 中一 个 很 大 的 问题 是 由 于模 型大 小 的 限制 ， 线 型爆炸 源 的精确 装 药 十 分 困难 过 去 是 在 模 型 开槽 后 直 接 将 炸 药 撒 在 槽 收稿 日期 吞 修 回 日期 加 一 刁 基金项 目 国家 自然科学基 金资助 课 题困 。 作者简介 龚敏 一 ， 男 ， 副 教授 ， 博士 实验 结 果 和 数据 分 析 图 是 实验 所 获得 的五组 不 同空腔 比爆炸 时 的全 息动 光 弹 实验 照 片 本文 仅 列 出空腔 比 为 的一 组 根 据 条 形 图及 眼 提 出的动 态 条 纹 判 据 ， 确 定 四个 时 刻 的条 纹 级 次 ， 计 算 沿 药 包 纵 向 中垂 线 上 条 纹 级 次值 ， 同时作 出相 应 的变化 曲 线 由于 条 纹 级 次 与 最 大 剪 应 力是 线 性 相 关 的 ， 因 此 动 光 弹研 究 中通 常用 条 纹 级 数 的变 化 来 衡 量 应 力场 的变 化 ， 如 图 所 示 料，时 的条纹 图 分析 由条纹 图可 知 ， 五 组 实验在 这 一 时刻 的应 力 场 主 要 表现 为膨胀波 迭 加后 的综合 效果 ， 波 阵面 形状 呈 椭 圆 形 两 端部 条纹稀 疏 ， 应 力场 较 弱 ， 波 最 大 条纹 级 数 均 出现 在 条形 药 包 柱部 中垂 线 上 ， 后 续 波 指包 含 波和 沿 药柱迭 加 而 成 的波 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．06．002

·646· 北京科技大学学报 2005年第6期 图1空腔比为40时条形药包爆破实验等差条纹图.(a)=15s;b)=305;(C一42μs:(d)605 Fig.1 Isochromatic fringe patterns of linear charge detonation at a cavity ratio of 4.0:(a)/;=15 us;(b)f=30 us;(c)f,=42 us;(d)1=60 us 10f 12 (a) 8(b) 8 6 0.7 0.8 0.91.01.11.2 08 0 1.41.61.8 2.0 x/cm x/cm 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0 1.2 6 2.02.42.83.23.6 x/cm x/cm 一■一耦合装药；—●一空腔比为2.1：-▲-一空腔比为3.0：一★-空腔比为4.0：--◆一空腔比为7.0 图2不同空腔比下中垂线上条纹级次分布图.(a)=5s;（⑥)30us;(@,-42μs:(d)-60s Fig.2 Distribution of fringe order in the perpendicular bisector at different cavity ratlos at(a)=15us;(b)30 us;(e)42 s;(d)60us 已经出现，占整个应力场一半左右的区间，但强 7.0.图2(b)是模型在中垂线上波合成后的条纹级 度还较弱.图2(a)为迭加后的膨胀波在中垂线的 次分布规律.比起偶合装药，空腔比为2~4的中 分布，具体地说，随着空腔比逐渐增大，五组实验 垂线最大应力差别不是非常明显，空腔比为7的 的最大条纹级数为12.5,10.5,9.5,8.5,6.5，端部最 条纹级次相对较小， 大条纹级数为15级，其余均为0.5级.因此，空腔 2.3=42μs时的模型实验分析 比不同，应力场分布形式基本没有差异，但强度 根据这一时刻和五组条纹图分析，初始迭加 不同. 的P波表现出明显的衰减，在应力波传播中，端 2.24=30μs时的空腔效应 部和柱部应力波阵面由于传播速度的不同，短轴 从波阵面看，端部速度较慢，而柱部传播速 长度从时和长轴有较大差异，至时基本接近长 度较快，初始膨胀波迭加形式的应力场发生了衰 轴.