柱形裝藥在典型巖體內(nèi)應(yīng)力波的數(shù)值計算*

江國華，段 云

（1.江西銅業(yè)集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224；2.北京礦冶研究總院，北京 100160）

柱形裝藥在典型巖體內(nèi)應(yīng)力波的數(shù)值計算*

江國華1，段 云2

（1.江西銅業(yè)集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224；2.北京礦冶研究總院，北京 100160）

為了分析柱形裝藥在不同巖體內(nèi)爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律，針對德興銅礦露天采區(qū)實際爆破情況，采用有限元動態(tài)力學(xué)分析軟件，數(shù)值模擬了乳化炸藥在炮孔直徑為250mm、裝藥結(jié)構(gòu)為耦合裝藥、三種典型巖體內(nèi)的爆炸應(yīng)力波的衰減規(guī)律，得到巖體中爆炸應(yīng)力波衰減曲線公式和數(shù)值模擬結(jié)果，為爆破孔網(wǎng)設(shè)計以及盲炮處理提供依據(jù)。

柱形裝藥；露天爆破；應(yīng)力波；盲炮；數(shù)值分析

1 引言

大型露天礦爆破廣泛采用大孔徑深孔臺階爆破，炸藥采用混裝乳化炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)采用耦合柱形裝藥［1-3］。在工程爆破施工過程中，由于爆破器材和爆破過程等多種因素，盲炮、殘炮是較常出現(xiàn)的現(xiàn)象，工程上稱之為盲炮事故。盲炮通常需要及時處理，處理大面積盲炮成為爆破工作者面臨的最危險作業(yè)之一［4-5］。《爆破安全規(guī)程》［6］只給出了深孔爆破的盲炮處理距離，在距盲炮孔口不少于10倍炮孔直徑處另打平行孔裝藥起爆，沒有給出不同巖性、炸藥品種、裝藥結(jié)構(gòu)的處理方法，爆破參數(shù)如何選擇需要爆破技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場確定。

誘導(dǎo)裝藥炮孔與盲炮孔平行間距越小，鉆孔時由于偏差觸及殘藥的危險性就越大，對鉆鑿人員的潛在危險也就越大，我國曾發(fā)生多起鉆鑿盲炮誘導(dǎo)裝藥炮孔引發(fā)誤炸的傷亡事故［7-8］；誘導(dǎo)裝藥炮孔與盲炮孔平行間距越大，誘導(dǎo)裝藥的爆炸作用使盲炮殘藥被殉爆的可靠性就越小，致使盲炮殘藥混入周圍破碎巖體，成為后續(xù)工藝（裝載和運輸）的危險因素，甚至引起“二次”事故。因此誘導(dǎo)炮孔與盲炮孔間距的確定是盲炮處理的關(guān)鍵，合理炮孔間距取決于誘導(dǎo)孔內(nèi)裝藥性質(zhì)和直徑、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、巖體性質(zhì)及盲炮殘藥的感度。對于被發(fā)炮孔能否起爆的本質(zhì)主要取決于主發(fā)炮孔裝藥在巖體內(nèi)爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律和盲炮殘藥的感度。本研究根據(jù)工程爆破裝藥實際情況，選用ANSYS/ AUTODYN動力仿真軟件，研究乳化炸藥裝藥在炮孔直徑為250mm、三種不同典型巖體中的爆炸應(yīng)力波衰減規(guī)律。

2 計算模型與力學(xué)參數(shù)

2.1 計算模型

德興銅礦礦區(qū)主要分為銅廠和富家塢兩大露天采區(qū)，采用直徑為250mm牙輪鉆機鉆孔，設(shè)計臺階高度為15m，采用梅花型三角形多排布孔方式，連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，由于德興銅礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變，根據(jù)礦巖性質(zhì)可爆性，孔網(wǎng)設(shè)計也不同，設(shè)計孔距6m～8m，排距5m～8m，單孔裝藥設(shè)計600kg～800kg，裝藥高度9m～12m不等。根據(jù)德興銅礦銅廠采區(qū)實際情況，本文計算炮孔直徑為250mm時的爆炸應(yīng)力場傳播規(guī)律。數(shù)值計算模型裝藥高度為10m，根據(jù)深孔爆破盲炮處理規(guī)范，在平行孔間距為10倍的距離處打平行孔裝藥起爆。因此裝藥爆炸應(yīng)力場計算范圍為3m范圍內(nèi)。

