張鳳鵬¹，彭建宇¹，閆廣亮¹，邱兆國²，馮夏庭¹，郝琪琪¹，郝紅澤¹，戴星航³

（1.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽  110819；2.東北大學理學院，遼寧 沈陽  110819；

3.遼寧石油化工大學礦業工程學院，遼寧 撫順  113001)

摘  要:自主研發了基于電爆炸的高應力硬巖微差爆破實驗裝置，模擬深部高應力環境下硬巖爆破過程，研究高靜應力與爆破動應力聯合作用下硬巖破裂機制。實驗裝置由電爆炸系統、雙軸加載系統、測試系統和控制系統四部分組成。首先，介紹了各子系統的工作原理、功能和技術參數。之后，分別開展了電爆炸系統短路放電實驗、不同長度的銅絲在空氣中和水泥砂漿預制件內的爆炸實驗、單（雙）向靜壓狀態下的水泥砂漿試塊爆破實驗等對各子系統性能及系統間的協調性進行測試與研究，通過VIC技術觀測漏斗爆破過程中試件表面應變場演化及裂紋擴展并成網過程。結果表明：電爆炸系統安全、能量易控，為巖石爆破提供一種清潔能量源，可以替代炸藥在實驗室開展巖石爆破工作；加載系統通過調整側壓力系數在試件內形成不同的二向應力狀態；測試系統能夠滿足高應力硬巖超動態爆破過程分析需求。該實驗裝置為開展深部高應力硬巖精細爆破室內模擬研究提供了新的技術手段。

關鍵詞：電爆炸；爆炸絲；高應力硬巖；非接觸觀測；動應變場；裂紋擴展

Experimental device for high stress hard rock millisecond blasting based on electric explosion

ZHANG Fengpeng, PENG Jianyu, YAN GUANGliang, QIU Zhaoguo, FENG Xia-ting, Hao Qi-qi, Hao Hong-ze, Dai Xing-hang

(1. Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines, Northeastern University, Liaoning Shenyang 110819,China； 2 School of Science, Northeastern University, Liaoning Shenyang, 110819, China; 3 School of Mining Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun, 113001, China)

ABSTRACT: A millisecond blasting experiment device for high-stress hard rock based on electric explosion was developed independently to simulate the process of hard rock blasting in deep high-stress environment and study the mechanism of hard rock rupture under the combined action of high static stress and blasting dynamic stress. The experimental device consists of four parts: electric explosion system, dual axle loading system, testing system and control system. First, the working principles, functions and technical parameters of each subsystem are introduced. After that, the short-circuit discharge experiment of electric explosion system, the explosion experiment of copper wire with different length in air and cement mortar preform, the explosion experiment of cement mortar test block under the condition of single (double) static pressure were carried out to test and study the performance of each subsystem and the coordination between the systems, and the leakage was observed by VIC technology. The evolution of strain field and the process of crack propagation and net formation in the process of bucket blasting. The results show that the electric explosion system is safe and energy is easy to control, which provides a clean energy source for rock blasting and can replace the explosive to carry out rock blasting in the laboratory. Process analysis requirements. The experimental device provides a new technical means for the laboratory simulation study of high stress fine blasting in deep hard rock.

Key words: electrical explosion; exploding wire; high stress hard rock; non-contact observation; dynamic strain field; crack propagation

0  引  言

深部工程的主要特征之一是高地應力，采掘作業均是在高圍巖應力環境下進行。鉆爆法采掘過程中，一方面開挖卸荷和爆破振動擾動可能誘發高應力圍巖出現大面積塌方、巖爆等災害，增加深部工程技術難度及成本^[1-4]。另一方面作業面附近巖體擾動應力場分布不均會造成巖石超欠挖，影響深部工程成型控制，對于采礦工程，超欠挖會造成礦石損傷與貧化。因此，高應力條件下礦巖體爆破問題正逐漸受到各國學者重視^[5-12]。