经过计算发现，t=15μs以前端部速度只有 减，条带状后续波的应力强度较上一时刻明显增 柱部波阵面速度的70%，之后柱部速度减慢，端 加，它与波阵面为椭圆形的膨胀波不同，最大条 部有所增加.这一现象与集中药包应力波传播有 纹级数不是在中垂线上，而是位于柱部两侧，与 很大不同，它与线性载荷和通体起爆造成波的迭 条形药包轴线的中点呈45°的方位，其强度表现 加有关.柱部中垂线上P波在本时刻内部迭加高 出不平衡性.随着空腔比增大，最大P波条纹级 峰已过：后续波在30μs之前递增，到42μs时发生 数位于中垂线上，分别为10.0,8.0,7.0,6.5,6.0：后 衰减.随着空腔比从小变大，膨胀波最大条纹级 续波最大级数为12.0,11.5,8.5,7.0,6.0.它表明随 次依次为7.5,6.5,5.0,5.5,6.0级.图2(c)是中垂线 着P波的衰减，后续波强度正在上升，使爆破近上P波、后续波条纹级次分布图.由图可知，一般 区受到较大应力的作用.而且随着空腔比的增 地，在空腔比较小时最大剪应力较前一时刻平均 加，不同条形药包对近区的应力场强度降低，而 下降幅度在25%左右，与起爆后15μs时相比，大 在远区(P波作用区如中垂线上)，下降趋势有所 部分下降40%~50%.但空腔比越大，这种下降趋 减弱，如空腔比为21和3.0的模型最大级数均为 势越缓，甚至当空腔比为7时最大条纹级数和上

创‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 图 空腔 比为 时条形 药包娜破实验等差条纹 圈 ， 声 伍 ‘ 娜 ‘叫 声 ‘ 刊闭 娜 抽 门 扮加 枷 血 卜 啥 此 讨 肠 呷 石刁 声 ‘ 闷 娜 ‘ 月日 娜 … 伍 嗽汰 夕琳硫 彭 器 忆 器 … 一 一祸合 装 药 一 一空腔 比 为 七一▲一空腔 比为 一赢一★一空 腔 比 为 协一一 一空腔 比 为 刀 图 不 同 空腔 比下 中垂线上条纹级次 分 布图 巧 哪 伪 ‘ 习 哪 ‘ 娜 场。 娜 龟 如 扮 梦 。 川 恤 印 山目 代 ， 此 林 ， 习 娜 ‘ 闷 声 ‘ 州阅 娜 己经 出现 ， 占整 个应 力场 一 半 左 右 的区 间 ， 但 强 度 还 较 弱 图 为迭 加 后 的膨 胀波 在 中垂 线 的 分布 具 体地说 ， 随着 空腔 比逐渐 增 大 ， 五 组 实验 的最 大 条 纹 级 数 为 ， ， ， ， ， 端 部 最 大条 纹级 数 为 级 ， 其 余均 为 级 因此 ， 空腔 比不 同 ， 应 力场 分 布 形 式基 本 没 有差 异 ， 但 强度 不 同 哪 时 的空腔 效应 从 波 阵面看 ， 端 部速 度 较慢 ， 而柱 部传 播 速 度 较 快 ， 初始膨胀 波迭加 形式 的应 力场 发 生 了衰 减 ， 条带状后 续波 的应 力 强度 较上 一 时刻 明显 增 加 ， 它 与 波 阵 面 为椭 圆形 的膨 胀 波 不 同 ， 最 大 条 纹级数 不 是 在 中垂 线 上 ， 而 是 位 于柱 部两侧 ， 与 条 形 药 包 轴 线 的 中点 呈 的方 位 ， 其强度表 现 出不 平 衡 性 随着空腔 比增 大 ， 最 大 波 条纹 级 数位 于 中垂线 上 ， 分 别 为 ， ， ， ， 。 