柱狀裝藥爆轟方向的研究

楊澤進(jìn)，李 義，王嘉樂(lè)

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

柱狀裝藥爆轟方向的研究

楊澤進(jìn)，李 義，王嘉樂(lè)

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

針對(duì)爆破中提高爆破質(zhì)量和更好保護(hù)周?chē)h(huán)境的問(wèn)題，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，動(dòng)態(tài)模擬柱狀裝藥的爆破沖擊過(guò)程，從等效應(yīng)力云圖和主應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線分析，探究柱狀裝藥爆炸中爆轟方向?qū)?yīng)力波和主應(yīng)力的影響情況，得出了柱狀裝藥爆破中可用炸藥爆轟方向來(lái)調(diào)整作用于巖體破碎能量的結(jié)論。

柱狀裝藥；爆轟方向；動(dòng)態(tài)模擬；數(shù)值計(jì)算

本文利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，采用ALE算法動(dòng)態(tài)模擬柱狀裝藥的爆破沖擊過(guò)程，探究爆轟方向?qū)Ρ☉?yīng)力分布的影響情況，得出了一些大爆破柱狀裝藥中可用爆轟方向來(lái)控制能量分配的有益結(jié)論。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

建模時(shí)的巖體模型尺寸按柱狀裝藥長(zhǎng)度的3倍左右，巖體為100 mm×100 mm×500 cm，柱狀裝藥為12 cm×12 cm×120 cm，炸藥置于巖體模型的中心。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性和可視化,為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，可用1/4模型為研究對(duì)象，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0cm×50 cm×500 cm的矩形體，炸藥區(qū)域?yàn)?cm×6 cm×120 cm的小矩形體，炸藥區(qū)域位于計(jì)算區(qū)域的軸對(duì)稱(chēng)線中心，見(jiàn)圖1。

起爆方式從柱狀裝藥下端面起爆。網(wǎng)格劃分采用爆炸近場(chǎng)網(wǎng)格密，中遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格疏的不等距網(wǎng)格。積分時(shí)間長(zhǎng)為1200us，步數(shù)為200步。

數(shù)值計(jì)算的巖體采用塑性隨動(dòng)硬化材料(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，其基本力學(xué)參數(shù)[1]如表1所示。

炸藥單元的材料采用高能炸藥材料（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），炸藥爆轟過(guò)程中壓力和比容關(guān)系[2]如下：

式中：A、B、R1、R2、W為JWL狀態(tài)方程參數(shù)（試驗(yàn)確定的常數(shù)），如表2所示，為輸入?yún)?shù)；V為相對(duì)體積；E0為初始內(nèi)能密度。對(duì)于初始密度ρ0=1.2g/cm3的TNT裝藥，參數(shù)為：爆速D=5500 m/s，爆壓PCJ=0.15×1011Pa。

圖1 計(jì)算模型尺寸

表1 巖體模型材料基本力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 等效應(yīng)力云圖分析

柱狀裝藥端面起爆的等效應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖2，表示爆炸過(guò)程中巖體介質(zhì)的應(yīng)力發(fā)展過(guò)程。對(duì)1/4模型分析可得：起爆時(shí)，爆炸應(yīng)力以水滴狀向外擴(kuò)展，與之對(duì)應(yīng)的是炸藥爆轟波傳播過(guò)程。爆轟起初，炸藥從柱狀裝藥起爆端面以球面波形式向外擴(kuò)展，與此同時(shí)炸藥爆轟波也由起爆端向另一端（正向）傳播，波

陣面和炸藥縱向形成一定的角度，并幾乎保持穩(wěn)定向外進(jìn)行傳播。隨著時(shí)間推移，起爆端強(qiáng)能量場(chǎng)的應(yīng)力波將衰減，而弱能量場(chǎng)還保持著較好的水滴狀向外擴(kuò)展。應(yīng)力波波陣面沿著和炸藥縱向固定的角度向外擴(kuò)散；一定時(shí)間后，柱狀裝藥爆轟過(guò)程結(jié)束，在柱狀裝藥中炸藥反應(yīng)完全波陣面的角度逐漸減小?？傊?，柱狀裝藥端面起爆（正向起爆）爆炸應(yīng)力主要朝一個(gè)方向傳播，即爆轟波的傳播方向主要朝一個(gè)方向傳播。巖體模型中的爆轟波傳播正方向的應(yīng)力波始終大于其反方向的應(yīng)力波，即爆轟波傳播正方向的巖體比其反方向更為破碎。

2.2 主應(yīng)力時(shí)間歷程曲線分析

表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

圖2 柱狀裝藥端面起爆等效應(yīng)力云圖

柱狀裝藥爆轟波正方向與反方向上，任選2個(gè)對(duì)稱(chēng)單元，可選擇x=0，y=0，但z不相同上的2個(gè)單元，得出主應(yīng)力（maximum principal stress）-時(shí)間歷程曲線，見(jiàn)圖3。圖中單元45663表示爆轟波正方向上（0,0,480）處的單元（線上加△），單元2313表示爆轟波反方向上（0,0,20）處的單元（線上加×）。通過(guò)圖3分析可得：柱狀裝藥爆轟波正方向的主應(yīng)力明顯大于其反方向的主應(yīng)力。爆轟波傳播反方向滯后正方向，即爆轟波傳播正方向的巖體先于其反方向破碎。

圖3 主應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)所述數(shù)值模擬結(jié)果的等效應(yīng)力云圖和主應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線分析，在一定程度上揭示出：柱狀裝藥爆炸中，爆轟波傳播正方向的應(yīng)力波和主應(yīng)力始終大于其反方向，爆轟波傳播正方向的巖體比其反方向更為破碎且先破碎。利用此理論，在大爆破柱狀裝藥中就可利用炸藥爆轟波傳播方向來(lái)調(diào)整作用于巖體破碎的能量，使爆轟正方向沿沒(méi)有保護(hù)物的方向傳播，有保護(hù)物設(shè)置在其反方向上，使爆炸能量盡可能用到有效方面，相對(duì)降低爆炸震動(dòng)的有害方面，進(jìn)而保護(hù)周?chē)h(huán)境的安全。

[1]王慶國(guó)，何章義.工程爆破起爆方向研究[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，26(4)：32-36.

[2]刑精忠，王永崗，陳曉霞.ANSYS7.0分析實(shí)例與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Study on Detonation Direction of Column Charge

YANG Ze-jin,LI Yi,WANG Jia-le
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

To improve blasting quality and environment protection,the finite element software, ANSYS/LS-DYNA,was used to dynamically simulate the blasting process.Equivalent stress cloud chart and principal stress-time course curve were analyzed to explore the effect of detonation direction on stress wave and the principal stress in column charge.The conclusion is that the detonation direction can be used to adjust rock broken energy in the column charge explosion.

column charge;detonation direction;dynamic simulation;numerical calculation

TD235.1

A

1672-5050（2012）09-0050-02

2012-02-12

楊澤進(jìn)（1987—），男，貴州印江人，在讀碩士研究生，從事爆破理論及應(yīng)用研究工作。

徐樹(shù)文