I BoRRnÅl r. märl.llno ocn gtmuurlno. EMUTsIONSSPRÄNOÄMNE. erplosive in blast r EXPANS ONSAR,BEÍE AV ETT. Erponsion work of on emul ion

Transkript

1 STFTELSEN SVENSK BERGTEKNSK FORSKNNG SWEDSH ROCK ENGNEERNG RESEARCH EXPANS ONSAR,BEÍE AV ETT EMUTsONSSPRÄNOÄMNE BRRnÅl r märl.lln cn gtmuurln Erpnsin wrk f n emul in erplsive in blast hl@ r mecsuremenl nd simultin Shulin Nie Junhua Deng Finn Ouchterlny SveBeF Rapprt 48 Stckhlm 2000 rssn 1104-r773 SRN SVEBEFO.R--48--SE

2 11 Förrd SveBeFs arbete för att förstå sprängämnens verkan i berg har tidigare rapprterats från utvecklingen av en brinnmdell, sm beskriver det fysikaliska frlppet bakm detr-ratinsfrnten i en laddning. Genm en serie experiment ch jämñrelser med teretiska beräkningar visades hur lika sammansättning av sprängämnet påverkar detnatinsförlpp. ftireliggande rapprt redvisas frsök med ett emulsinssprängämne sm mtsvarar gängse kmmersiella sprängämnen, Experiment ch maternatiska simuleringar har gjrts för att demnstrera energiutveckling ch expansinsförlpp, där trycken mätts upp med den s k LHM-tekniken, sm tagits fiam vid SveBeF. Aktuella, mycket krtvariga tryck är i strleksrdningen 5-10 GPa, ch huvuddelen av förlppet har kunnat registreras ch beräkningsmässigt verifieras vid ftirsök i granitblck ch en pallkant i kalkberg. En rnindre mdifiering av mätcellen har föreslagits för kmmande försök, men redan uppnådda resultat âr viktiga i kunskapsuppbyggnaden ftir att bättre kunna styra val av sprängämne ch håldiameter för ett effektivt ch väl kntrllerat sprängningsresultat i lika tillämpningar. Frtsatta undersökningar har inletts för att bestämma arbetsftirmågan hs blandningar av emulsin ch ANFO, bland annat. med hjälp av cylinderexpansinstester i samarbete med FOA. Samtidigt mdifieras LHM-cellen infr senare bestämning av brirurmdeller för dessa sprängämnen. Prjektet fljs av SveBeFs "referensgrupp för detnik", under rdförandeskap av Stefan Lamnevik, FOA, ch med representanter fcir Dyn Nbel ch Kimit. Stckhlm i maj 2000 Tmas Franzén

3 lil Sammanfhttning Att kunna styra sprängning ch uppnå önskat resultat frdrar kunskaper m ett sprängâmnes detnátiniftrlpp i brrhålet, dvs kunskaper m hur sprängämnets energi msätìs ch överfrs till berget. Dck är de kunskapema inte lätt tillgängliga. T ex saknas det både mätrutiner ch beräkningsmdeller fcir sprängämnens expansinsarbete i bnhå. Frskningen sm beskrivs i rapprten mfattar både mâtning ch simulering. Ett frskningssprängämne har tillverkats ch använts vid sprängning i 37 mm hål i granitblck'chl g9 mm hål i pall i kalksten. Trycktidförlppen i sprängfcirsöken har mätts ch beräknats. Mätuppställningen för ftiltförsök har utvecklats ch förhnats. Förutm mätning av detnatinshastighet, har LHM tekniken, sm utvecklats på SveBeF, använts fr mätning av trycktidfrlppet i spränghålet. Sm underlag för simuleringarna har sprängämnets egenskaper mätts ch en brinnmdell för sprängämnet tagits fram. Försöken ch simuleringarna har gett gda resultat. Resultaten visar att LHM tekniken fungerar bra. Det mat{a trycket uppgick tll 2,3 GPa i granitblcket ch 5 GPa i kalkstenspallen ch mtsvarande varaktigheter pä 745 respektive 96 ps kunde registreras av tryckgivarna. Simuleringama bekräftar delar av tryckmätningama. Dck ärln större datrkapacitet nödvändig för simulering av hela fìiltförsöken. Rapprten beskriver tillverkning av sprängämne Emulsin 682 ch mätning av dess.gånrkup.r, framtagning av sprängämnets brinnmdell, utveckling av mätuppställning fõr tillampning av -Hfrrf tekniken i fìiltftirsök, sprängningsförsök i granitblck ch i kalkstenspall, simulering av fìiltförsöken samt resultaten från alla arbetsmmenten. kmmande prjekt skall LHM-givarens knstmktin frbättras ch dess respnstid förkrlas; SveBeF:s simuleringskapaciteten utökas ch sprängämnens reaktinsförlpp efter cj-planet studeras med exempelvis cylinderexpansinsprv,

4 V Extended Summary T cntrl a blast and btain the desired results requires knwledge f the detnatin prcess in the explsive in the blast hle, i.e. knwledge f hw the explsive energy is ieleased and transferred t the rck. Hwever, this knwledge is nt readily accessible. Difficulties are encuntered frm bth practical and theretical aspects. The difficulties n the theretical side are the lack f mathematical mdels which can accurately describe the rck and the explsive during blasting. Meanwhile, the difficulties n the practical side are the lack f measuring techniques t mnitr the rapid, high-pressure ànd high-temperature detnatin prcess in blast hles. Fr example, velcity f detnatin (VOD) f the explsive and vibratin in the sununding rck have been the nly parameters ne can measllre with gd accuracy. N measurement f brehle pressure histry in the bttm f a blast hle in rck has been presented in the literature. The wrk in this reprt describes attempts and achievements frm bth theretical and practical aspects. Frm the practical aspect, the LHM (Lcatin-fixed Hydrdynamic Measuring-cup) technique develped at SveBeF fr measurement f the brehle pressure histry has been applied in held blasting experiments in granite blcks and in a limestne bench. Frm the theretical side, a burning mdel determined fr the testing explsive has been implemented in the DYNA2D prgram t simulate the field experiments. Three majr research activities are included in this reprt; a) characterizatin f the research explsive, Emulsin 682,b) field blasting experiments in granite blcks and in a limestne bench and c) cmputer simulatin f the field experiments with the prgram D\.NA2D. Detailed studies serving these three majr tpics have been gathered in 10 appendices (Bilaga 1 thrugh Bilaga 10), such as measurements f VODs and curvatures f the detnatin frnts in different charge diameters, determinatin f the Hugnit f the matrix f the explsive, determinatin f the equatin f state (EOS) fr the reacted respective unreacted explsive, determinatin f the burning mdel f the explsive, literature study n the pressure sensitivity f the carbn resistr used in the LHM gage and applicatin f the LHM technique in the bench. This cmprehensive summary will describe the majr achievements with the help f sme Figures and Tables in the reprt. Therefre, the numbering f the figures, tables and equatins in this summary is identical t that in the reprt' 1. Characterizatin f the research explstve A research explsive, Emulsin 682, has been manufactured accrding t the recipe in Table 1. t is an emulsin explsive based n ammnium nitrate and sdium nitrate and sensitized by glass micrballns. CharacteÅzatin f this explsive has been carried ut and the fllwing prperties have been determined.