后 续波最 大级 数 为 ， ， ， ， 它表 明随 着 波 的衰减 ， 后 续波 强度 正 在上 升 ， 使 爆 破 近 区 受 到较 大应 力 的作 用 而 且 随着 空腔 比 的增 加 ， 不 同条形 药包对 近 区 的应 力场 强度 降低 ， 而 在 远 区 波作用 区 如 中垂 线上 ， 下 降趋势 有所 减 弱 ， 如 空腔 比为 和 的模 型最 大级数 均 为 图 是模 型 在 中垂 线 上 波 合成 后 的条纹 级 次 分 布 规 律 比起 偶 合 装 药 ， 空腔 比 为 礴 的 中 垂 线 最 大应 力差 别 不 是 非常 明显 ， 空腔 比为 的 条 纹 级 次相 对 较 小 ‘ 哪 时 的模 型 实验 分 析 根据 这 一 时刻 和 五组 条纹 图分析 ， 初始迭 加 的 波 表 现 出 明显 的衰减 ， 在应 力 波传 播 中 ， 端 部和 柱 部应 力波 阵面 由于传 播速 度 的不 同 ， 短轴 长度从 时和 长轴 有较 大差异 ， 至 时基本 接近长 轴 经 过 计 算 发 现 ， 一 娜 以前端 部速 度 只 有 柱 部波 阵面速 度 的 ， 之 后 柱 部速 度 减 慢 ， 端 部有所 增加 这 一现 象 与集 中药包应 力波传 播 有 很 大不 同 ， 它 与线性 载 荷和 通 体起 爆 造成 波 的迭 加 有 关 柱 部 中垂 线 上 波 在 本 时刻 内部 迭 加 高 峰 己 过 后 续波 在 哪 之 前 递 增 ， 到 哪 时 发生 衰 减 随着 空腔 比从 小 变 大 ， 膨 胀 波 最 大 条 纹 级 次 依 次 为 ， ， ， ， 级 图 是 中垂 线 上 波 、 后 续波 条纹 级 次 分 布 图 由图可 知 ， 一 般 地 ， 在 空腔 比较 小 时最 大 剪应 力较前 一 时刻 平均 下 降幅度 在 左 右 ， 与起 爆 后 巧 娜 时相 比 ， 大 部 分 下 降 一 但 空腔 比越 大 ， 这 种 下 降趋 势越 缓 ， 甚 至 当空 腔 比为 时最 大 条 纹 级 数 和 上

Vol27 No.6 龚敏等：酮室爆破空腔比的动光弹研究与工程应用 ●647 一时刻的级数持平.这证明在空腔的作用下，贮 4.0的模型爆后未出现飞散现象，爆破近区裂纹 存的爆生气体在燥破后期对介质的影响已经开 较多，远区裂纹较空腔比为2.1的多34根；空腔 始显现，不同空腔比模型的最大条纹级数差别已 比为7.0的药包近区裂纹较上述几组明显减少， 渐趋相同. 远区较空腔比为4.0的少1条裂纹. 2.4t4=60s时的条纹图分析 3综合分析 不同空腔比的五组实验中，共同特点是应力 波传播后波阵面与集中药包的同心圆类似，但各 (1)在通体起爆条件下，条形药包不同空腔比 方向的应力场强度与集中药包有本质的区别.两 所产生的应力场初始时刻均以柱面波形状向外 端部应力场强度较低，柱部较高，并以中垂线方 传播，波阵面为椭圆形.随着时间的推移，端部和 向最强，后续波在中部两侧约45°方向迭加的强 柱部应力波传播速度发生了变化，致使波阵面和 度较大P波与后续波波阵面进一步拉开，中间形 集中药包类似，但强度分布不均衡.除了柱部应 成一定的低应力区，在t=60s时，除耦合装药 力场较集中药包高外，在端部，不同空腔比、不同 外，各实验组膨胀波最高应力波条纹级数的差别 时间均呈现出端部应力场很低的现象，与集中药 不大.图2(d)是中垂线上两种波的条纹级数分布 包应力场有质的区别 图.空腔比逐步增加，5组实验P波最高条纹级数 (2)就单个条形药包应力波传播进行分析，应 分别为5.0,4.0,3.5,3.5,4.5级.注意此时各组实验 力波迭加最大值有两个区域：一个是中垂线方 中均有拉伸区出现，迭加合成的条带状应力区最 向：另一个是在中垂线两侧45°方向.但它们形成 高条纹级数分别为4.0,3.5,4.5,3.5,3.5级，基本趋 的原因和形成时间是不相同的：前者是由膨胀波 于一致.因此可以认为，在爆破作用后期，不同空 迭加而成，形成于起爆后很短的时间（本实验形 腔比爆破应力场的强度差别不大 成于起爆后15s),后者是由剪切波迭加而成，形 图3是不同空腔比下最大条纹级次随时间变 成最大应力波强度要比中垂线上的晚，这两个区 化规律.在起爆42μs之前，不同空腔比所产生的 域应力波的扩展形成了柱部较为均匀的应力场， 最大应力相差很大，从上面分析可知，这时无论 从而说明了柱部是长形药包应力场的主要作用 是中垂线上的P波还是它两侧的后续波均已过 方向， 每一模型动态过程的最大应力峰值.