采用ALE-Lagrange流固耦合模型，炸藥和空氣都采用多物質(zhì)Euler算法，空氣模型尺寸為12020mm×3000mm，x方向總共140個網(wǎng)格，y軸方向，網(wǎng)格采用漸變網(wǎng)格，總共為300個，靠近對稱軸的網(wǎng)格尺寸為1mm，共150個，空氣外圍施加壓力流出邊界條件模擬無限空氣域，炸藥以填充的方式填充在空氣域。巖體采用Lagrange網(wǎng)格，巖體模型尺寸為12000mm×2800mm，x方向總共120個網(wǎng)格，y軸方向，網(wǎng)格采用漸變網(wǎng)格，總共為280個，靠近炸藥位置的巖體網(wǎng)格尺寸為2mm，共5個。為了模擬無限巖石介質(zhì)中的爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律，同時為了節(jié)省計算時間采用二維對稱建模，后期可以通過模型平面繞對稱邊界旋轉(zhuǎn)得到映射的三維模型，計算模型上邊界、下邊界、右邊界采用壓力透射邊界，中心采用軸對稱邊界。圖1是所建二維計算模型，圖2是通過模型旋轉(zhuǎn)得到的三維模型。圖中h是裝藥半徑，h=125mm，H是裝藥高度，H=10m。

圖1 二維計算模型圖

圖2 三維計算模型

2.2 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

炸藥選用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-RURN高能炸藥材料模型和JWL方程［9］。JWL狀態(tài)方程能夠精確地描述炸藥爆轟驅(qū)動過程中爆炸氣體產(chǎn)物的壓力、體積和能量特性，假定爆轟前沿以常速率傳播，以炸藥爆轟產(chǎn)物壓力 表示的狀態(tài)方程為：

式中，ρ為爆轟產(chǎn)物密度，ρe為炸藥初始密度，e為單位體積的熱力學(xué)能，A、B、R1、R2和ω為常量，可以通過試驗得到。表1是所選乳化炸藥狀態(tài)方程參數(shù)［6］。

表1 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 巖石材料模型

炸藥在巖體介質(zhì)中發(fā)生爆炸時近區(qū)巖體發(fā)生屈服破碎，應(yīng)變很大，應(yīng)變率效應(yīng)顯著，描述炸藥在巖體中爆炸巖性材料模型有彈塑性、HCJ、JC、RTH等模型，考慮到現(xiàn)場巖石的復(fù)雜力學(xué)特性，同時也為了降低計算求解過程，本研究采用三種巖性（硬、中、軟）進(jìn)行計算。不同巖石其材料模型都不同，采用HCJ、JC模型時，需要確定參數(shù)較多，在AUTODYN中沒有巖性材料模型，在軟件中有三種混凝土模型（140MPa、35MPa、貧混凝土），代表不同硬度的混凝土，三種材料模型與不同硬度巖石性質(zhì)相似。因此本文采用上述三種混凝土材料模型模擬三種巖體（硬、中、軟），三種巖石材料模型參數(shù)詳見表2，三種巖石模型參數(shù)均取自AUTODYN 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫［10］。

表2 數(shù)值計算中三種巖石材料模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

數(shù)值計算可以得到炸藥在巖體內(nèi)某點任一時刻的爆炸壓力，為了分析方便，炮孔炸藥采用點起爆，起爆點設(shè)置在裝藥中心，即6000mm位置上，計算時間為2ms。為了觀測炸藥在巖體中爆炸波的傳播規(guī)律，在巖體中距炮孔中心的整數(shù)倍處設(shè)置監(jiān)測點，記錄壓力—時間曲線。距起爆中心共設(shè)置11個觀測點，分別為監(jiān)測1#（6000，250）、2#（6000，500）、3#（6000，750）、4#（6000，1000）、5#（6000， 1250）、6#（6000，1500）、7#（6000，1750）、8#（6000，2000）、9#（6000，2250）、10#（6000，2500）、11#（6000，2750）。圖3是觀測點設(shè)置圖。表3是距炮孔中心不同距離上計算的壓力峰值。