5 V. Density f the matrix at 20 C: 1436 kglm3 Density f the matrix at 7 4 "C: i 400 kg/m3 Viscsity f the matrix at 7 4 "C:49 kcp r 49 Pa's. Density f the explsive at 20 C: p : 169 kglm3 r VOD f the explsive in plastic tubes: vd : /O (1) Curvature f the detnatin frnt at the charge axis in plastic tubes Rf): , Q2 (2). Shck Hugnit f the matrix u,: 'uP (3) Shck Hugnit f the unreacted explsive U,: 'Ue (4). JWL EOS fr the unreacted explsive e-23 ev _.2.4t8sv, P = , l 1- e+ '- 1 2tsv ) V V At the ambient state: P: atmsphere pressure = 0 GPa; V : 1 and E:0 (s) JWL EOS fr the reactin prducts p : ( r - 0'6817'1.. 0,,,'u + r4.7i.( r - '\stl ). " r',u + 0'6817' E \ 6.1rs7v) \ v) v At the CJ-pint: Pc: GPa; v", : '10r m3/kg; Vc,: and 8.,: GJlm3 (6) n Equatins 1 thrugh 6, VOD is the velcity f detnatin (m/s); $ is the charge diameter (mm); \ is the curvature f the detnatin frnt at the charge axis (mm); U, is the shck wave velcity (m/s); U is the particle velcity (ttls)i P is pressure (GPa); V is the relative vlume (v/v); v is the specific vlume (m3lkg); v is the specific vlume at the atmsphere pressure (m3ltg and E is the specific internal energy (GJ/m3).. gnitin and Grwth burning mdel fr the explsive: $ = t 10(r - 1.5À)'?( r )4 + 35(1 -x)% L%/ 84 (7)

6 V1 Here, À is the reactin extent r the fractin f the reacted explsive; t is time (ps); p. is the relative cmpressin f the explsive (p"/p -l); p" is the density f the reacting explsive (g/cm3); p is the initial density f the explsive (g/cm3) and P is pressure (Mbar) 2. The LHM gage fr measurement f brehle pressure histry The cnfiguratin and dimensins f the LHM gage is illustrated in Figure 5. t cnsists f a steel cup filled with water. A 470 f) carbn resistr is munted at the bttm f the cup as the pressure sensr. The pressure sensitivity fr this resistr is expressed by Ec uatins 8a and 8b. Further descriptins f the pressure sensitivity are given in Appendix 7 (BilagaT). P : S'(R'/R-1)'730 (urn > 0.44) (8a) P= ' R * R R - g.4.e-ru* R (R/& < 0.44) (8b) Here: p is pressure (GPa); R is the resistance under pressure (A) and R is the resistance at atmsphere pressure (* 470 Q). 3. Field tests in granite blcks Tw test shts have been fired in granite blcks, ne with a decupled charge and the ther withut decupling. The test cnfiguratin can been seen in Figure 6 and the details are given in Table 2. The LHM gage was lcated at the bttm f the blast hle and the explsive is placed n tp f it. The signal cable frm the LHM gage was cnnected t an amplifier thrugh a cable hle drilled beneath the LHM gage. Bttm initiatin by a primer was used and the VOD in the charge was measured. Table 2: Test c fr field tests in te blcks. Test N Test 1 Test 2 Blck Length x Width: 2.2 m x 2.0 m Length x Width: 1.5 m x 1.5 m size Heieht: 1.33 m Height: 1.05 m Blast hle ö37mmand0.6 m in length ô 37 mm ar'd 0.6 m in length Cable hle 0 25 mmand0.73 m in length 0 25 mm and 0,45 m in length Fully charged with Emulsin 682 Decupled with Emulsin 682 Charge Diameter: 37 mm Diameter: 2l.2mm Length: 35.5 cm 28 cm Primer RDX cylinder, $ 2l x2 0mm,L2g RDX cylinder, $ 2 x20 mm,72 g Detnatr N. 8, electric N. 8, electric

7 vll The measured pressure histries in the blast hles were shwn in Figure 7 and the measured VODs in Figure 8. A summary f the measuring results were als given in Table 3. Phts f the blcks and the LHM gages befre respective after the blast tests were cllected in Appendix 8 (Bilaga 8), Figure 813 fr the fully charged blck and Figure 814 fr the decupled blck. Table 3: Results frm field enments rn blcks Test N Test 1 Test 2 VOD 5712 mls 4756 mls Pressure Max. pressure: 2.3 GPa Max. pressure: 0.55 GPa histry Recrded duratin: 0.51 ms Recrded duratin: 0.75 ms The shrt pressure duratin recrded in the fully charged hle was callsed by the breakage f the signal cable frm the LHM gage. 4. Field test in a limestne bench The LHM technique has been applied t a bench blasting in a limestne quany. The final test cnfiguratin in Figure t has been develped after a series f field experiments, described in Appendix 9 (Bilaga 9).An inclined 0 89 mm blast hle was drill thrugh the bench. Tw LHM gages were munted in the bttm part f the hle by casting in cement. An 0.8 m lng charge f Emulsin 682 was placed n tp f the gages and the hle was stemmed. The explsive was initiated by a bttm primer f 50 g pressed Pentlite. Brehle pressure, VOD in the explsive and vibratins in the rck behind the charge were measured. The measuring results f VOD, brehle pressure and vibratins were shwn in Figures 10, 11, 12 and 18. The VOD was evaluated as 5453 m/s, see Figure 10 and the vibratin level in the rck was generally very high, see Figure 18. Hwever, it was difficult t determine the highest measured pressures frm the recrds, since sme high frequency signals were superimpsed n the initial parts f the pressure recrds, see Figures 11 and 12.gnring these high frequencies, the maximum pressure was estimated t be 5 t 6 GPa. The recrded pressure duratin was very shrt, 96 ps frm ne gage and 50 ps frm the ther gage. Again, the breakage f the signal cable terminated the pressure recrds. 5. Cmputer simulatin f the held tests t had been planned t simulate all the field tests described in Sectins 3 and 4 by the DYNA2D prgram implemented with the buming mdel f Emulsin 682. Hwever, it sn turned ut that ur cmputing capacity was t limited t simulate the field test in the limestne quaffy. Nr culd we simulate the test in the granite blck with a decupled charge. Even fr the test in the granite blck with a fully charged hle, ur

8 vl1l cmputing capacity was s limited that we culd nly carry ut qualitative studies' Still, seveial imprtant results have been btained frm the simulatins. The wave prpagatin inside the steel cup f the LHM gage culd be studied in detail. Agreement between the simulatin and the measurement was excellent in terms f arrival times f varius waves, e.g. reflectins and wave cllisins.. The size f the stne blck determines the pressure duratin in the brehle. r The dynamic yield strength f the rck determines the pressure amplitude. The respnse time f the LHM gage is quite lng. That is t say that it takes a lng time befre the pressure inside the LHM cup clrespnds t the pressure in the detnatin gases in the blast hle. This respnse time can be shrtened by sme simple imprvements. The calculated VOD by the simulatin agrees well with the measured ne. n the cming prjects, the cnstructin f the LHM gage will be imprved s that its respnse fimè will be shrter; ur cmputatin capacity will be increased and the reaitin in the explsive after the CJ pint will be studied by cylinder tests.