而在42s以 (3)条形药包起爆后在较短时间就达应力波 后空腔比为7的甚至出现应力条纹值比空腔比 迭加峰值.根据动光弹模型实验，小型实验药卷 小的增大的现象. 应力波传播时间在120s左右，则最多在应力波 2.5爆破后模型破坏效果 传播过程的最初14以前已达最大应力，在中垂 本研究中以装药直径的3倍为界，将爆破区 线上的应力峰值点短于整个时间的1/8，因此应 域分为爆破近区和爆破远区.耦合装药模型爆后 力峰值作用时间非常短暂，对介质的破坏作用很 近区出现飞散，形成一大空洞.空腔比为21的模 大程度上依赖于后期的爆生气体作用. 型周围亦有空洞，远区裂纹较发有：空腔比为3.0， (4)在工程实践上，目前注重的是不同空腔比 对大爆破效果的影响.从本文研究来看，以耦合 13 ·耦合装药 装药药包作为标准，在起爆后30μs以前，空腔比 11 ◆空腔比为7 ◆空腔比为2.1 为2.1时每一动态时刻最大条纹值与耦合装药相 ★空腔比为3 应时刻相差在20%以内，空腔比为3.0和4.0时与 *空腔比为4 耦合装药的相应条纹值小30%左右：但在爆破作 用的大部分时间(42s以后)，不同空腔比的最 大应力强度在爆破远区的差别已经不大，且均维 持了一定的强度.在空腔比为70时应力波作用 10 20 3040 50 60 的后期最大应力条纹值还有一定增长，这说明爆 1/s 生气体的影响在时间较长时是有作用的.从模型 图3不同空腔比下最大条纹级次随时间变化 爆后效果和爆破条纹图综合考虑，最佳空腔比约 Fig.3 Change of the largest fringe order according to tome under 为4.0及以上较为合适，爆破近区、远区爆破效果 different cavity ratio

龚敏 等 碉 室娜 破空腔 比的动光弹研 究与工 程 应用 一 时刻 的级 数 持平 这 证 明在 空腔 的作用 下 ， 贮 存 的爆 生气 体 在 爆 破 后 期对 介 质 的影 响 己 经 开 始显现 ， 不 同空腔 比模 型 的最 大条纹 级 数差别 已 渐趋 相 同 ‘ 。 邵 时 的 条纹 图 分析 不 同空腔 比 的五 组 实验 中 ， 共 同特 点是 应 力 波传 播后波 阵面 与集 中药包 的 同心 圆类似 ， 但 各 方 向的应 力场 强度与集 中药包 有 本质 的 区别 两 端部应 力场 强 度较低 ， 柱 部较高 ， 并 以中垂线 方 向最 强 ， 后 续 波 在 中部 两 侧 约 方 向迭 加 的强 度较 大 波 与后 续波波 阵面进 一步 拉 开 ， 中间形 成 一 定 的低 应 力区 在 “ 娜 时 ， 除藕 合 装 药 外 ， 各实验 组膨胀 波最 高应 力波条 纹 级数 的差 别 不 大 图 是 中垂 线 上 两 种 波 的条纹 级 数 分 布 图 空腔 比逐 步增加 ， 组 实验 波最 高条 纹级 数 分 别为 ， ， ， ， 级 注 意此 时各组 实验 中均有 拉伸 区 出现 迭 加 合 成 的条 带状应 力 区最 高条纹 级 数分 别 为 ， ， ， ， 级 ， 基 本趋 于一 致 因此 可 以认 为 ， 在爆破作 用 后 期 ， 不 同空 腔 比爆破 应 力场 的强 度 差 别 不 大 图 是不 同空腔 比下 最大条纹 级 次 随时 间变 化 规律 在 起 爆 哪 之 前 ， 不 同空 腔 比所 产 生 的 最 大 应 力相 差 很 大 ， 从 上 面 分 析 可 知 ， 这 时无 论 是 中垂 线上 的 波还 是 它两 侧 的后 续波 均 己过 每一模 型动 态过程 的最 大应 力峰值 而在 娜 以 后 空腔 比为 的甚 至 出现 应 力 条 纹 值 比空 腔 比 小 的增 大 的现 象 爆 破 后模 型 破坏 效 果 本研 究 中 以装 药 直 径 的 倍 为界 ， 将 爆 破 区 域 分 