孔底空氣間隔裝藥降振效應(yīng)數(shù)值模擬分析

張袁娟，杜學(xué)勝，黃金香

(1.河南工程學(xué)院 煤礦災(zāi)害預(yù)防控制實驗室河南省高校重點實驗室培育基地，河南 鄭州 451191；2.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；3.北京理工大學(xué) 機電學(xué)院, 北京 100081)

空氣間隔裝藥技術(shù)在爆破過程中通過降低爆壓峰值、延長爆壓作用時間來提高爆破的有效能量利用率[1]，該技術(shù)已普遍應(yīng)用在爆破施工過程中.文獻[2]通過數(shù)值模擬對不同裝藥結(jié)構(gòu)及不同空氣比情況下炮孔近區(qū)混凝土損傷的破壞機理進行了研究；文獻[3]運用動光彈實驗論證了合理的孔底空腔能有效地降低爆炸峰值壓力和保護建基面；文獻[4-5]分別從模型實驗和動態(tài)測試對空氣間隔裝藥機理進行了深入的研究.2002年，歪頭山鐵礦采用了空氣間隔裝藥技術(shù)，減少了炸藥單耗，降低了采礦綜合成本，提高了爆破效果[6].基于以上研究成果，運用顯示非線性動力分析軟件LS-DYNA，從峰值振速衰減率角度對某土石方爆破工程中使用的孔底空氣間隔裝藥技術(shù)的減震效應(yīng)進行了論證，以期為同類工程提供可借鑒的研究方法.

1 數(shù)值模擬分析

1.1 選取的炸藥參數(shù)和控制方程

采用高能炸藥模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程[7]，該方程是專為描述炸藥等含能材料爆炸時的壓力特性而設(shè)定的一種狀態(tài)方程，其表達(dá)式為

(1)

式中，V是體積變化，E0，R2，ω，B，R1和A是材料常數(shù).

數(shù)值模擬中選用的是2號巖石乳化炸藥，炸藥的密度是950 kg/m3，爆轟速度是4 000 m/s，狀態(tài)方程中的各參數(shù)取值分別為E0=4.5e+9,R2=0.9,ω=0.3,B=0.529e+9,R1=3.5，A=47.6e+9.選取巖石的相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值計算中采用的巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock in numerical simulation

1.2 空氣的參數(shù)選取和控制方程

空氣選用的是LS-DYNA中的MAT_NULL材料，控制方程選用的是線性多項式狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程可以用來模擬氣體的動力學(xué)行為[8]，方程形式如下所示：

(2)

式(2)中，C1～C6為常數(shù)；μ為比體積；E為內(nèi)能與初始體積之比.空氣參數(shù)選取見表2.

表2 空氣參數(shù)選取Tab.2 Parameter of air

選用LS-DYNA材料模型庫內(nèi)的各向異性彈塑性模型來模擬炸藥在巖體中的爆破問題[9].根據(jù)實際工況，分別建立孔底空氣層比例10%和軸向耦合裝藥裝藥結(jié)構(gòu)模型，主爆孔直徑為140 mm，臺階高度為10 m，炮孔深度為11 m，其中超深1 m、最小抵抗線5 m、堵塞長度4.5 m，底部空氣間隔和軸向耦合裝藥長度分別為 5.85 m和6.5 m，底部起爆，建模時采用的單位是m-s-kg，計算時間為0.06 s，采用多物質(zhì)流固耦合算法.考慮到炸藥產(chǎn)生的爆轟能量會以地震波的形式在基巖中傳播，故在模型底部建立厚1 m的巖石，底部和側(cè)面均設(shè)置為無反射邊界，以坡頂線中心點(20,22,1)為基點，沿炮孔中心軸線剖面，分別對耦合裝藥和孔底10%空氣層比例模型以10 m為步距選取相同爆心距節(jié)點并提取峰值振速，有無底部空氣間隔裝藥峰值振速對比分析如表3所示，裝藥結(jié)構(gòu)和臺階爆破模擬測點選取分別如圖1(a，b)所示.

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)模型和有限元模型Fig.1 The structure model and the finite element model in charging

爆心距/m水平徑向垂直向水平切向峰值振速/(m·s-1) 峰值振速/(m·s-1)峰值振動速度/(m·s-1)耦合裝藥底部間隔10%減震率/%耦合裝藥底部間隔10%減震率/%耦合裝藥底部間隔10%減震率/%151.689 41.334 9320.981.723 811.290 2925.150.087 7460.073 37916.37251.491 051.198 2319.641.080 670.819 6724.150.071 080.058 60817.55351.250 911.013 2519.000.792 1140.612 13122.720.055 8630.047 55714.87451.055 520.876 99216.910.659 880.518 78721.380.042 6020.034 49419.03550.847 0760.726 15414.270.433 960.349 15919.540.027 6260.025 9076.22

圖2 典型峰值振速對比分析圖(R=15 m)Fig.2 Comparison figures of typical peak particle velocity(R=15 m)

由表3可知，底部間隔裝藥有很好的減震作用，當(dāng)爆心距為15 m時，水平徑向、垂直向和水平切向減震率分別為20.98%，25.15%和16.37%；當(dāng)爆心距為25 m時，水平徑向、垂直向和水平切向減震率分別為19.64%，24.1%和17.55%；當(dāng)爆心距為35 m時，水平徑向、垂直向和水平切向減震率分別為19.00%，22.72%和14.87%；當(dāng)爆心距為45 m時，水平徑向、垂直向和水平切向減震率分別為16.91%，21.38%和19.03%；當(dāng)爆心距為55 m時，水平徑向、垂直向和水平切向減震率分別為14.27%，19.54%和6.22%.表3的數(shù)據(jù)表明，孔底空氣間隔裝藥距離爆源越近降振效果越好，但隨著爆心距的增大減震率有逐漸變小的趨勢.各向峰值振速典型歷程曲線對比如圖2所示.

2 結(jié)論

通過數(shù)值模擬從峰值振速角度對底部間隔裝藥空氣層比例為10%的降振作用進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)底部空氣間隔裝藥對降低爆破震動有一定的作用且可減少爆破生產(chǎn)的經(jīng)濟成本.

(2)底部空氣層比例為10%的空氣間隔裝藥技術(shù)在爆源附近垂直向峰值振速衰減率最大，最高可達(dá)25%.

(3)對孔底空氣間隔裝藥爆源近區(qū)的數(shù)值模擬可彌補現(xiàn)場實驗測振儀器不能靠近爆源的不足，實際工況巖體存在節(jié)理裂隙，爆炸應(yīng)力波衰減較快，故數(shù)值模擬值大于實測值，但對減震率無多大影響.

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