9 lx nnehållsförteckning Sida Förrd Sammanfattning Extended Summary nnehållsförteckning nledning 2 Egenskaper hs frskningssprängämnet 2. 1 Sprängämnets recept 2.2 Bestämning av sprängämnets fysiska ch detnatinsegenskaper 3 Fältmätning av sprängämnes expansinsarbete i brrhål 3.1 Tryckgivare fcir mätning av brrhålstryck ch givarkalibrering 3.2 F àltmatningar i granitblck 3.3 Fältmätning i kalkstenspall 1t iii ix Simulering av sprängämnets expansinsarbete i brrhål Materialdata till simuleringama 26.2nledande simuleringar Simulering av sprängämnets expansinsförlpp i ett fulladdat hål i granitblck 29 5 Slutsatser ch diskussiner Erkännande Referenser Bitaga 1: Mätning av VOD i sprängämne Emulsin 682 Bitaga 2: Mätning av krökningsradier hs detnatinsfrnter i sprängämne Emulsin 682 Bilaga 3: Tillståndsekvatin för reagerat sprängämne Bilaga 4: Tillståndsekvatin für spränggaser Bilaga 5: J\WL anpassningsprgram JWL, Bilaga 6: Brinnmdell ftir sprängämne Emulsin 682 Bilaga 7: Tryckkänslighet hs 470 Q:s klmtstånd - litteraturstudie av givarekalibrering Bilaga 8: Utseende hs granitblcken ch tryckgivarna ftire ch efter sprängfiirsöken Bilaga 9: Användning av LHM-givaren i tryckmätning i dagbrtt Bilaga 10: Pallen i kalkstensbrttet före ch efter sprängförsöket Referenser i bilagr

10 1 nledning Det är varje bergsprängares önskan att kunna utnyttja sprtingämnet effektivt genm att anpassa sprängämne ch laddteknik till den avsedda tiliämpningen. Sprängning skall åstadkmma önskad fragmentering, minimala skadr på kvarstående berg ch minimala förreningar av miljön i frm av spränggaser ch sprängämnerester. För att kunna uppfylla denna önskan måste man frstå dels sprängämnens detnatinsegenskaper, dels bergs beteende under sprängning ch dessutm samverkan mellan sprängämne ch berg. Emellertid är det ingen enkel uppgift att kunna förstå dessa. För det fcjrsta är sprängämnen sm används i bergsprängning ftast så kallat icke-ideala sprängâmnen. Deras detnatinsegenskaper ù starkt berende av inverkan från mgivningen, t ex den bergart man spränger i. Den traditinella detnatinsterin kan inte beskriva sprängfrlppet med tillräcklig nggrannhet. Under de senaste åren har ett antal brinnmdeller utvecklats fcir dessa icke-ideala sprängämnen på bl a SveBeF 11,2, 3, 4 ch 5/. För det andra är berget allmänt känt fcjr sin kmplexitet. Fysiska egenskaper ch gelgi varierar från plats till plats. Onekligen medftir tillämpningen av icke-ideala sprängämnen i kmplicerat berg stra praktiska ch teretiska svårigheter. På den teretiska sidan ligger svårigheten i att firma matematiska mdeller sm nggrant beskriver berg respektive sprängämne under sprängningsfcirlppet. På den praktiska sidan ligger svårigheten i mätteknik ftir uppföljning av det snabba sprängningsftirlppet i berg med stra tryck ch höga temperaturer. Detnatinshastigheten (VOD) hs sprängämnet ch vibratinema i berget har varit de enda parametrar sm kunnat mätas med gd nggrannhet. Utrustningar för sådana mätningar ar kmmersiellt tillgängliga. Vad vi vet har ingen lyckats mäta trycktidfrlppet i btten av ett fulladdat sprängbnhå. Dck har frsök att mäta bnhålstryck i berg utfrts så tidigt sm på 60 talet /6/. Försök altmàta bnhålstryck i bnhål med frikpplade laddningar har ckså utförts l7l men den tekniken har inte används i praktiken sedan dess. Dessutm har mätning av detnatinstrycket i bnhål utförts /8/. SveBeF har tidigare bedrivit frskning på såväl teretisk beräkning sm mätteknik fcir ÍÌiltbruk, Bland annat har en metdik att bestämma brinnmdell fr sprängämnen ch en metd, den s k LHM (Lägesbestämd Hydrstatisk Mätkpp) metden, för mätning av bnhålstryck i hålbtten utvecklats 15,9 ch 10/' nuvarande prjekt har ett emulsinssprängämne, Emulsin 682, tillverkats ch använts i ÍÌiltftirsök i stenblck ch i pallsprängning. Bnhålstryck ch VOD har mätts i försöken. Sprängningarna har dessutm simulerats med hjälp av prgrammet Dyna2D med brinnmdellsdata ch andra materialegenskaper sm tagits fram för sprängämnet. Flera persner har varit delaktiga i prjektet ch deras insatser redvisas i Erkännande vid slutet av rapprten.

11 2 2 Egenskaper hs frskningssprängämnet Ett enrulsinssprängämne, Emulsin 682, har tillverkats för frskningsändamål i Dyn Nbel:s labratrium i Gyttrp. Sprängämnets fysikaliska egenskaper ch detnatinsegenskaper har bestämts genm labratrieförsök. Brinnmdellparametrarna har bestämts genm den tidigare utvecklade rnetdik l5l sm innebär s k baklängsräkningar mt mätdata. 2.1 Sprängämnets recept Receptet finns i Tabell 1. Följande hänsyn har tagits till valet av kmpnenter ch dess kmpsitin: 1) Sprängämnet skall vara stabilt ch klara en lagringstid på minst 2 år. Detta krav ledde till en stabil matris med AN/SN saltlösning ch ett stabilt emulgeringsmedel samt glasmikrballnger sm medel fcjr känsliggörning. 2) Sprängämnet skall vara syrebalanserat. Tabell 1 lu F\ùù vr 4r F Emulsin 682 Kmpnent ngrediens Kmpsitin (vikt-%) Vatten 14,52 Saltlösning Natrium Nitrat (SN) 10,88 Ammnium Nitrat (AN) 65,31 Emulgatr LZ 5691D ) 1,50 tiu Whiterex 309 2) 4,51 Mikrballng 3M K20 3) 3,28 Uppgifter från tillverkaren Lubrizl Limited: kemisk frmel: Cu,rH,r,nN,rOr, densitet vid 15,6 C :916 kg/m3 ch bildningsvärme vid vätskefas : kj/kg. 2): Enligt tillverkaren Mbil Oil HB: densitet vid 20 C : 850 kg/m3 ch frbränningsvärme : 45,6 MJ/kg. 3): Tillverkare: 3M C. 2.2 Bestämning av sprängämnets fysiska ch detnatinsegenskaper 2.2, F y slkali ska egenskaper Under sprängämnets tillverkning har densitet ch visksitet hs matrisen mätts. Densiteten hs matrisen ch sprängämnet har dessutm mätts vid rumstemperatur. Densitet hs matrisen vid 20 C:1436 kg/m3 Densitet hs matrisenvidt4 'C: 1400 kglm3 Densitet hs sprängämne vid 20 C : kglm3 Visksitet hs matrisenvidt4 "C: 49 kcp : 49 Pa's

12 J D efnatinshasti ghet (VOD) VOD hs Emulsin 682 har mätts både i rörladdningar ch i brrhål i berg. Rören bestd av PVC ch stå. ljckleken på PVC-rören varierade mellan 1,2 mm ch 4,5 mm berende på laddningsdiametem medan tjckleken på stålrör var 3,6 mm. Sammanlagt har 35 VOD mätningar erhållits i PVC-rörladdningar, en mätning i stålrörladdning, två i granitblck ch en i kalkstenspall. Diagram över VOD sm en funktin av laddningsdiameter för mätningama i PVC-rör visas i Figur 1. Sambandet kan beskrivas med ekvatin 1. Figur 2 ingär samtliga VOD mätningar. Mer infrmatin angående mättekniken ch mätresultaten finns i Bilaga 1. vd : /0 (1) Här är: VOD : detnatinshastigheten (m/s) 0 : laddningsdiametern (mm) O mätts med instrument MiniTraP mätts i samband med mätningen av krökningsradier e VOD = /laddningsdiameter t ø /laddningsdiameter ( /mm) 0.08 Figur 1: VOD mätningar i sprängämne Emulsin 632laddade i PVC-rör