为爆破近 区和爆破远 区 祸合 装药模 型爆 后 近 区 出现 飞散 ， 形 成 一 大 空洞 空 腔 比为 的模 型周 围亦 有 空 洞 ， 远 区裂 纹较 发育 空腔 比为 ， 的模 型爆 后 未 出现 飞 散现 象 ， 爆 破 近 区裂 纹 较 多 ， 远 区裂 纹较 空腔 比 为 的 多 娜 根 空 腔 比 为 的药 包 近 区 裂纹 较 上 述 几 组 明显 减 少 ， 远 区较 空 腔 比为 的少 条 裂 纹 ‘ 二 一 脚 图 不 同 空腔 比下 最大 条纹 级次随 时间变 化 馆 扭 川 力阳彻 讨 柱。 综 合分 析 在通 体起 爆 条件下 ， 条形 药包 不 同空腔 比 所 产 生 的应 力 场 初 始 时 刻 均 以柱 面 波 形 状 向外 传 播 ， 波阵面 为椭 圆形 随着 时 间的推移 ， 端部和 柱 部应 力波传 播速度 发生 了变化 ， 致 使波 阵面 和 集 中药 包 类 似 ， 但 强度 分 布 不 均 衡 除 了柱 部 应 力场较 集 中药包 高外 ， 在 端部 ， 不 同空腔 比 、 不 同 时 间均呈 现 出端部 应 力场 很 低 的现象 ， 与集 中药 包 应 力 场 有质 的 区 别 就 单个 条形 药包应 力波传播进 行分析 ， 应 力波 迭 加 最 大 值 有 两 个 区域 一 个 是 中垂 线 方 向 另一个 是 在 中垂 线 两侧 “ 方 向 但 它 们 形 成 的原 因和 形成 时 间是 不相 同的 前者 是 由膨胀 波 迭 加 而 成 ， 形 成 于起 爆 后 很 短 的 时 间 本 实验 形 成 于起 爆 后 巧 哪 ， 后 者 是 由剪切 波迭加 而成 ， 形 成 最 大应 力波 强度 要 比 中垂线上 的晚 ， 这 两 个 区 域应 力波 的扩 展形 成 了柱部较 为均 匀 的应 力场 ， 从 而 说 明 了柱 部 是 长 形 药 包 应 力 场 的 主 要 作 用 方 向 条 形 药 包 起 爆 后在 较 短 时 间就 达应 力波 迭 加 峰值 根 据 动 光 弹模 型实验 ， 小 型 实验 药卷 应 力波传播时 间在 加 娜左 右，，， 则最 多在应力波 传 播过 程 的最 初 以前 己达 最 大应 力 ， 在 中垂 线 上 的应 力 峰值 点短 于 整 个 时 间 的 ， 因此 应 力峰值 作用 时 间非常 短暂 ， 对 介质 的破 坏作用很 大程度 上 依 赖 于 后 期 的爆 生气 体 作 用 在 工程 实践上 ， 目前注 重 的是 不 同空腔 比 对 大爆破 效 果 的影 响 从本文 研 究来看 ， 以祸 合 装 药 药 包 作 为标 准 ， 在起 爆 后 哪 以前 ， 空腔 比 为 时每 一 动态 时刻 最大 条纹 值 与 祸 合 装 药 相 应 时刻相 差 在 以 内 ， 空 腔 比为 和 时与 祸 合 装药 的相 应 条 纹值 小 左 右 但 在爆破 作 用 的大 部 分 时 间 拼 哪 以后 ， 不 同空腔 比 的最 大应 力强度在爆破 远 区 的差别 己经 不大 ， 且均 维 持 了一 定 的强度 在 空 腔 比为 时应 力波作用 的后 期最 大 应 力条 纹值还有 一 定增长 ， 这 说 明爆 生 气体 的影 响在时 间较长 时是有作用 的 从模型 爆 后 效果和 爆破 条纹 图综合 考 虑 ， 最 佳 空腔 比约 为 及 以上较 为合 适 爆破 近 区 、 远 区爆破 效 果 灯毯︵女