深部工程鉆爆采掘施工過程中，巖石爆破是在高靜應力和炸藥爆炸動應力耦合作用下完成的，由于高靜應力存在使得深部工程爆破更加復雜。研究結果表明，初始應力場改變了應力波的傳播規律，對爆破裂紋的產生與擴展起導向作用，使裂紋擴展方向趨向于最大主應力方向^[5-10]，靜應力降低裂紋擴展速度和長度^[12]，使爆破破壞區的面積減小、形狀隨側壓力系數變化而變化^[5-8]。文獻^[13]通過實驗方法研究了不同靜應力、近自由面球狀藥包爆破漏斗的形成過程及其影響因素，結果表明靜應力對爆破效果影響復雜，不同應力條件下出現了促進爆破和抑制爆破兩種實驗現象?？梢?，深部高應力成為影響爆破效果的主要因素之一。目前高應力下巖石爆破研究主要還停留在理論層面上，以數值分析為主^[5-8]，工程應用方面的成果仍然比較少。為了建立考慮高應力狀態影響的深部爆破設計方法與規范，需要大量理論與實驗研究成果作為支撐，在目前使用炸藥開展室內爆破實驗受到嚴格限制的條件下，研發新的爆破實驗手段與技術替代化爆技術，破解實驗條件不足這一瓶頸問題。

上個世紀中葉開始，各國學者逐步開展了電爆破理論與技術研究，取得了一些研究成果^[14-20]。Pervikov等^[14]、Kuznetsova等^[18]分別對銅絲在空氣中和混凝土炮孔中爆炸時的電流時程曲線進行了研究，研究結果表明是電流時程曲線因電極之間介質、金屬絲的材料不同而差異明顯。在能量釋放方面，Yudin等^[19]研究結果表明：振蕩的前半個振動周期內有50-80%的儲存能量被釋放，即爆破作用主要是由前半個周期能量釋放引起的。Yudin等^[20]還開展了利用電爆破崩落混凝土實驗，分別進行了兩個炮孔同時起爆和六個炮孔逐孔起爆爆破試驗，結果是前者的能量利用率更高。Voitenko等^[21]將電爆炸技術應用于露天采場大塊破碎，在爆破過程中使用含能材料產生氣體，以增強爆破效果。

雖然電爆破破巖理論、方法與技術研究剛剛起步，尚不完善，但作為安全、穩定的爆源有望成為替代化爆的一種有效辦法，在實驗室中開展爆破研究工作，促進爆破實驗技術發展。為此，本文建立基于電爆炸的高應力硬巖微差爆破實驗裝置，在實驗室開展一系列新的精細爆破實驗，揭示高靜應力與爆破動應力聯合破巖機理，為深部金屬礦床安全高效、低成本開采和深部工程安全高效開挖提供理論支撐。

1  實驗裝置組成與功能

實驗裝置主要由電爆炸系統、雙軸加載系統、測試系統和控制系統四部分組成（見圖1）。電爆炸系統利用電能使金屬絲發生等離子爆炸，將電能轉化為機械能，替代炸藥化學爆炸成為巖石爆破的能量來源，能夠實現兩點精準微差爆破。雙軸加載系統能夠對多尺寸試件進行雙向加載，模擬深部高應力環境。測試系統應用接觸與非接觸測量技術、電測、光測與彈性波測量相結合的多種測試手段對爆破前和爆破過程中的變形、裂紋擴展和應力等多種物理量進行綜合監測?？刂葡到y在μs時間尺度上協調兩路電爆系統和測試系統的工作，確保實驗任務順利完成。

1 延時同步控制器，2 電光轉換器，3 充電控制器，4 高壓脈沖觸發器，5 Marx儲能模塊，6 同軸電纜，7 電極，8 試件，9 爆破漏斗，10 靜載，11 防護玻璃，12 光源，13 超高速相機，14 相機控制電腦。

1 Time delay synchronization controller, 2 Electro-optic converter, 3 Charge controller, 4 High voltage pulse trigger, 5 Marx energy storage module, 6 Coaxial cable, 7 Electrode, 8 Specimen, 9 Explosion crater, 10 Static pressure, 11 Protective glass, 12 Light source, 13 Ultra high speed camera, 14 Camera control computer.