13 4 i stålrör 6000 s fulladdad i sranit /-- --^ ã,--"" """' 5400 e,. () fulladdad i kalksten (n J 5000 lt 4600,b r ' Þ, E O PVC rör; i samband med mätningar av krökningsradier PVC rör; med instrument MiniTraP PVC rör; VOD = /diameter 3800 l Laddningsdiameter (mm) Figur 2: VOD hs sprängämne Emulsin 682 i PVC-rör, i stålrör, i bnhål i granit blck ch i bnhål i kalkstensdagbrtt' 2,2.3 Kïök;ningsradien hs detnatinsfrnten i sprängämne Emulsin 682 Detnatinsfrnter i 14 Pvc-rörladdningar med laddningsdiametrar mellan 13,6 ch 67,8 mm har ftgraferats med vår Crdin 116 höghastighetskamera. Krökningsradien hs detnatinsfrnterna på laddningarnas axel har mätts ch redvisas sm en funktin av laddningsdiametern i Figur 3. Förhållandet mellan krökningsradie ch laddningsdiameter kan beskrivas med ekvatin 2. };4er detaljer m mätprceduren ch mätresultatet redvisas i Bilaga 2.

14 5 &: 15,g9 + 0,g4.ó + 0,02.$2 (2) Här är: R: krök i gsradien hs detnatinsfrnten mätt i centrum av laddningen (mm) 0 : laddnir-rgsdiameter (mm) r H C) ô a t a cú,' E H lj 100 0) C) cü U) b 50 t ) a M Laddningsdiameter (mm) Figur 3: Detnatinsfrntens krökningsradie i centrum av laddningen sm funktin av laddningsdiametern Tlllståndsekvatinen fcir reagerat sprängämne Emulsin 682 Tillståndsekvatinen för reagerad Emulsin 682 har bestämts i tre steg. Först har Hugnit-sambandet för matrisen bestämts experimentellt. Sedan beräknades Hugnitsambandet för det reagerade sprängämnet med hjälp av blandningsregler fcjr den blandning av matris ch mikrballnger sm mtsvarar sprängämnets kmpsitin. Till sist beräknades tillståndsekvatinen för det reagerade sprängämnet baserat på dess Hugnit. Tillståndsekvatinen skall dessutm anpassas till JWL-frm ftir användning i DYNA2D.

15 6 Försöksmetdiken ch resultaten beskrivs i Bilaga 3 Ekvatinerna 3 ch 4 utgör Hugnit-sambanden fcir matrisen respektive reagerat sprängämne Emulsin 682, Ekvatin 5 är däremt tillståndsekvatinen för reagerat sprängärnne Emulsin 682 uttryckt i JWL-frm. U,: ,80.Up u,: ,666.Up p :2,T0re' r'.(r ##).e.r3'e'v -20,e0r(t -+).e 2+ 8ev.4+J (3) (4) (5) Här är:u,: stötvågens hastigheten genm materialet (m/s) U: partikelhastigheten i materialet, rsakad av stötvågen (m/s) P : trycket i reagerat sprängärnne (GPa) V: v/v v : specifik vlym hs reagerat sprängämne (mt/kg) v : specif,rk vlym hs reagerat sprängämne vid atmsfürstryck : 0, (m3lkg) E : specifik inre energi hs reagerat sprängämne (GJ/m3) Vid starttillståndet gäller: P:atmsftirtryck-0GPa \r _ v- t tr Lv -n Tillståndsekvatinen fcjr spränggasen från sprängämne Emulsin 682 Såväl spränggasemas tillstånd vid en fullständig detnatin sm gasemas expansinsisentrp har beräknats med ett termdynamiskt prgram Cheetah llll. Expanssinsisentrpen har sedan anpassats till JWL-frm, ekvatin 6. Detaljer m Cheetahberäkningen ch JWl-anpassningen beskrivs i Bilaga 4. 0,6817 P : 505,59. 1 e-6'rr57v +14,77 6,1T5]V.stzl lr \ 2,1001V/ V (6) Här är: P : trycket i spränggasen (GPa) V: v/v v : specifik vlym hs spränggisen (m3/kg) v : specifik vlym hs reagerat sprängämne vid atmsfìirstryck :0, (m3lkg) E : specifik inre energi hs spränggasen (GJ/m3)

16 7 Vid CJ tillståndet gäller: Pc : 10,24 GPa vcj : 0'649'10r m3/kg Vc, :0,7584 E.., : 4,8402 GJ/m Enbrinnmdell ñr sprängämnet Bestämnin-e av brinnmdellparametrar En två-terms brinnmdell av typen "gnitin and Grwth" l5l har använts ftir beskrivning av förbränningshastigheten hs Emulsin 682. Parametervärdena till brinnmdellen har kalibrerats med hjälp av prgrammet DYNA2D genm minimering av avvikelsen mellan D\af{A2D-beräkningar ch mätningama av både VOD ch krökningsradier. ndata till DyNA2D-beräkningen är JV/L-tillståndsekvatinerna fcir r.ug.rut sprängämne ch fcjr spränggaser samt sprängämnets densitet' Ett kalibleringsschema visas i Figur 4 ch den framtagna brinnmdellen fcjr Emulsin 682 ges i ekvãtin 7. Observera att enhetema i ekvatin 7 ar anpassade till användning i óynezo. En utförligare beskrivning av parameterbestämningen finns i Bilaga 6. $ = t 10(1-1,5)")2( r" - 0,05)a + 35(1 -x % %p''' (7) här är: l,: reaktinsgraden : den fraktin av sprängämnet sm har reagerat t : tiden (Prs) 1": relativa kmpressinen av sprängämnet : p"lp -1 p.: densiteten hs det reagerande sprängämnet (g/cm3) p: staftdensiteten hs sprängämnet (g/cm3) P: trycket (Mbar) Verifiering av brinnmdellen För att verifiera brinnmdellens giltighet har brinnmdellen använts i en simulering av det sprängningsfrsök i stålrör sm beskrevs i Bilaga 1, se Tabell Bl b) ch redvisning i Figur Bl " frsöket har VOD hs sprängämne Emulsin 682 uppmätts till 5798 m/s. Simuteringen gav ett VOD-värde på 5j13 m/s, vilket överensstämmer mycket bra med fiirsöket. Detta visar att mdellen duger bra åtminstne för beskrivning av stabila detnatiner.

