避免耦合——内外数值解耦

1. 不耦合系数与切缝宽度实验

（1）模型规格。

模型采用350 mm×350 mm×350 mm，孔深180 mm，孔径20 mm。

（2）实验结果与分析。

试验结果如表13-8 所示。

表13-8　不同耦合值切缝与未切缝方向同一时刻的最大应变值及相互关系

① 表13-8 表明，当不耦合系数为1.1（即耦合装药）时，不管切缝宽度大小如何变化，所产生的裂缝总是随机的，切缝外壳对爆破无控制作用。所以切缝药包用以控制岩石中裂缝的定向产生和形成必须在不耦合装药的条件下才是可靠的。不耦合系数过大或过小，亦难取得良好效果。不耦合系数对控制效果的影响非常显著；过大，裂缝形成长度短，效果差；过小，除切缝方向外，未切缝方向所形成的径向裂隙增多，长度加大，这对裂缝控制也是不利的。

② 当切缝宽度在3 mm 或以上，不耦合系数在1.5～3 时，有较好效果，其中，不耦合系数在2～2.5 时最佳效果。

③ 药包外壳切缝宽度

在一定装药条件下，药包外壳切缝宽度有一个最优值。外壳切缝太大时，则在切缝方向形成两条径向裂纹，外壳切缝太小则切缝不起导向作用。当不耦合系数为1.33[62]，切缝宽度接近4 mm 时，在中硬石灰岩中用2 号岩石炸药、外壳壁厚4.5 mm 的情况下所形成的裂隙宽度和长度为最大，分别为5.5 mm 和150 mm。如图13-17、图13-18 所示。在水泥砂浆模型上对切缝宽度进行了试验，结果见表13-9。

图13-17　药包外壳切缝宽度对裂缝长、宽度的影响

1—裂缝长度；2—裂缝宽度

图13-18　药包外壳切缝宽，不耦合值与裂缝比例长度之间的关系

L—裂缝长度；r—孔径；
1—R=3.9 mm；2—R=3 mm；3—R=5 mm

2. 切缝药包不同外壳性质与不同切缝宽度的试验

（1）水泥砂浆模型测试应变值的测试结果如表13-9 所示。

表13-9　切缝药包外壳不同切缝宽度的水泥砂浆模型测试应变峰值

（2）切缝药包外壳特性及作用。(www.xing528.com)

切缝药包的实质是药包外层具有一定密度和强度的壳体。由于外壳的存在使得炸药爆轰传播过程中径向扩散受到一定程度的限制，延长了爆生气体在装药空间的滞留时间，避免了径向稀疏波对反应区的干扰，有利于稳定爆轰并达到理想爆轰速度。当外壳的特征阻抗大于炸药特征阻抗时，即 PmDm﹥PoDo时，爆轰波直接作用于外壳，除产生透射外，尚有爆炸中心反射的压缩波，采用硬质塑料管，估计反射波的能量为总能量的10%～13%[1]。

以上无疑说明，外壳的存在使得炸药的爆轰传播趋于稳定，爆速提高，因此，爆轰压力和爆压也相应增大，表13-10 表明：随着外壳厚度的增加，切缝药包的爆速值也相应增大。合理的参数值：切缝方向最大应变值，大于未切缝1.5 倍左右。外壳厚度Δde值每增加1 mm，爆速值约增加50 m/s（无缝钢管），Δde值愈大，爆速值增加就越大。

另外，外壳材料的密度对爆速有影响，公式[63]（13-24）反映了外壳材料各类的变化对爆速的影响。

从上式可以看出，Di值随 ρm的增大而增加，当 ρm值趋于无穷大时，Di值也趋于理想爆速值，即lim Di= D。当 ρm为零时，此时，即相当于普通药卷的爆速值（0.76D）。因此可以认为，就对爆轰性能的改善而言，选用密度圈套的材料作为外壳是有好处的。相反，不考虑外壳特性，难以获得预想的破碎效果。

3. 切缝药包外壳不同厚度的模型试验

不同厚度的试验结果如表13-10 所示。

表13-10　切缝药包不同外壳厚度水泥砂浆模型实验的应变峰值

注：表中外壳厚度一列中的“-”表示比该数略小；“+”表示比该数略大。

切缝药包外壳的材质强度及其变形性质对压力的分布规律的强弱程度有着不可忽视的影响作用。如果外壳材料的强度较低，根本不能承受爆炸压力或承受能力较差，那么，切缝外壳就不能较明显地改变因爆炸而作用在炮孔壁上的压力分布特点。因此，切缝外壳必须具有一定的它对孔壁产生力学效应的前提条件。其次，外壳材料还应具有良好的弹性和韧性。假如材料质脆，即使它具有较高的强度，但却不允许产生明显的变形，否则，就发生脆性断裂破坏。这同样不能达到有效地控制炮孔壁压分布的目的。

当外壳材料的强度较低时，对炮孔壁的压力分布的影响较小，但从现场的切割爆破试验结果分析，此时仍然可以在岩体中形成定向裂缝，其主要原因是由于在切缝药包的切缝方向的高度应力集中，自然地形成了有利于切割裂缝产生的爆炸聚能效应。

4. 不同材料的切缝方向与切缝垂直方向应变峰值的水泥砂浆模型试验

（1）试验结果及分析。

试验测试得到的应变峰值及计算的峰值增大率见表13-11，根据表13-10 和表13-11 中的数据绘出了不耦合系数与应变峰值增大率的关系如图13-19 所示。从图13-19 中可以很容易看出，不耦合系数为2.0 时，应变峰值增大率最大；但从图13-19 中的应变峰值增大率和不耦合系数的关系曲线来看，不耦合系数在1.5～2.2 时，应变峰值增大率也较大。因此爆破时，根据实际情况，不耦合系数选择在2.0 左右都是合适的。

表13-11　切缝药包爆破外壳切缝方向比切缝垂直方向的应变峰值增大率

图13-19　不耦合系数与应变峰值增大率的关系

（2）结论：

切缝药包定向断裂控制爆破技术能够较好地控制介质的开裂方向和破碎程度，必将在各种工程控制爆破中更广泛地使用。它虽然是在传统光面爆破基础上发展起来的，但是它们又有许多实质上不同的根本区别。本节的模型试验研究只是一个初步的尝试，这种爆破技术还有许多方面值得探索，如本节试验时外壳中装的是散装炸药，及药柱与外壳内壁是耦合的，但是在工程爆破中，炸药卷一般是厂家直接生产的，其直径已经确定，如将其用于切缝药包爆破，药卷与外壳内壁的耦合问题就值得进一步探索。