圖1  實驗裝置構成示意圖

Fig.1  The schematic diagram of the experimental device

1.1 電爆炸系統

電爆炸是高功率脈沖技術的應用，是在較長時間內低功率水平下將電能儲存起來，然后在短時間內以很高的功率釋放給負載，形成高電壓、大電流、高功率的脈沖放電過程。本文研發的電爆炸系統主要由Marx儲能模塊、雙極性充電電源、高壓脈沖觸發器、金屬絲負載、放電保護開關等幾部分組成。電爆破流程如圖2所示，首先，利用雙極性充電電源給Marx儲能模塊進行充電，待充電完成后，控制系統發出觸發信號，通過高壓脈沖發生器觸發電爆破爆源內部的三電極開關，導通放電回路，金屬絲在高電壓、大電流作用下在很短時間內由固態轉化為等離子態且體積膨脹，該過程中金屬絲爆炸使電能轉化為沖擊波能，使試件爆破破碎。本文電爆系統的主要參數為：總電容量為6 μF，額定充電電壓為60 kV，單路額定儲能為7.2 kJ，能夠實現兩點精準微差爆破，兩點間時間間隔可在1 ns-999 s之間設置。

圖2  電爆破流程

Fig.2  Electric blasting process

1.2 雙軸加載系統

雙軸加載系統如圖3所示，框架豎向剛度為1.18×10⁹ N/m、水平剛度為2.0×10⁹ N/m，每個方向均可獨力加載并保載，額定載荷均為5000 kN，具有力控制和位移控制兩種加載模式，力加載速率為1 N/s-1 kN/s，位移加載速率為2.5 μm/min-1 mm/min。能夠加載的最大試件尺寸為500×500×250 mm³，可對不同尺寸的試件進行加載。

圖3  雙軸加載系統

Fig.3  Biaxial loading system

1.3 測試系統

測試系統包含四個子系統：表面應變場和裂紋網擴展非接觸實時觀測分析系統、靜載作用下巖石內部損傷演化的聲發射監測系統、爆破振動測量系統、內部沖擊波測量系統等。例如非接觸實時觀測系統采用美國CSI公司的VIC-3D散斑分析軟件、英國Kirana公司的Kirana05M超高速相機，該相機主要技術參數為：分辨率為924(H)×768(V)，最大拍攝速度5 M幀/s，每次拍攝180 幀，全分辨率支持所有拍攝速率。系統的應變測量精度：3D≤50 με，2D≤10 με；應變測量范圍：0.005%~2000%。

1.4 控制系統

控制系統的核心設備是光電延時同步控制器，通過該設備精確控制電爆炸系統兩路輸出的放電起爆時間、高速相機的啟動拍攝時間等，實現兩點微差起爆與測試系統的協調，延時同步控制器共4個通道，可擴展為多路控制，控制時間精度為5 ps，延時范圍為1 ns-999 s。

2  爆炸實驗及結果分析

為了考察實驗裝置各子系統的性能，本文進行了系列測試實驗，具體實驗內容及結果見下文。

2.1 電爆系統短路微差放電實驗

為了測試系統放電性能，本文首先開展了不同微差時間的短路放電實驗。將負載區短路，分別在不同延時時間和不同充電電壓情況下進行放電測試，通過羅氏線圈監測負載區電流變化時程曲線。圖4分別為充電電壓為50 kV和30 kV、兩點延時50 μs情況下的短路電爆電流時程曲線。由于系統存在電阻和電感，放電過程是電能在系統內振蕩衰減逐漸消耗的過程。結果表明：充電電壓為50 kV時，電爆電流峰值為76.4 kA、持續時間為195 μs，而充電電壓為30 kV時，電爆電流峰值為46.4 kA、持續時間為160μs，即短路放電時充電電壓越大，電爆電流峰值越大、持續時間越長（見圖4）。圖中曲線還表明系統能夠精確控制兩路的微差放電時間，實現了兩點精準微差爆破功能。

圖4  延時50 μs的兩點異步短路電流時程曲線

Fig.4  Time delay curve of two point asynchronous short-circuit current with delay of 50μs