17 8 Egenskaperna hs reagerat sprängämne Matrisens Hugnit Sprängärnnets Hugnit Cheetahberäkning Tillståndsekvatinen för spränggasen Egenskaperna hs spränggasen Tillståndsekvatinen fr reagerat sprängäme DYNA2Dberäkning Nya brinnparalnetrar Kalibrerad brinnmdell Ja? : mätn i krökning & VOD Fi gur 4 : Flödesschema för kalibrering/p arameterisering av brinnmdell. 3 Fältmätning av sprängämnes expansinsarbete i brrhål 3.1 Tryckgivare fcjr mätning av bnhålstryck ch givarkalibrering Fältförsöken har sm målsättning att mäta ett sprängämnes expansinsarbete i brrhå. Mätresultaten är dessutm underlagsmaterial till verifikatin av simuleringsresultat när den framtagna brinnmdellen tillämpas i bergsprängning. VOD är frtfarande den enda detnatinsegenskap hs ett sprängämne man kan mäta med gd nggrannhet i fült. Metderna är beprövade ch det finns lika kmmersiella mätutrustningar fcir detta ändamå1. Brrhålstrycket eller ràttare sagt trycktidftirlppet i sprängbrrhål är ett mått på sprängämnets expansinsarbete i brrhä. Det ger mycket mer infrmatin m sprängämnets funktin ch m samspelet mellan sprängämnet ch berget än VOD, särskilt fr icke-ideala sprängämnen sm civila sprängämnen. Men det är ckså betydligt svårare att mäta. Enstaka fcirsök med brrhålstrycksmätning har fcjrekmmit 16,71. Nu är LHM (Lägesbestämd Hydrstatisk Mätkppen) metden l9l tlllganglig ch tekniken har använts med gda resultat i tidigare fcirsök i granitblck ll0l. Därftjr har LHM-metd använts i fültftjrsöken für mätning av brrhålstrycket samtidigt med VOD mätningar. LHM-givarens knstruktin har beskrivits tidigare 19, l0l men illustreras i Figur 5 med de viktigaste måtten. Sensm, ett klmtstånd, har använts av många frskare fcir

18 9 tryckmätning ch den har kalibrerats i många lika sammanhang. En litteraturstudie m klmtståndens användning ch kalibrering har därfcjr utförts. Resultatet redvisas i Bilaga j. Utifrån litteraturstudien bedöms att tryckkänsiigheten fcjr den typ av klmtstånd sm används i LHM-givaren uttrycks bäst av ekvatin 8. Ekvatin 8a är Perssns l9l kalibrering under statiskt tryck ch ekvatin 8b är den dynamiska kalibreringen av Ginsberg ch Asays ll2l. Ekvatinerna 8a ch 8b har använts för knvertering av givarsignalerna från fältftjrsöken till trycktidftirlpp' P : 0,407 5'(R/R- 1 )0'8734 R _+0 P=7,001-4,345 R,364 0 * -, R,40.e-R/R (R/& >_0,44) (R/R" <0,44) (8a) (8b) Här är: P : tryck (GPa) R : mtstånd under trycksättning (O) R : mtstånd vid atmsftirstryck (C) x 470 Ç) a37 Täckbricka av Stålkpp fylld med vatten cl Sensr av klmtstånd 12,5 ôì Metallisk tätmassa Kabel ch Figur 5: LHM tryckgivare för mätning av bnhålstryck

19 Fältmätningar i granitblck Försöksutfcirande Försöksfrjrfarandet är snarlikt den tidigare fcjrsöksserien /10/. Försöksplatsen är ckså den samma dvs Svenneby stenbrtt nära Nnköping sm drivs av Göinge Stenförädling AB. nedanstående beskrivning redvisas ändå alla viktiga detaljer. Figur 6 visar ftirsöksuppställningen. Blcken var av hmgen granit utan synliga sprickr eller svaghetsplan. Sprängbnhålen var ca37 mm i diameter (brrades med en sliten 38 mm krna) ch kabelhålen 0 25 mm. LHM-givaren var fastgjuten i sprängbnhålets btten med ett epxiliknade injekteringsmedel. Jnisatinskabel VOD snd Pulsgeneratr LHM- till triggkanal Förstärkare till registreringskanal Figur 6: Mätning av bnhålstrycket i granitblck. Btteninitiering användes ch på så sätt kunde VOD hs laddningen mätas. För VODmätningen har ett MiniTrap instrument tillverkat av MREL i Kanada använts. Mätsnden är en så kallad VOD prbe, dvs en 0,9 m lång smal men styv mtståndspinne med ett jämnt fördelat mtstånd pä 322,5 f)/m. För registrering av

20 11 signalen fi-ån tryckgivaren användes ett LeCry 7200 digital-scillskp ch en jiisatinspuls i slutet av laddningen användes stlt triggpuls fcir registreringen. Två försök har utförts, ett med fulladdat sprängbrrhål ch ett med frikpplad laddning. Försöksuppställningen redvisas i Tabell 2. Tabell2: F för tblck. Försöksnr Försök 1 frsk / Blcksdimensiner Djup: 2,0 m Djup: 1,5 m Bredd: 2,2 m Bredd: 1,5 m Hö d: 1 33m Höid: 1,05 m Bnhål Sprängbnhål: { 37 mm ch 0,6 m Sprängbnhål: þ 37 mm ch 0,6 m långt 1ångt Kabelhål: Q 25 mm ch 0,73 m Kabelhål:þ 25 mm ch 0,45 m långt långt Laddning Emulsin 682 Fulladdat hål Laddningsdiameter: 37 mm 35 cmx Primer RDX kuts, $ 2l x20 mm,12 g Avståndet mellan Primern ch LHM-eivarens överända: 3 cm Emulsin 682 Frikpplad laddning Laddningsdiameter: 2,2 mm Laddninsslängd: 28 cmx RDX kuts, Q 2l x20 mm,12 g Avståndet mellan primern LHM-givarens överända: 4 cm Kapsel VA VA *:Den planerade laddningslängden var 0,5 m ch sprängbnhålsdiametem 38 mm. Eftersm hålet är brrat med en sliten krna ch håldiametern blev 37 mm, fastnade LHM kppen en bit vanffir hålbtten ch laddningslängden blev därför krtare. ch 3.2,2 Resultat från blckförsöken Resultaten från tryck- ch VOó-mätningarna i blckfrsöken sammanfattas i Tabell 3. Respektive registreringar plttas i Figurer 7 ch 8. Dessutm har blckens ch givarnas utseende före ch efter sprängftirsöken avbildats i Bilaga 8' Tabell 3: Mätresultatet från Tid från l:a språnget till max. tryck: 34,4 t's tblck. Försöksnr Försök 1 Försök 2 VOD 5712 mls Max. tryck: 2,3 GPa 4756 m/s Max. tryck: 0,55 GPa Re 0 14 ms Registrerad varaktighet: 0,745 ms* Tryck Tid mellan l:a ch 2:a språnget: 16 ps Tid mellan 1:a ch 2:a spränget: 30,8 ps Tid från l:a språnget till rnax. tryck: 43,2 tts x: Den synliga signallängden, se Figur 7, àr 1,222 ms. Men efter 0,745 ms har trycket sjunkit nära ch de signalerna efter denna tidpunkt kan tlkas sm brus sm fångats upp av kabeln' till 0

21 t2 Slutet av detnatinen ô. -v ÒF l Tid (ms) Slutet av detnatinen } È 0,4. tr--j J F 0, Tid (ms) Figur 7: Trycktidförlpp från sprängfrsöken i granitblck' Ovan: Försök med fulladdat bnhå. Nedan: Försök 2 med frikpplad laddning; 21,2 mm laddning i 37 mm hå. Slutet av detnatinen : jnisatinspuls från slutet av laddningen, se Figur 6

22 13 0,45 0,40 VOD hs Emulsin 682 i 37 mm hål 0,35 0,30 ä0 (n b0.d c0 r-l 0,25 0,20 0, ,05 VOD = 5712 mls 0,00-0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0'04 0,05 Tid (ms) 0,30 VOD hs 21.2 mm Emulsin 682 i 37 mm hål 0,25. Þ0 H (t) þ0 0,20 0, 5,10 VOD = 4756 mls 0,05 0,00-0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 Tid (ms) Figur 8: vd registreringar fränsprängfcirsöken i granitblck. Ovan: Försök 1 med fulladdat bnhål' Nedan: Försök 2 med frikpplad laddning; 21,2 mm laddning i 37 mm hå.

