孔底空氣間隔裝藥空氣層最佳比例確定方法＊

張袁娟 孫文標(biāo) 黃金香 馮毓松 王鳳凰

(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，河南省鄭州市，451191；2.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191；3.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100081；4.湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，湖北省孝感市，432818；5.湖北宜化集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北省宜昌市，443000)

間隔裝藥技術(shù)對降低爆破振動、維護(hù)邊坡及圍巖的穩(wěn)定性有重要的意義，已廣泛應(yīng)用在礦山開采中。相關(guān)學(xué)者及專家通過對比分析有無孔底空氣間隔裝藥得出孔底間隔裝藥降振率平均在10%～15%，大塊率降低率達(dá)30%以上；從數(shù)值模擬結(jié)合JHC損傷模型對不同位置間隔裝藥的降振作用進(jìn)行分析并表明:空氣間隔裝藥存在一個最佳空氣比；對不同空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)情況下炮孔近區(qū)巖石損傷破壞機(jī)理對空氣間隔裝藥進(jìn)行了深入的研究；從爆轟波理論角度提出了梯段爆破的合理空氣層比例。以上的研究及相關(guān)學(xué)者研究取得了一定的成果，為確定孔底間隔裝藥空氣層比例 (空氣層長度和裝藥長度比例)提供了可依據(jù)的理論。

某露天煤礦的邊坡為復(fù)合邊坡，煤體上覆巖石存在巖體剝離問題，且邊坡中規(guī)模較大的節(jié)理裂隙基本都是近乎于垂直狀發(fā)育的，并被多組節(jié)理裂隙切割，巖體完整性較差，因此對爆破振動要求較高，但在施工過程中由于爆破振動過大，頂部邊幫常出現(xiàn)大片垮塌，給礦山安全生產(chǎn)造成極大的威脅。針對該露天煤礦生產(chǎn)爆破施工中存在振動過大的問題，考慮到施工的可操作性，擬引入孔底間隔裝藥爆破技術(shù)，依據(jù)現(xiàn)場實際工況，提出空氣層比例為10%和20%兩種裝藥結(jié)構(gòu)，運用大型顯示非線性動力分析軟件LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探索采用峰值振速衰減規(guī)律結(jié)合最大應(yīng)力法確定最佳的空氣層比例的方法，以期為類似工況提供可借鑒的方法。

1 數(shù)值模擬分析及本構(gòu)模型

1.1 選取的炸藥參數(shù)和控制方程

炸藥采用高能炸藥模型MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN，控制方程選用JWL狀態(tài)方程，此方程可描述炸藥等含能材料爆炸時的壓力特性，其表達(dá)式為:

式中:P——壓力，Pa；

V——體積變化；

E0、R2、ω、B、R1、A——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950kg／m3，炸藥的爆轟速度是4000m／s。

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，線性多項式狀態(tài)方程可以很好的模擬氣體的動力學(xué)行為，方程形式如 (2)所示:

式中:C1～C6——常數(shù)；

μ——比體積；

E——內(nèi)能與初始體積之比。

2 裝藥結(jié)構(gòu)模型及數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)模型

考慮到具體工況的特點，擬采用底部空氣間隔裝藥，根據(jù)實際工況分別建立耦合裝藥、底部間隔裝藥空氣層比例為10%和20%的數(shù)值模型，主爆孔直徑140mm，臺階高度10m，炮孔深度11m，其中超深1m，最小抵抗線5m，堵塞長度4.5m，空氣間隔10%、空氣間隔20%和耦合裝藥方式裝藥長度分別為5.85m、5.2m和6.5m，主爆孔距離坡底線5m，底部起爆，計算時間為0.06s，建模時單位采用m-s-kg，單元采用多物質(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，因此模型底部建立1m厚的巖石，底部和側(cè)面均設(shè)置為無反射邊界，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