2.2 不同介質中的金屬絲電爆炸實驗

本實驗裝置利用金屬絲電爆炸產生的沖擊波進行高應力硬巖爆破實驗研究，金屬絲的電爆炸性能對系統使用和爆破效果產生重要影響。為此，本文以銅絲為例，通過其在空氣、水泥砂漿等不同介質內爆破過程中電爆電流時程曲線變化規律認識系統電爆特性。

(1)金屬絲在空氣介質中電爆炸實驗

采用直徑為0.4 mm的銅絲，分別進行了長度為10、50、100 mm直線型電爆炸實驗，實驗中兩電極間距離即為銅絲長度。實驗過程中保持系統充電電壓50 kV、電容器儲能5.0 kJ不變，電爆過程中電爆電流時程曲線見圖5，特征參數見表1。

a) 10 mm

b) 50 mm

c) 100 mm

圖5  不同長度的直線型銅絲電爆電流時程曲線

Fig.5  Time history curve of electric current for linear copper wire of different length

金屬絲電爆炸過程中由固態轉化為等離子態，在兩電極間形成等離子通道，隨著等離子體擴散，通道內等離子密度降低，電阻增大，電能消耗，等離子通道逐漸消失，放電結束，電爆破過程完成。實驗結果表明：銅絲長度由10 mm增加到100 mm時，放電峰值電流由64.9 kA降低到48.8 kA，放電持續時間由148 μs減小到127 μs。上述結果說明在充電電壓相同的情況下，隨爆炸絲長度增大，負載端電阻和兩電極間距離均隨之增加，使等離子通道由形成到消失所需時間變短，電流曲線峰值降低、放電持續時間減小（見表1和圖5），導致電能能量利用率降低。圖5b和圖5c兩條曲線在首波波峰處均出現電流波動現象，是因為金屬絲等離子化過程中電阻值出現波動引起的。

(2)直線型金屬絲在水泥砂漿中電爆炸實驗

研發本實驗裝置的目的是采用金屬絲電爆炸開展高應力硬巖爆破破巖實驗，因此，有必要開展金屬絲在固體介質中的電爆炸放電特性研究。采用水泥砂漿制作圓柱形試件（直徑105 mm，長度150 mm），直徑為0.4 mm、長度為50 mm的銅絲直線型預埋在試件軸線上，實驗過程中充電電壓仍然為50 kV。圖6給出了水泥砂漿圓柱試件、電流時程曲線以及爆破過程中的裂紋分布圖。比較圖5b與圖6b可以看出，在絲長與充電電壓均相同的條件下，空氣中電爆電流時程曲線與水泥砂漿的存在明顯差異：電流峰值由56.4 kA下降到51.2 kA，放電持續時間由141 μs減小為118 μs，但圖6b中電流波動現象也出現在51.2 kA處，與圖5b峰值相同。出現上述變化的原因為：電壓、電阻、電極間距離相同的情況下，形成等離子過程中初始電爆電流相同。但金屬絲在水泥砂漿圓柱體內爆炸時，等離子通道邊緣處的等離子體直接固結在水泥砂漿上，其余銅等離子體也在擴散過程中逐漸固結在水泥砂漿上，這制約了等離子體的流動性，加速了等離子通道的消失，電能轉化率降低。由于水泥砂漿中等離子通道受到制約，當電爆電流達到51.2 kA時，未能出現圖5b中電流繼續上升的現象，是電能利用低的一個原因之一。