23 t4 Slutsatser av VOD-mätningama Primern har åstadkmmit en "run-up" i sprängämnet nlen "run-up" avståndet är mycket krt. Sedan detnerade sprängämnet med en jämn VOD. VOD-värdena kan jämfciras med VOD-värdena i PVC-rörladdningar, se Figur Bl a) i Bilaga 1. fulladdat hål får sprängämnet en hög VOD p.g.a. den höga inspänning berget ger. frikpplat hål är sprängämnets VOD den samma sm i friliggande laddning. detta avseende påverkar berget inte sprängämnets funktin, när frikpplingen är tillräckligt str. Ernpiriska uppskattningar av bnhålstrycken Många empiriska frmler finns fr uppskattning av detnatinstryck, explsinstryck ch brrlrålstryck ll0l. Tabell 4 har nägra enkla frmler anväuts fr uppskattningar av nivåerna på bnhålstrycket i Försök 1 ch 2. Detnatinstrycket uppskattades m h a ekvatinema 9l0l ch 10 ll3l, explsinstrycket m h a ekvatin lrcl ch bnhålstrycket m h a ekvatin 12 l0l. Värdena på VOD ch sprängämnets densitet kmmer från mätningama. Pcr = p.vod2 Ycr +1 1 V.,=r,ry * =i n' P, =P. [*)(;)' (e) (10) (i 1) (\2) Här är: P.r: detnatinstryck (Pa) p : sprängämnets densitet : 1169 kg/m3 VOD : detnatinshastighet hs sprängämnet (m/s) y., : adiabatisk gamma vid CJ punkten P" : explsinstryck (Pa) P : brrhålstryck (Pa) L. : laddningslängd (m) L : sprängbnhålslängd (m) r" : laddningsradie (m) r : brrhålsradie (m)

24 15 Tabell4 ska u S av lika för itblck Försöksnr Försök 1 Försök 2 Laddningens egenskaper L,r: L.:0,355 m r.:37 mm r:37 mm p: 1169kglm3 VOD : 5712 mls P", (GPa) 10,8 7,5 P" (GPa) 5,4 3.7 P,. (GPa) 5,4 1,2 Max. mätt tryck (GPa) )? 0,55 Max mätt. tryck/p' Lrr: L":0,28 m r.:2,2 mm r:37 mm p: 1169 kglm3 VOD :4756 mls S lutsatser av tr) ckmätningarna Den generella regeln att bnhålstrycket minskar drastiskt när laddningen frikpplas håller. Däremt ligger de mätta trycknivåerna mycket under de empiriska uppskattnin garna av trycknivåerna. En av rsakerna kan vara givarens långa svarstid. Det tg 34 till 43 ps innan trycksignalen nådde sitt maximum. Under den tiden har mycket infrmatin gätt förlrad. En annan rsak kan vara nggrannhet i de empiriska uppskattnin garna. Det krävdes ett antal reflektiner innan trycksignalen nådde max. trycket. Signalerna inleddes med två tydliga språng ch sedan ftiljde en långsammare tryckstigning till max. trycket.. Om man antar att de två inledande sprången har rsakats av den första infallande stötvågen genm vattnet respektive dess reflektin från LHM-kppens innerbtten ll0l, sä beräknas stötvågens hastigheten i vattnet till 1563 m/s för Försök 1 ch 812 m/s för Försök 2. Dessa värde ar läga särskilt för Försök 2. De kan ber på svårigheten i att bedöma tryckets ankmsttid pga bruset i bör1an av signalen, se det nedre diagrammet i Figur 7.. Angående LHM-givarens prestanda kan samma slutsatser dras sm i Avsnitt 3.4 i tr0l. 3.3 Fältmätning i kalkstenspall 3.3. Försökets utfcirande Tekniken att använda LHM-givaren i gianitblck kan inte direkt överfras till mätning i pallsprängning. Prblemet ligger i kabelhål där signalkabeln från LHM-givaren löper fram till förstärkaren. Det går inte att brra ett sådant hål rakt under sprängbnhålet sm man gjrde i blcken. Försök med nya ftirsöksuppställningar har lett till den fungerande teknik sm beskrivs nedan. De frsök sm ledde till den slutliga uppställningen rapprteras i Bilaga 9.

25 T6 Fältförsöket utfrdes i Partek Nrdkalk Strugns AB:s kalkstensbrtt på Gtland' Valet av kalksten berdde på bergets egenskaper. Det är mjukt ch sprucket ch har helt andra egenskaper än grar"riten i Svenneby. Enligt brinnmdellterierna skall sprängämne Ernulsin 682 fungera mycket annrlunda i det här berget. Försöksuppställningen visas i Figur 9. Avstånden i Figuren är uppmätta efter bmringen respektive givarinstallatinen ch laddningen. Därfcjr avviker de någt från den tänkta uppställningen, se Bilaga 9. Bnhålsdiametern var 89 mm. Sprängbruhålet var snett brrat så att det mynnade ut från pallfrnten' Bakm sprängbrrhålet har två parallella hål brrats. De var avsedda för accelermetrar för vibratinsmätning. Accelerm etrama mnterades i btten av hålen. nedre delen av sprängbnhålet göts två LHM-givare med cement ch kablarna till givarna löpte ut från hålmynningen i pallfrnten ch vidarekpplades till förstärkarna. När cementen har härdat, laddades sprängämnet med primem, sprängkapseln ch VODsnden vanpå givarna, se detaljer i Figur 9. Sprängämnet var ca 6 kg Emulsin 682 ch primern var en st MaxiPrime av 50 g pressad TNT ch PETN. Andra detaljmått kring laddningen finns i Figur 9. Till sist fylldes med en ftirladdning av 5 mm grus' 5m VA c V) e Accelermetrar Emulsin 682. VOD be MaxiPrime llt Figur 9: Uppställningen fr fìiltförsök i kalkstenspallen. Figuren till höger är en fdrstring av en del av brrhålet där laddningen med tillbehör ch givarna satt.

26 l7 Hela peratinen är mycket kmplicerad pga långa avstånd i hålet' De praktiska detaljeàa redvisas i Bilaga 9 medan Bilaga 10 visar pallens utseende före ch efter sprängningen. Registreringsutrustningen vaf den sm beskrivits i Bilaga 9, dvs MiniTrap för VOD, digitat scillskp LeÓry 9354a för tryckgivarna ch digital bandspelare Sny SR- 000 för accelermetrama Försöksresultat Detnatinshastigheten VOD i sprängämnet mättes kntinuerligt ch resultatet visas i Figur 10. Det syns tydligt att sprängämnet detnerade med en jämn hastighet på 5453 m/s efter en mycket krt,,run-up,'1id primern. Däremt är VOD-värdet lågt jämftirt med tidigare mâtningar i andra inneslutningar, se Figur 81 a) i Bilaga 1. Det är till ch med lägre än i PVC-rör med samma laddningsdiameter. Efter en nggrann kntrll av mätsystemet ch efterfciljande analys Èan mätfel uteslutas. Det låga VOD-värdet berr trligtvis på bergets egenskaper. Det är mjukt ch sprucket ch ger en dålig inneslutning för laddningen. 1,0 0,9 Emulsin 682 i 89 mm hål i Kalksten 0,8 n 0.7 v 0,ó b0 ^- (1 U.) (A 9 J ^^ È É 0.J. CË 0, Fl 0 0,0 VOD = 5453 n/s -0,04-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Tid (ms) Figur 10: vd hs Emulsi n 682 mätt i $ 89 mm hål i kalkstenspall.