·648· 北京科技大学学报 2005年第6期 及动应力场的作用均达到较为适宜的情况 (⑤)根据工程爆破的一般看法，条形药包的空 腔比一般不宜大于6.0，但从本文的研究可以发 现，在空腔比为7.0的情况下条形药包在爆破的 初期较耦合装药小48%，但在~4，时应力场较其 他空腔比差别不明显，各种空腔比应力场在爆破 后期趋于一致，对于较为破碎地段的岩石而言， 在其他条件不变的情况下，爆破初期的大应力峰 图4大爆破后效果 值往往导致其冲孔和飞石，因此采用空腔比在 Fig.4 EfTect after the chamber blasting 7.0左右在此情况下应具有良好的效果. 5结论 4工程应用 (1)条形药包爆破的应力场和其他装药方式 (如集中载荷)从强度和形成上有较大差别，柱部 首钢矿业公司于2003年9月在孟家沟采区 是其爆破作用的主要区域 对385m水平以上，S500-S600勘探线之间的部分 (2)通过不同空腔比实验研究的结果进行工 山体进行一次硐室松动.本次大爆破总装药量为 程实践的运用，证实了最佳空腔比的存在 129t,分四段起爆，最大一段起爆药量为24t. (3)大空腔比在特定条件下（尤其是在岩石破 根据岩石条件，本次大爆破原设计的药室中 碎区域)具有良好的爆破效果，这有助于改变以 空腔比控制在3.86.0不等.但在8月初施工以后 往对大空腔比某些不正确的认识 直至9月3日，种种原因导致爆区西部、南部不断 参考文献 出现岩体塌方情况，最严重的三次将正在施工的 [1]Borovikov VA.Development of a gas gavity when a cylindrical 102峒子全部埋住，一次塌方量最大达10m.直 charge is exploded in rock.Soviet Min Scl,1980,16(6):539 接影响到1011和1022药室.鉴于岩石较为破碎、 [2】陶纪南，条形空腔药包破坏范围和抛掷规律的研究，爆炸 药室已经开挖，在最后设计时将受塌方影响的上 与冲击，1990,102：340 述两药室降低药量，实际空腔比分别取为8.5和 [3】卢文被，朱传云，赖世骧，等，条形药包的空腔发展过程模 拟.爆炸与冲击，1996,16(2：171 9.0,其他药室的空腔比保持不变. [4】李端明，唐中华，张志垦，条形药包爆破的最优空腔化.四 爆破于2003年9月16日实施，不同药室采 川冶金，1988,4：4 用的不同空腔比爆破效果十分理想，岩石破碎均 [5]Durelli A J,Shukla A.Identification of isochromatic fringes.Exp Mech,1983,23(1:111 匀（如图4是爆后效果图），飞石距离控制在150m [)龚敏，于亚伦，预裂-缓冲爆破中柱状空间应力波作用分 之内，对周围民房及工业建、构筑物没有造成不 析.北京科技大学学报，1998,201)：159 良影响 [刀龚敏，王德胜.首钢孟家沟第二次大爆破设计说明书.北 京科大方兴燥操破工程有限公司，2003 Dynamic photoelastic research and engineering application of chamber blasting at different cavity ratios GONG Min,CHEN Xiangdong Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT In order to analyze the blasting effect of linear charge at different cavity ratios,the changes of stress field and the destroyed effect at five cavity ratios were investigated by dynamic photoelasticity in experimental models.These were applied to 128 t chamber blasting in Shougang Mine in China.The results indicated that the cavity ratio above 4.0 was suitable.And a bigger cavity ratio in a broken stone area was designed for controlling fly rock. KEY WORDS chamber blasting;cavity ratio;blasting effect;linear charge;dynamic photoelasticity