a) 圓柱試件

a)  Cylindrical specimen

b)  電流時程曲線

b)  Current time curve

c)  爆破裂紋

c)  Blasting crack

圖6  直線型銅絲在水泥砂漿中電爆破實驗

Fig.6  Electric blasting experiment of linear copper wire in cement mortar

3  漏斗爆破實驗

3.1 實驗條件

實際爆破工程中，爆炸是在巖石內小直徑炮孔中發生，爆炸產生的高溫高壓氣體以及沖擊波引起巖石破裂^[22-25]。本文采用水泥砂漿預制試件進行爆破實驗，材料參數為：密度2143 kg/m³，波阻抗8.45×10⁶ kg/m³﹒m/s，單軸抗壓強度分別為σ_c=25.0 MPa，彈性模量21.16 GPa，泊松比0.21。試件尺寸為300 mm×300 mm×150 mm（見圖7），炮孔位于300×300mm面中心線上，孔底距自由面的距離為20 mm，直徑為12 mm。仍然以直徑為0.4 mm、長度為50 mm的銅絲作為爆炸絲開展電爆破實驗，充電電壓為50 kV，儲能5.0 kJ，采用超高速相機拍攝了試件表面應變場演化及裂紋網形成過程，拍攝速度為0.2 M幀/s，記錄時長895 μs。

圖7  電爆炸破巖試件示意圖

Fig.7  Schematic diagram of electrical explosion breaking rock specimen

3.2 圓形盤繞金屬絲電爆炸實驗

為了將銅絲放入直徑12 mm的炮孔內，本文采用圓環形盤繞銅絲負載結構。圖8給出了盤繞銅絲與電極照片，兩電極間距離僅為3.3 mm，電極間采用絕緣介質隔離，避免試驗過程中電極間直接放電或爬電造成能量損失，銅絲盤繞在電極尖端，絲爆炸在電極端部形成等離子通道。本文以直徑為0.4 mm、長度為50 mm的銅絲為例，分別開展金屬絲在空氣中和水泥砂漿鉆孔內的電爆炸實驗，研究該情況下電爆電流時程曲線的變化特征。當進行炮孔內絲爆破實驗時，我們將電極和盤繞的銅絲插入炮孔內，用丙烯酸酯膠填塞炮孔。圖9給出了空氣中和炮孔內兩種情況下的電流時程曲線，可見兩種情況下電流峰值均為69.6 kA，放電持續時間由空氣中的158  μs減小到106 μs。

本文將上述各種情況下的銅絲電爆炸電爆電流時程曲線特征參數匯總于表1中，可見，電極間負載形態與電阻、電極間距以及放電介質均是影響放電峰值電流和持續時間的主要因素，如何優化電極及負載結構、提高系統的電能量利用率，有待進一步深入研究。

圖8  盤繞銅絲與電極

Fig.8  Coiled copper wire and electrode

a）空氣

a）Air

b）炮孔內

b)  Inside the blasthole

圖9  盤繞銅絲電爆放電時程曲線

Fig.9  Time history curve of electrical discharge for winding copper wire

表1  銅絲電爆放電時程曲線參數

Table1  Parameters of time history curves for copper wire explosion

3.3 試件表面動態應變場演化及裂紋網形成過程監測與分析 

(1)無靜載情況下的漏斗爆破過程

近自由面球狀藥包爆破漏斗實驗廣泛應用于爆破現象與機理的研究^[22,26-29]  ，為此，本文首先開展了無靜載荷條件下水泥砂漿試件的漏斗爆破實驗，圖10給出了無靜載情況下爆破中試件表面最大主應變場演化過程。結果表明：起爆初期，應力波尚未傳播到自由面，表面的應變場繁雜無序，隨著時間推移，爆破作用傳播到自由面處，試件表面應變場逐漸出現分區化，在壓應力波作用下，在炮孔中心區域出現圓形拉應變集中區（圖中紅色部分），拉應變區外出現了壓應變區（藍色），隨在爆破時間延續，拉、壓應變不斷增大。

圖11給出了無靜載情況下爆破中試件表面裂紋網演化過程?？梢?，當沖擊波陣面到達試件自由面時，自由面巖石在壓縮沖擊波鼓脹作用下首先出現隨機分布的放射狀徑向拉裂紋并向外快速擴展，當裂紋尖端接近拉、壓應變過渡區時停止繼續擴展。之后在拉、壓應變過渡區內出現環形裂紋，之后環向裂紋與徑向裂紋交錯擴展，逐漸形成首條封閉圓形裂紋。隨著首條環向裂紋形成封閉圈，第二條環形裂紋逐漸出現，伴隨著爆破粉塵外泄，標志著表面裂紋與炮孔周圍粉碎區貫通，爆破漏斗邊界逐步形成。

