空氣間隔與耦合裝藥混凝土爆破對(duì)比分析

吳 亮，周 勇，楊 聃，段衛(wèi)東，鐘冬望

（1.武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430065；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北武漢，430070；3.重慶梅溪河流域水電開發(fā)有限公司，重慶，404600）

空氣間隔與耦合裝藥混凝土爆破對(duì)比分析

吳 亮1，周 勇2，楊 聃3，段衛(wèi)東1，鐘冬望1

（1.武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430065；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北武漢，430070；3.重慶梅溪河流域水電開發(fā)有限公司，重慶，404600）

采用動(dòng)力有限元軟件LS－DYNA分析空氣間隔裝藥與耦合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土介質(zhì)的破壞機(jī)理，結(jié)合混凝土模型對(duì)兩種裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光面爆破試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破后，混凝土表面平整度要優(yōu)于無空氣間隔的情況；空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)能調(diào)節(jié)炸藥能量分布，使孔內(nèi)爆炸壓力沿炮孔軸向的分布更均勻，從而提高炸藥爆炸能量的有效利用率。

空氣間隔裝藥；光面爆破；混凝土模型；模型試驗(yàn)

為降低巖石開挖爆破對(duì)承載巖體的損傷與震動(dòng)影響，在巖體開挖輪廓處通常采用預(yù)裂或光面爆破等輪廓爆破技術(shù)。傳統(tǒng)輪廓爆破中常采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)方式，例如將乳化炸藥綁扎在貫穿全孔的導(dǎo)爆索上以達(dá)到徑向和軸向的裝藥不耦合，從而控制炮孔內(nèi)的爆炸壓力和爆破損傷效應(yīng)。但是，使用貫穿全孔的導(dǎo)爆索直接導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，且綁扎過程費(fèi)工費(fèi)時(shí)而延緩施工進(jìn)度。因此，探求一種既能控制爆破開挖質(zhì)量，同時(shí)又省時(shí)、經(jīng)濟(jì)的輪廓爆破方式成為工程爆破領(lǐng)域的重要研究課題，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下的光面爆破技術(shù)已引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注［1－4］。

目前，空氣間隔爆破技術(shù)已在國(guó)外的采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果，而其在預(yù)裂、光面爆破中的應(yīng)用研究起步較晚。文獻(xiàn)［5］對(duì)空氣間隔爆破技術(shù)在預(yù)裂爆破中的應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究；文獻(xiàn)［6］討論了空氣層間隔裝藥輪廓爆破的機(jī)理、參數(shù)設(shè)計(jì)和炮孔底部裝藥段的爆破損傷控制等問題；文獻(xiàn)［7］研究了周邊孔空氣間隔光面爆破技術(shù)，發(fā)現(xiàn)周邊孔爆破效果良好，半孔率達(dá)95%以上，圍巖表面不平整度控制在15 cm以內(nèi)，每次循環(huán)（進(jìn)尺2.0 m）可降低成本100元左右；文獻(xiàn)［8］探討了空氣間隔裝藥方法在地下工程周邊孔裝藥中的應(yīng)用；文獻(xiàn)［9－12］對(duì)空氣間隔裝藥光面爆破破巖機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值分析。本文采用動(dòng)力有限元分析軟件LS－DYNA，并結(jié)合混凝土模型試驗(yàn)，研究空氣間隔裝藥與耦合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土介質(zhì)的破壞差異。

1 材料模型選用及計(jì)算模型建立

1.1 混凝土損傷模型

混凝土受到爆炸沖擊荷載作用時(shí)，需要考慮大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高圍壓下材料損傷實(shí)效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文采用的JHC（Johnson－Holmquist－Cook）模型是一種適用于高應(yīng)變率、大變形下混凝土與巖石的材料模型，它與金屬材料中應(yīng)用廣泛的Johnson－Cook材料模型相類似，其等效屈服強(qiáng)度是壓力、應(yīng)變率和損傷量的函數(shù)，損傷量則是塑性體應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變和壓力的函數(shù)?；炷罦HC模型的材料參數(shù)見文獻(xiàn)［13］。

1.2 炸藥狀態(tài)方程

LS－DYNA程序可以直接模擬高能炸藥的爆炸過程。炸藥點(diǎn)火后產(chǎn)生爆炸荷載作用于周圍介質(zhì)，任意時(shí)刻爆源內(nèi)一點(diǎn)的壓力P為［14］

式中：F為炸藥的化學(xué)能釋放率；D為炸藥爆速；t、t1分別為當(dāng)前時(shí)間和炸藥內(nèi)一點(diǎn)的起爆時(shí)間；Ae，max為炸藥單元橫截面積最大值；ve為炸藥單元體積；Peos為爆轟產(chǎn)物的壓力，由JWL狀態(tài)方程決定，其一般形式為