研日 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 及 动 应 力场 的作用 均 达 到较 为适 宜 的情况 根据工程爆破 的一般看 法 ， 条形 药包 的空 腔 比一 般 不宜 大 于 ， 但 从本 文 的研 究可 以发 现 ， 在 空腔 比为 的情 况 下 条形 药包 在爆破 的 初 期 较藕 合装 药 小 ， 但 在石’ 时应 力场 较 其 他空腔 比差 别 不 明显 ， 各 种 空腔 比应 力场 在爆破 后 期趋 于 一 致 对 于较 为破碎地 段 的岩石 而 言 ， 在其 他条件不 变 的情况 下 ， 爆破 初 期 的大应 力 峰 值 往 往 导 致 其 冲 孔 和 飞 石 ， 因此 采 用 空 腔 比 在 左 右 在此情 况 下 应 具有 良好 的效果 工 程 应 用 首钢 矿 业 公 司 于 年 月在 孟 家沟 采 区 对 水平 以上 ， 一 勘 探 线之 间 的部 分 山体进 行 一 次铜 室 松动 本 次 大爆 破 总装 药 量 为 ， 分 四段起 爆 ， 最 大 一 段 起 爆药量 为 洲 根据 岩 石 条件 ， 本 次 大 爆破 原 设计 的药 室 中 空腔 比控 制在 荀 不等 但 在 月初施 工 以后 直 至 月 日 ， 种 种 原 因导致爆 区 西部 、 南部不 断 出现岩 体塌 方情 况 ， 最严 重 的三 次将正在施 工 的 炯 子 全 部 埋 住 ， 一 次塌 方 量 最 大 达 护 ， 直 接影 响到 和 药 室 鉴 于岩石较 为破 碎 、 药 室 已 经 开挖 ， 在 最后 设计 时将 受 塌 方影 响 的上 述 两 药 室 降低 药量 ， 实 际 空腔 比分别 取 为 和 ， 其 他 药室 的 空腔 比保 持 不 变 爆破 于 年 月 日实施 ， 不 同药 室采 用 的不 同空腔 比爆破 效 果十 分理想 ， 岩石 破 碎 均 匀 如 图 是爆后 效 果 图 ， 飞石距 离控制在 巧 之 内 ， 对 周 围 民房 及 工 业 建 、 构筑 物 没有造 成 不 良影 响 图 大烟破后效果 月触 比 卜 ，枷 结论 条 形 药 包 爆破 的应 力场 和 其他装 药 方 式 如 集 中载荷 从 强度和 形 成上 有较大差别 ， 柱部 是 其爆破 作用 的主 要 区域 通 过 不 同空腔 比实验 研 究 的结果 进 行 工 程 实践的运 用 ， 证 实 了最 佳 空腔 比 的存 在 大 空腔 比在 特 定条件 下 尤其 是 在 岩 石破 碎 区域 具 有 良好 的爆 破 效 果 ， 这 有 助 于 改变 以 往 对 大 空腔 比某些 不 正 确 的认 识 考 文 献 幻 正 姆 唱 ‘ 加口 ， ， 陶纪 南 条形 空 腔 药 包 破坏 范 围和抛 掷规 律的研 究 爆炸 与 冲击 ， ， 仪 卢文 波 ， 朱传 云 ， 赖 世琅 ， 等 条形药包 的空腔发展过程模 拟 姗炸与冲击 ， ， 李端 明 ，唐 中华 ， 张志呈 条形 药包 爆破 的最 优 空腔 化 四 冶金 ， ， ， 田目 功 石。 翻刀 卜 ， ， 川 龚敏 ， 于 亚 伦 预裂一 缓 冲爆 破 中柱状 空 间应力波 作 用 分 析 北京科技 大 学学报 ， ， 龚敏 ， 王 德胜 首钢 孟 家 沟第 二 次大 爆破 设计 说 明 书 北 京科大方 兴爆破 工 程 有 限 公 司 ， 参 口四 泪 ， 月 ， ， ， 恤 川 吨 贻祀 ， 能 七 犯 ， 卫 雌