(2)單向預壓情況下的漏斗爆破過程

之后開展了單向靜壓條件下水泥砂漿爆破實驗，預加靜載σ=15 MPa，應力強度比為σ/σ_c=0.6。圖12和圖13分別給出了該情況下爆破過程中試件表面最大主應變場和裂紋網演化過程。結果表明，由于存在單向預加靜應力，在靜應力場的導向作用下使應變場呈現橢圓形分布，橢圓長軸與靜應力方向一致；自由表面首先出現了平行靜載荷的拉伸裂紋，宏觀裂紋只有一條并沿載荷方向快速擴展。環向裂紋首先出現在宏觀拉裂紋尖端區，對徑向裂紋擴展起到阻斷與抑制作用。環形裂紋不斷擴展，逐漸形成橢圓形爆破漏斗邊界。

比較圖10和圖12中以及圖11和圖13的結果可以看出，靜應力對爆破應變場演化和裂紋網形成影響顯著。首先是靜應力場的導向作用。主要表現在（1）對應變場演化的導向作用，單向靜應力場使爆破動應力場由無載荷的圓形對稱分布轉化為橢圓形分布，長軸與靜應力主方向一致；（2）對裂紋產生與擴展的導向作用，單向靜應力場使試件表面首先出現的壓應力波鼓脹裂紋由無載荷的多條隨機分布裂紋轉化為平行靜應力的單一宏觀裂紋，對垂直靜載方向的徑向裂紋起到抑制作用；（3）對爆破漏斗形態起導向作用，單向靜應力場使爆破漏斗由無載荷的圓形轉化為橢圓形，長軸與靜應力主方向一致。其次，靜應力影響裂紋的起裂時間與擴展進程。無靜載情況下，起爆30 μs出現徑向膨脹裂紋，100 μs出現環向裂紋，250 μs出現第二圈環向裂紋，800 μs時漏斗邊界形成。而施加單向15 MPa預壓應力情況下，起爆60 μs出現平行靜載的徑向膨脹裂紋，475 μs出現漏斗邊界環向裂紋，895 μs拍攝完成時完整的爆破漏斗邊界尚未形成?？梢姡诋斍皩嶒灄l件下，靜應力遲滯了爆破裂紋的產生與擴展。此外，靜應力還導致裂紋區面積增大，裂紋分布不均等實驗現象出現。

上述兩實驗結果表明，深部高應力狀態下，靜應力狀態成為控制爆破漏斗形態、影響爆破效果的重要因素，不同靜應力狀態下爆破動應力場演化規律、爆破裂紋網形成過程以及靜應力與爆破動應力耦合破巖機理將在后續工作中利用該實驗裝置進一步深入研究。

4  結  論

（1）本文研發的電爆炸系統通過金屬絲等離子爆炸進行脆性類巖石材料爆破，效果良好，實現了利用電能代替炸藥爆炸釋放的化學能進行爆破的目的，系統操作方便、安全可靠，兩點微差爆破延時時間控制精準，可進一步研發成為一種新的、綠色的巖石爆破技術；

（2）非接觸觀測系統能夠很好地記錄與再現爆破過程中應變場與裂紋網的超動態演化過程，控制系統很好地協調了各系統的工作；

（3）利用本實驗裝置開展了無靜載、單向靜壓兩種不同靜應力狀態下脆性類巖石材料的爆破實驗，非接觸觀測結果表明，靜應力場對爆破的響應主要表現為：主導爆破動應力場演化和裂紋網擴展，改變破壞區形態和爆破漏斗體積，成為影響深部工程爆破的主要因素。

（4）本實驗裝置的核心技術是金屬絲等離子爆炸替代炸藥化學爆炸，電能替代化學能；爆破超動態應變場演化和裂紋網形成過程的非接觸觀測；多尺寸試件雙向加載，構建深部高應力環境；兩點精準微差爆破，這些技術保障了深部高應力狀態下高效爆破機理和技術的研究有效進行。

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