27 Bnhålstrycket Tryckregistreringar har gjrts med båda givarna. De visas i Figur 11 var fcir sig ch i Figur 12 överlagrade på varandra. Det finns både likheter ch likheter mellan signalerna. Likheten dtr attbäda signaler ftiljer samma mönster. De börjar med en perid med högfrekvent innehåll, med stra svängningar i tryckamplituden, ch de slutar med avbrtt i kablarna, se analysen i ll0l. Periden med högfrekvent innehåll är ca20 ts lång. Efter den periden stabiliseras signalema vid ca 5 GPa. Därefter börjar trycket sm registreras av Givare att sakta avta ch det har sjunkit till ca 2,5 GPa när kabelbrttet inträffade. Trycket sm registreras av Givare 2 hinner inte avta nämnvärt frire kabelbrttet. Signallängden mätt av Givare är ca 96 prs ch av Givare 2 ca 50 ps. Det är svårt att bestämma max. trycken Llr registreringama pga de högfrekventa innehållen i början av signalerna. Dessntm är amplituderna på en del av spikarna, sm varierar mellan 9 ch 13 GPa, rimligt höga. Enligt de termdynamiska beräkningarna med Cheetah, se Bilaga 4, àr CJ trycket för Emulsin 682 vid en ideal detnatin 10,2 GPa. Så höga tryck brde inte LHM-givarna kunna registrera. Analys av de högfrekventa svängningarna Sm nämnts kan de högsta spikarna i signalerna inte tlkas sm verkliga tryck. Det kan finnas en förklaring till detta med tanken på givare- ch kabelknstruktinen, se Figur 13. För att underlätta mnteringen av givaren i hålet ch för att skydda kabeln, har ett ca 3 m långt ch þ 18 mm stålrör skarvats på LHM kppen. Kabeln ligger inne i röret ch utrymmet mellan kabeln ch rörväggen ar fyllt med epxi. Sedan gjuts hela givarearrangemanget in i bnhålet. När laddningen detnerar vanpå LHM-givaren, frlplantas kraftiga stötvågr via LHM stålkppen till stålröret ch kmprimerar kabeln. Den dynamiska kmpressinen kan rsaka krtvariga närkntakter mellan ledarna ch resulterar i hastiga mtståndsminskningar i registreringen. Efter knverteringen av mtståndsminskning till tryck, visualiseras de hastiga mtståndsminskningama sm snabba tryckstigningar. Detta fenmen har även bserverats i tidigare fcjrsök i granitblcken l0l. En annan möjlig rsak till de höga spikarna härrör från klmtståndets tryckkänslighet. Sm syns i Figur B2 i Bilaga 7, blir klmtståndet mycket känsligt fr tryck när trycket är över ca 5 GPa. Det innebär en trycksignal på den nivån är mycket känslig ñr stömingar. En lite störning i mtståndsvärde resulterar i en str svängning i trycksignalen. Figurer 12 ch 14 visar tydligt en sådana effekt i fìiltmätningen i kalkstenspallen. De prcentuella mtståndsminskningarna i båda givarna skilde mycket lite från varandra, ca 2/ i den första tppen, se Figur 14. Ändå resulterade detta i en mtsvarande skillnad i trycknivå pä ca 6 GPa eller ca 00Y, se Figur 12.

28 ra J Oà' F J Tid (ms) 13 t2 1l 10 lj<.54 C) h F Tid (ms) 0.06 Figur 11: Bnhålstrycken mätta i ett $ 89 mm fulladdat hål i kalkstenspall. Ovan: Signalen från Givare 1, se Figur 9' Nedan: Signalen från Givare 2, se Figur 9'

29 20 l3 cü c J C) < F t2 ll , a t ll tl tl tl tl tl tl tl tl tl lt tt tt tt tt rl âr t r'! r ll lii ll ll ll l tl at,j,r r,r -Ì^ lr$t.. l' - - ' Givare 2 rr Givare \ Tid (ms) 0.r0 Figur 12: Jämftirelse av bnhålstryck registrerat av tvä LHM givare, se Figur 9 ca3 m Kabel :: 0 18 mm stålrör ffllt med Epxi 1 LHM Figur i3: Givare- ch kabelknstruktinen för tryckmätningen i kalkstenspallen Med tanke på de två vannämnde faktrerna kan de högfrekventa svängningarna i början av trycksignalerna betraktas sm brus eller en superpnering av brus på trycksignalerna.

30 2l \v ô0 U) tl t- Givare 2!rr,rrtr.r..- t, Givare \ 87 +< (n J (n l Tid (ms) Figur l4: Jämförelse av mtståndsminskningen hs de två LHM-givare sm användes i fältmätningen i kalkstenspallen, se Figur 9. Observera att en del av y-axeln har förstrats kraftigt. Om samma empiriska frmler sm användes i blckfrsöken ti11ämpas kalkstenspallen, se ekvatiner 9 ttll 12 i Avsnitt 3.2.2, kan de lika trycken upp skattas rill Detnatinstrycket (P.,) : 9,8 GPa Explsinstrycket (P.) : Brrhålstrycket (P) :4,9 GPa Då skulle det uppskattade bnhålstrycket överensstämma med trycknivån i signalerna efter de högfrekventa svängniîgarna. de tidigare mätningarna i granitblcken låg däremt givãreregistreringarna ca 50/ under de uppskattade bnhålstrycken, se Tabell 4. granitblcket med ett fulladdat sprängbrrhäl är t ex det uppskattade bnhålstrycket ca Sl+Gpa, vilket inte skiljer sig så myckãt ifrån uppskattningen i kalkstenspallen. Ändå är tryckregistreringarna mycket lika.

31 22 Därftjr har de två registreringarna jämför1s i Figur 15. Det syns direkt att a) givaren registrerade en avsevär1 högre trycknivå i kalkstenspallen än i granitblcket ch b) givaren i kalkstenspallen har en krtare svarstid, dvs trycket når sitt maximum på krtare tid. l cd -! F Brrhålstryck i 89 mm hål i kalkstensbrtt firlladdat med Emulsin 682,l 3 2 Brrhålstryck i 37 mm hål i granitblck futladdat med Emulsin Tid (ms) Figur 15: Järnfcirelse mellan tryckregistreringen från kalkstenspallen ch granitblcket med fulladdat hå1. Förklaringen till den krtare svarstiden ar att givaren har varit hårdare inspänd i kalkstenspallen. kalkstenspallen ingöts LHM-givarna med cement. Medan i granitblcken ingöts LHM-givarna med epxi när givarna fastnade ca 15 till 20 cm vanfrir hålbtten, se ftnten till Tabell 2, Epxiet är mycket mjukare jämftirt med cement eller berg. Därfr kan stötvågen från detnerande sprängämne i kalkstenspallen frtplanta sig genm cement ch LHM-givarens stålkpp ch kmprimerar klmtståndet ch vattnet allsidigt. På det sättet uppnås mekanisk jämvikt mellan spränggaserna ch givaren snabbare. Dessutm var laddningsdiametern betydligt större än LHM-givarens diameter i kalkstenspallen ch detta förstärker effekten av den allsidiga kmprimeringen. För att förstå skillnaden i trycknivåer mellan två ftiltmätningar har trycksignalema i Figur 15 reknstruerats i Figur 16 enligt ftiljande principer. 1) Högfrekventa svängningar i signalen från kalkstenspallen kapas

32 23 2) Maximaltrycken i de båda försöken överensstämmer med de empiriska uppskattnin gama av brrhålstrycken. 3) Signaldelen fre det registrerade max. trycket i signalen fi'ån granitblcket ersätts av en extraplering till det uppskattade brrhålstrycket, se den streckade linjen i Figur È O -9, (,) L F T Brrhålstryck i 89 mrn hål i kalkstensbrtt fulladdat rned Ernulsin 682 J Brrhålstryck i 37 mm hål i granitblck fulladdat med Emulsin 682 J Tid (ms) Figur 16: Reknstruktin av trycksignalema från ftiltmätningarna i granitblcket ch i kalkstenspallen. Anledningen till dessa åtgärder är: 1) De högfrekventa svängningar àr inga pålitliga trycksignaler, sm visades av den tidigare analysen. 2) Maximaltrycket givaren kan registrera brde inte överstiga de empiriska uppskattningarna. 3) Signaldelen under givarens svarstid mtsvarar inte trycket i spränggaserna i sprängbnhålet. Nu efter reknstruktinen kan man knstatera att bnhålstrycket i granitblcket ftjll mycket snabbare än i kalkstenspallen. Därfcir kunde bnhålstrycket i kalkstenspallen hållas på en högre nivå under en längre tid, trts att det uppskattade bnhålstrycket var snarlikt i båda försöken.