圖3 觀測點設(shè)置圖

表3 距炮孔中心不同距離上的應(yīng)力值

圖4 不同時間時的爆炸應(yīng)力云圖

為了更加清晰觀測炸藥在巖體內(nèi)的爆炸應(yīng)力波傳播情況，記錄了0.1ms、0.5ms、1.0ms、1.5ms時巖體中的壓力云圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，最大壓力發(fā)生在炸藥爆炸中心，隨著距離的增加，爆炸壓力逐漸減小。

圖5是炸藥在中等巖體內(nèi)不同距離處爆炸應(yīng)力波變化曲線，距爆源越遠(yuǎn)，爆炸應(yīng)力波傳播時間越長，爆炸應(yīng)力波峰值越小。柱形裝藥在巖體內(nèi)的應(yīng)力衰減規(guī)律一般認(rèn)為可以用［11］表示，式中σr是介質(zhì)內(nèi)某一點的徑向應(yīng)力，σ0是孔壁壓力；是比例距離，r某點到炮孔中心的距離；是炮孔半徑；α衰減指數(shù)，日本學(xué)者認(rèn)為α=1～2。采用最小二乘法擬合得到巖體中爆炸應(yīng)力波衰減曲線公式為：

可以看出，隨著爆炸應(yīng)力波不斷地向周圍傳播，應(yīng)力波的峰值隨傳播距離的增加而非線性地迅速衰減，距爆炸中心越近，爆炸壓力衰減速度最快，相對爆炸中心越遠(yuǎn)，爆炸壓力衰減速度變慢。同時可以看出，在炸藥品種一樣的情況下，爆炸應(yīng)力波衰減規(guī)律主要取決于巖體性質(zhì)。

圖5 不同觀測點上應(yīng)力場曲線

4 結(jié)論

炮孔裝藥在巖體內(nèi)爆炸應(yīng)力波傳播，是分析優(yōu)化爆破孔網(wǎng)設(shè)計、盲炮處理的重要參數(shù)，爆炸應(yīng)力波巖體內(nèi)的傳播與主發(fā)炮孔裝藥、巖體材料、裝藥結(jié)構(gòu)等有關(guān)，本研究采用有限元動力學(xué)軟件，定量的乳化炸藥在三種巖體中的爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律，得到衰減指數(shù)和衰減函數(shù)，為工程中爆破優(yōu)化設(shè)計和盲炮處理提供依據(jù)。

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Numerical Calculation on the Stress Wave of Cylindrical Charge Exploding in Typical Rock Mass

JIANG Guo-hua1, DUAN Yun2
（1. Dexing Copper Mine, Jiangxi Copper Corporation, Dexing 334224, Jiangxi, China; 2. Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160, China）

In order to analyze the propagation rule of the stress wave caused by cylindrical charge explosion in different rock mass, it bases on the actual blasting situation of the open-pit mining area in Dexing Copper Mine, using software of finite element analysis software for a numerical simulation on the attenuation law of explosive stress wave. The simulation is operated on condition that emulsion explosive with coupling charge structure explodes in 3 typical rock mass from blast holes having a diameter of 250mm. As a result, the attenuation formula and numerical simulation results of explosive stress wave are obtained, providing basis for the handling of blasting hole and misfire.

cylindrical charge；open-pit blasting；stress wave；misfire；numerical calculation

TD854+.2

A

1009-3842（2016）06-0029-04

2016-05-06

國家自然基金項目（51104018）；西城區(qū)優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目（20120071）

江國華（1983-），男，江西貴溪人，采礦工程師，主要從事露天礦山爆破技術(shù)和管理的工作。E-mail：117528813@qq.com