有限元模型及選取的單元和模擬位置如圖2所示。以節(jié)點A (20，22，1)為基點，沿炮孔軸線剖面，分別對耦合裝藥、孔底10%空氣層比例和孔底20%空氣層比例模型以10m為步距選取相同爆心距節(jié)點并提取峰值振速，典型峰值振速時程曲線如圖3，對比分析如表1所示。

由表1可以直觀地看出，底部空氣層比例20%的工況峰值振速比耦合裝藥和孔底空氣層比例為10%相同爆心距節(jié)點峰值振速有明顯降低，具 體減振率對比如表2。

表1 不同工況峰值振速對比m／s

表2 不同工況峰值振速衰減率對比%

圖2 有限元模型及選取的單元和模擬位置

圖3 典型振速時程曲線 (R＝15)

由表2可以看出，間隔裝藥兩種工況靠近爆源處減振率最大，且隨著爆心距的增加而減小，底部間隔20%工況在水平徑向減振率最高可達(dá)48.4%，垂直向減振率最高可達(dá)44.7%和水平切向最高可達(dá)62.6%，均明顯大于空氣間隔10%工況各向減振率。

選取臺階底部單元和炮孔正上方單元，因耦合裝藥、底部空氣層比例10%和底部空氣層比例20%模型空氣層比例不同，故單元在相同位置單元號不同，為方便論述記為H1和H2，如圖2所示。不同工況下相同位置處最大主應(yīng)力時程曲線如圖4所示。

由圖4(a)可知，H1處最大主應(yīng)力為40.88MPa，H2處最大主應(yīng)力為51.71MPa；由圖4(b)可知，H1處最大主應(yīng)力為26.58MPa，H2處最大主應(yīng)力為46.35MPa；由圖4(c)可知，H1處最大主應(yīng)力22.86MPa，H2處最大主應(yīng)力為42.47MPa；數(shù)據(jù)顯示，耦合裝藥工況下自由面相同位置處最大主應(yīng)力明顯大于空氣間隔裝藥情況下，且從最大主應(yīng)力時程曲線可以明顯看出，間隔裝藥可以有效地降低主應(yīng)力的峰值，增大爆轟的作用時間，這與相關(guān)學(xué)者研究一致，證明了空氣間隔裝藥是有效地降低振動的手段。綜合考慮峰值振速衰減率和選取單元最大主應(yīng)力數(shù)值，對現(xiàn)場施工提出的10%和20%的空氣層比例間隔裝藥方案對比分析，20%空氣層比例為該工況合適的孔底間隔裝藥空氣層比例。

圖4 不同工況下最大主應(yīng)力時程曲線

3 結(jié)論

間隔裝藥技術(shù)可以有效地降低爆破振動，保護(hù)礦山附近建構(gòu)筑物的安全，對維護(hù)邊坡的穩(wěn)定及礦山的安全生產(chǎn)有重要的意義。本文從礦山安全生產(chǎn)角度引入間隔裝藥技術(shù)，根據(jù)具體工況，給出了軸向空氣間隔裝藥最佳空氣層比例的確定方法，為礦山開采過程中降低爆破振動，確保安全生產(chǎn)提供了可借鑒的方法，通過數(shù)值模擬分析得出以下結(jié)論:

(1)通過對比分析耦合裝藥、孔底空氣層比例10%間隔裝藥和孔底空氣層比例20%間隔裝藥峰值振速衰減率結(jié)合最大主應(yīng)力分析，得出空氣比例層20%為最佳比例，擴(kuò)充了軸向間隔裝藥空氣層比例的確定方法。

(2)通過對最大主應(yīng)力時程曲線的分析，結(jié)果表明間隔裝藥可以有效地降低應(yīng)力峰值并延長爆破荷載作用時間，證明數(shù)值模擬是正確和有效的。

(3)數(shù)值模擬中假定巖石為均質(zhì)體，現(xiàn)實工況中巖體存在節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面，因此數(shù)值模擬結(jié)果偏大，但對其規(guī)律性無影響。

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