33 24 Analysen ch slutsatselra van bygger på ett antal antaganden eller hypteser sm leder till att trycksignalernas utseende kan fürklaras. Att bekräfta dessa analyser k äver flera ÍÌiltmätningar ch/eller simuleringar Vibratin i berget Tre accelermetrar mnterades i varje accelermeterhå. Accelermetrarnas relativa psitiner till sprängladdningen visas i Figur 17 ch signalerna från sarntliga accelermetrar visas i Figur 18. ngen detaljerad analys utfördes på vibratinssignalerna. Det kan knstateras att vibratinsnivåema var höga. Med tanke på de krta avstånden mell an accelermetratna ch sprängl addnin gen kan nivåern a v ar a rimli ga. ì S mt pallfrnten ) k l'l fþ 2 a J 6 4 Figur 17:3D skiss på placeringen av accelermetrar relaterat till sprängbmhålet, se ckså Figur S lutsatser från fìiltmätningen i kalkstenspallen Trts att metden med ett snett brrat sprängbnhål kräver mycket kmplicerade ftjrberedelser ch mätprcedurer fungerade den bra i kalkstenspallen. Många mätutrustningar har varit inblandade ch många resultat har erhållits. Detnatinen i sprängämnet frtplantas jämnt men VOD-värdet var lågt i jämförelse med mätningarna i andra inneslutningar. Detta kan förklaras av bergets mjuka ch spruckna karaktär.

34 25 Trycksignalema har överlagrats med högfrekventa svängningar vid ankmsten av stötvågr. Detta kan ber på den styva kabelknstruktinen. Generellt var de mätta tryckamplituderna höga. Vibratinema i berget har mätts i frm av acceleratiner. Aven här var de mätta nivåema mycket höga. \ 0) (ü.ì O rñ k (n O Ø P < C) s () (d c () rl ôì (d rl ) (Ú ' Tid (ms) Figur 18: Mätningar av acceleratin i berget i fültftirsök i kalkstenspallen på Gtland. SveBeF Râpprt 48, 2000

35 26 4 Simulering av sprängämnets expansinsarbete i brrhål Det finns främst tre målsättningar med datrsimuleringen. Den fcjrsta àt att studera detaljerna i tryckregistreringama från fìiltmätningarna. Med hjälp av datr ch prgram DyNA2D ffir man en förståelse für vågrörelser t ex reflektiner ch superpneringar i LHM-kppen ch deras mtsvarande inverkan på trycksignalen. Den andra àt att studera relatinen mellan LHM-givarens tryckregistrering ch trycket i spränggasema i brrhålet. Med andra rd, hur tryckregistreringen svarar mt det riktiga bnhålstrycket. Den tredje ch den viktigaste målsättningen är att kalibrera sprängämnets brinnmdell sm har tagits fram genm labratrieförsök. Vi har haft ambitinen att simulera alla ÍÌiltmätningar med DYNA2D dvs både mätningarna i granitblck ch i kalkstenspall med fulladdat sprängbrrhål samt i granitblck med frikpplad laddning. Efter många inledande simuleringar kan det knstateras att SveBeF:s nuvarande simuleringskapacitet, en PC versin av DYNA2D med Lagrange beskrivning, inte klarar alla planerade simuleringar. Försöket i granitblcket med frikpplad laddning kan t ex inte simuleras pga stra gasrörelser i hålet. nte heller kan simulering av fcirsöket i kalkstenspallen klaras av p.g.a. sprängningens stra skala ch 3-dimensinella karaktär. Därför har simuleringen kncentreiats till granitblcket med fulladdat hål. Âven i det här fallet räckte simuleringskapaciteten knappt till. Mer m detta följer i nedanstålende beskrivning. 4. Materialdata till simuleringarna ngående material i simuleringama är sprängämne Emulsin 682, primer, LHM-kppen av stå, vatten ch tätmassa i kppen, täckbricka av plexiglas (PMMA) på kppen ch berget granit. Egenskapema hs Emulsin 682 har beskrivits i Avsnitt 2.2. Egenskaperna fcir övriga material sm krävs av DYNA2D hämtades från litteraturen 11.4, 15, L6,17,lSlch redvisas nedan. Generellt behöver DYNA2D en materialmdell ch en tillståndsekvatin för varje material. De lika materialmdellerna ch tillståndsekvatinema i DYNA2D fcirklaras mycket detaljerat i ll9l. Observera att DYNA2D inte använder sl-enheter fcir in- ch utdata i beräkningarna. Primer primern simuleras med sprängämnet PETN sm detnerar idealt. Tillståndsekvatinen fcir spränggasen är i JWL-frm ges av ekvatin 13.

36 27 P_ \ /. ú) -.u útf l-.u le'u+el r--_-te'*-i1rr; R,vJ ( R,v) v Har är P tryck (Mbar), V relativ vlym ch E specifik inre energi (Mbar'cm'/cm'. Parameteryärdena ges av A: 6,170 Mbar, B : 0,1693 Mbar, Rr : 4,4,p.': l'2 ch a :0,25. Dessutm har PETN följande detnatinsegenskaper: sprängärnnes densiteten p : 1,77 glcmt,vod : 0,83 cm/ rs ch detnatinsenergirt, E : 0,101 Mbar cm'/cm'. srål Materialmdellen är en Jhnsn-Cks mdell l19, 16l, där flytspänningen beskrivs av ekvatin 14. "=[A*B[-')l.crnþ.['-(t-f] 04) ' L t'_.j' Här är, flflspänning, õ plastisk effektivtöjning, e.dimensinslös töjningshastighet, T- hmlg temperatur. Parametervärdena är A: 0,00J92, B : 0,0051, fl : 0,26, C :0,014 ch m: 1,03. Dessutm har stålet en densitet på p : 7,83 glcm3, en skjuvmdul G : 0,77 Mbar, en smälttemperatur 1783 K ch en specifik värme, c,: 4,77xl0-6 Mbar cclcc. Kriterium fr materialbrtt är en hydrstatisk utstötningshållfasthet på 3,0 Mbar. Tillståndsekvatinen för stålet är en Gruneisen ekvatin l19l, ekvatin 15.,c,u[r * ( l-lsl 2) a p 2 r 2 P_ + (yu + ap)n (1 5) l-(s,-r)p-s,jl-s, l-þr l"r (t * p)' Här är P tryck, pn densitet, p vlymdefrmatin, y Gruneisen ramma ch E specifik inre energi. Parametervärdena àr C:0,4567 (cml "rs), S, : 1,49, S, : S, : a: 0 ch ", :1 1'l 0 L)L t. Vatten. Tätmassa. PMMA ch Granit Materialmdellen fcir tätmassa, PMMA ch granit ëtr en Elastisk-Plastisk- Hydrdynamisk mdell llgl chparameteruärdena ges i Tabell 5.