式中：V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；E0為炸藥的初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω為描述JWL方程的5個(gè)獨(dú)立物理常數(shù)。炸藥密度取為1 300 kg／m3，炸藥其他參數(shù)取值為［9］：D＝4 km／s，A＝214.4 GPa，B＝0.182 GPa，R1＝4.2，R2＝0.9，ω＝0.15，E0＝4 192 MJ／m3。

式中：C0～C6為常數(shù)；E為空氣的初始比內(nèi)能；μ＝1／V－1。

1.3 數(shù)值計(jì)算幾何模型

空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1，計(jì)算模型中包括3種物質(zhì)：炸藥、混凝土與空氣。為簡(jiǎn)化計(jì)算，堵塞采用混凝土材料。模型簡(jiǎn)化為厚度方向只有一個(gè)單元的三維模型。3種物質(zhì)均使用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元離散，模型厚度方向劃分為一個(gè)單元，空氣與炸藥均定義為多物質(zhì)單元，使得所有物質(zhì)能在網(wǎng)格內(nèi)相互流動(dòng)。對(duì)于空氣和炸藥，計(jì)算時(shí)采用歐拉算法，對(duì)于混凝土則采用拉格朗日算法。模型平面尺寸為400 mm×400 mm，炮孔直徑為8 mm，炮孔間距為133 mm，采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，炮孔底部距離模型底部邊界150 mm，炸藥柱長(zhǎng)為50 mm，空氣柱長(zhǎng)為50 mm，堵塞長(zhǎng)度為150 mm。采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，炸藥柱長(zhǎng)為50 mm，堵塞長(zhǎng)度為150 mm。

圖1 計(jì)算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the calculation model

2 計(jì)算結(jié)果與分析

耦合裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁單元位于裝藥段中部，空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁單元位于炸藥與空氣交界面處。兩種裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁單元壓力時(shí)程曲線如圖2所示，由圖2可見，耦合裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁單元壓力峰值約為3.8 GPa，而空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁單元壓力峰值為2.0 GPa，因此，耦合裝藥時(shí)爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近區(qū)介質(zhì)，導(dǎo)致光面爆破時(shí)炮孔近區(qū)的介質(zhì)表面平整度較差。

圖2 孔壁單元壓力時(shí)程曲線Fig.2 Time－h(huán)istory curve of unit pressure at borehole

計(jì)算模型中考察單元的應(yīng)力峰值如圖3和圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為考察單元與炮孔底部的垂直距離，其值為負(fù)表示考察單元位于炮孔底部以下。

圖3 考察單元的第一主應(yīng)力峰值曲線Fig.3 First principal stress peek curves of the typical elements

圖4 考察單元的第三主應(yīng)力峰值曲線Fig.4 Third principal stress peak curves of the typical elements

由圖3可見，在橫坐標(biāo)為－0.10～0.08 m的范圍內(nèi)，空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)中考察單元的拉伸應(yīng)力峰值均大于耦合裝藥結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)考察單元的拉伸應(yīng)力峰值，這表明空氣間隔裝藥更有利于炮孔間裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。在橫坐標(biāo)為0.05 m處，兩種裝藥結(jié)構(gòu)的考察單元拉伸應(yīng)力峰值相差最大，耦合裝藥時(shí)拉伸應(yīng)力峰值約為11.8 MPa，空氣間隔裝藥時(shí)拉伸應(yīng)力峰值約為24.1 MPa，兩者相差約12.3 MPa，其主要原因是，空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)中的空氣層使爆轟沖擊波在炸藥與空氣交界面處產(chǎn)生了向下的稀疏波。在橫坐標(biāo)為0.08～0.15 m的范圍內(nèi)，耦合裝藥結(jié)構(gòu)中考察單元的拉伸應(yīng)力峰值要大于空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)考察單元的拉伸應(yīng)力峰值，這是因?yàn)椋c空氣間隔裝藥相比，耦合裝藥時(shí)向上傳播的沖擊波強(qiáng)度較大，同時(shí)耦合裝藥結(jié)構(gòu)中的裝藥位置也較高，強(qiáng)度越大的沖擊波在模型頂部自由面反射后形成的拉伸應(yīng)力峰值也就越大。

由圖4可見，兩種裝藥結(jié)構(gòu)的考察單元第三主應(yīng)力峰值曲線形態(tài)基本一致，其差異主要表現(xiàn)在橫坐標(biāo)為－0.05～0.10 m的范圍內(nèi)，這時(shí)空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)中考察單元的壓應(yīng)力峰值要小于耦合裝藥結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)考察單元的壓應(yīng)力峰值，而此段正好為裝藥段，這也進(jìn)一步反映了耦合裝藥時(shí)爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近區(qū)介質(zhì)，同時(shí)表明耦合裝藥時(shí)炮孔的徑向壓力更大，在模型兩側(cè)會(huì)形成更大的拉伸應(yīng)力，使爆破介質(zhì)產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，因此與空氣間隔裝藥相比，耦合裝藥爆破后的介質(zhì)表面平整度較低。

3 混凝土爆破效果分析

3.1 試驗(yàn)方案

模型試件采用425＃硅酸鹽水泥和篩選后的細(xì)砂澆注而成，其原料配比為w（水）∶w（水泥）∶w（細(xì)砂）＝0.7∶1∶4，養(yǎng)護(hù)28天，儲(chǔ)存50天。模型尺寸為400 mm×400 mm×400 mm，模型中央預(yù)留兩個(gè)炮孔，孔徑為8 mm，兩孔間距為133 mm，孔深為350 mm，采用細(xì)砂降低孔深，實(shí)際孔深為250 mm，炮孔底部裝填性能穩(wěn)定的黑索金炸藥，每孔裝藥0.2 g，采用工業(yè)瞬發(fā)電雷管（0.6 g）反向起爆，因此實(shí)際每孔裝藥0.8 g。試驗(yàn)分有軸向空氣間隔和沒有空氣間隔兩種情況，堵塞長(zhǎng)度均為150 mm，有軸向空氣間隔的空氣層長(zhǎng)度為50 mm，軸向不耦合系數(shù)為2。

3.2 爆破效果

爆破效果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，兩種爆破方式均能取得良好的爆破效果。采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，空氣層的存在降低了炮孔峰值壓力并延長(zhǎng)了爆破作用時(shí)間，減少甚至避免了因耦合裝藥而形成的礦巖沖擊粉碎，擴(kuò)大了破裂區(qū)范圍，提高了炸藥爆炸能量的有效利用率。此外，空氣間隔裝藥能調(diào)節(jié)炸藥能量分布，使孔內(nèi)爆炸壓力沿炮孔軸向的分布更均勻，因此，采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)爆破后，混凝土表面的平整度要優(yōu)于無空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)爆破后的情況。

圖5 軸向耦合裝藥爆破效果Fig.5 Blasting effect of axial coupling charge structure

圖6 空氣間隔裝藥爆破效果Fig.6 Blasting effect of air－deck charge structure

4 結(jié)論

（1）耦合裝藥時(shí)，炮孔徑向壓力大，其爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近區(qū)介質(zhì)，同時(shí)在模型兩側(cè)會(huì)形成更大的拉伸應(yīng)力，使爆破介質(zhì)產(chǎn)生剝離現(xiàn)象；空氣間隔裝藥時(shí)，炮孔之間的單元拉伸應(yīng)力峰值相對(duì)較大，有利于炮孔間裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

（2）空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)能調(diào)節(jié)炸藥能量分布，使孔內(nèi)爆炸壓力沿炮孔軸向分布得更均勻，提高了炸藥爆炸能量的有效利用率。

（3）軸向耦合與空氣間隔裝藥光面爆破均能取得良好的爆破效果，但耦合裝藥爆破后的介質(zhì)表面平整度要低于空氣間隔裝藥爆破后的介質(zhì)表面平整度。

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［14］LSTC.LS－DYNA keyword user’s manual［G］.California：Livermore Software Technology Corporation，2003.

Contrastive analysis of air－deck charge and coupling charge in smooth blasting

Wu Liang1，Zhou Yong2，Yang Dan3，Duan Weidong1，Zhong Dongwang1
（1.Hubei Province Key Laboratory of Systems Science in Metallurgical Process，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Hubei Institute of Water Resources and Hydropower Research，Wuhan 430070，China；3.Chongqing Meixi River Hydropower Development Co.，Ltd.，Chongqing 404600，China）

LS－DYNA，a finite element analysis software，was employed to analyze the concrete failure mechanism when axial coupling charge and air－deck charge were used，respectively，and smooth blasting experiments were carried out with the concrete model.The results show that the concrete surface flatness with air－deck charge is better than that of axial coupling charge，and air－deck charge can regulate explosive energy distribution and make explosion pressure distribution along the axis of borehole more uniform，thus raising the efficiency of explosive energy use.

air－deck charge；smooth blasting；concrete model；model test

TD235.3

A

1674－3644（2012）03－0225－04

［責(zé)任編輯 尚 晶］

2011－11－06

國(guó)家自然科學(xué)基金與上海寶鋼集團(tuán)有限公司“鋼鐵聯(lián)合研究基金”聯(lián)合資助項(xiàng)目（51004079，51174147）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目（B20091103）；武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（C201002）.

吳 亮（1980－），男，武漢科技大學(xué)副教授，博士.E－mail：liangwu1980＠yahoo.com.cn