數(shù)值模擬在爆破工程教學(xué)中的應(yīng)用探討

張?jiān)?，可　杰，農(nóng)冬靈

（1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南鄭州451191；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；3.鄭州宇通集團(tuán)有限公司，河南鄭州450016；4.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京100050）

數(shù)值模擬在爆破工程教學(xué)中的應(yīng)用探討

張?jiān)?1,2，可杰3，農(nóng)冬靈4

（1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南鄭州451191；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；3.鄭州宇通集團(tuán)有限公司，河南鄭州450016；4.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京100050）

針對(duì)爆破工程課程教學(xué)過程中存在的抽象的問題，引入數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)其中的抽象問題進(jìn)行分析，舉例對(duì)臺(tái)階爆破和間隔裝藥進(jìn)行了數(shù)值模擬建模分析，論證了數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程教授過程中的應(yīng)用及其意義，對(duì)類似課程的教學(xué)提供了可借鑒的理論。

爆破工程；數(shù)值模擬；舉例分析；臺(tái)階爆破；間隔裝藥

1　概述

隨著爆破工程技術(shù)在采礦和路橋建設(shè)中的普遍應(yīng)用，且爆破技術(shù)作為采礦工程的主干課程，其學(xué)習(xí)和應(yīng)用對(duì)采礦工程專業(yè)的就業(yè)和發(fā)展有很大的意義，但是在講授爆破工程課程中由于其研究對(duì)象的破壞性和不可重復(fù)性，使得現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有一定的困難，因此在講授相關(guān)課程的過程中，學(xué)生普遍反映存在抽象、晦澀難懂的問題，筆者將根據(jù)教學(xué)需要引入數(shù)值模擬技術(shù)作為輔助教學(xué)手段。

數(shù)值模擬是用來(lái)溝通理論模型和實(shí)驗(yàn)研究的橋梁，其在爆破方面的應(yīng)用是通過采用接近實(shí)際的數(shù)學(xué)物理模型，對(duì)巖石的動(dòng)態(tài)破壞現(xiàn)象進(jìn)行模擬，用以展示巖石爆破整個(gè)作用過程和效應(yīng)，從而有助于深入認(rèn)識(shí)了解巖石爆破作用機(jī)理；在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元法，同時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性又可通過實(shí)驗(yàn)研究得到佐證［1-2］。學(xué)習(xí)和了解數(shù)值模擬對(duì)爆破工程的學(xué)習(xí)有一定意義，尤其針對(duì)初學(xué)者，因此，本文結(jié)合筆者多年的教學(xué)和學(xué)習(xí)過程，對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程教學(xué)課程教學(xué)過程中的意義進(jìn)行闡述。

2　我校爆破工程學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

由于爆破工程學(xué)科屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)習(xí)了基本的學(xué)科《流體力學(xué)》、《巖石力學(xué)》、《高等數(shù)學(xué)》和計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)后進(jìn)行學(xué)習(xí)，有力學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)后，爆破工程相關(guān)的數(shù)值模擬的學(xué)習(xí)將會(huì)有一定的基礎(chǔ)。另外，爆破工作作為井巷工程的前奏可以有承上啟下的銜接作用。

且在現(xiàn)有的爆破工程課程的學(xué)習(xí)過程中，由于教材眾多，教材講述的重點(diǎn)不盡相同，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中教輔課本選擇有困難，并且本校的學(xué)科背景為煤礦，由于學(xué)科背景的特點(diǎn)，多偏重瓦斯和放火方面知識(shí)，導(dǎo)致本校的學(xué)生對(duì)爆破工程的應(yīng)用以及發(fā)展知之甚少，因此，上課過程中學(xué)生普遍提不起學(xué)習(xí)興趣，課程受不到足夠的重視，因此，教學(xué)過程中的生動(dòng)和形象化對(duì)講授效果有重要的影響。

爆破工程技術(shù)作為礦山開采的重要技術(shù)之一，學(xué)習(xí)好爆破工程對(duì)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和就業(yè)大有裨益。因此學(xué)習(xí)數(shù)值模擬在爆破工程課程中的應(yīng)用有重要的意義，在爆破工程中對(duì)課程的掌握有很強(qiáng)大輔助的作用。

3　數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程教授過程中的應(yīng)用

（1）應(yīng)用案例1：臺(tái)階爆破。臺(tái)階爆破是工作面以臺(tái)階形式推進(jìn)的爆破方法，臺(tái)階爆破已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于礦山、鐵路、公路和水利水電等工程中，而且有數(shù)據(jù)表明我國(guó)今年來(lái)露天礦開采的產(chǎn)量比重，鐵礦石占90%，有色金屬礦石占52%，化工原料占70.7%，建筑材料幾乎100%，可見臺(tái)階爆破應(yīng)用的廣泛性［3-5］，更加體現(xiàn)了其的重要性，但是關(guān)于臺(tái)階的相關(guān)參數(shù)理解，學(xué)生普遍反映理解有一定的困難，但是本校沒有可以進(jìn)行試驗(yàn)的平臺(tái)和儀器，也無(wú)露天礦模型可以參觀，因此理解的過程中依賴數(shù)值模擬技術(shù)較為實(shí)際。以下為筆者借助數(shù)值軟件LS-DYNA建立的臺(tái)階爆破模型。如圖1所示，可以清楚地看到臺(tái)階的平臺(tái)以及炮孔的布置，對(duì)露天礦的直觀了解可以加深學(xué)生的記憶。

圖1　臺(tái)階爆破數(shù)值模擬模型

（2）應(yīng)用案例2：間隔裝藥。間隔裝藥方式屬于裝藥結(jié)構(gòu)一種，裝藥結(jié)構(gòu)是指裝藥在裝填時(shí)的狀態(tài)，在露天深孔爆破時(shí)候，分為連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、分段裝藥結(jié)構(gòu)、孔底間隔裝藥結(jié)構(gòu)和混合裝藥結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭椎组g隔裝藥可以做到：①孔底間隔裝藥中空氣可以起到降低爆炸沖擊波的峰值壓力，減少炮孔周圍巖石的粉碎性破壞；②巖石受到爆炸沖擊波的作用后，還受到爆生氣體所形成的壓力波和來(lái)自炮孔孔底的反射波作用，因此可以有效地增加巖石的微裂隙擴(kuò)展；③可以有效地延長(zhǎng)應(yīng)力的作用時(shí)間，因?yàn)闆_擊波作用于堵塞物或孔底后又返回到空氣間隔中，由于沖擊波作用多次，所以增加了作用時(shí)間，因?yàn)橛幸陨系膬?yōu)點(diǎn)，所以，孔底間隔裝藥技術(shù)在改善爆破效果方面得到了廣泛的應(yīng)用［6-10］，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)孔底間隔裝藥技術(shù)的理解很不全面，因此，必須借助數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)其進(jìn)行有效的詮釋，以下為間隔裝藥的數(shù)值模擬過程。

圖2　數(shù)值模擬臺(tái)階爆破間隔裝藥模型

圖2為數(shù)值模擬建?？梢郧逦陌雅_(tái)階爆破呈現(xiàn)出來(lái)，圖3為底部間隔裝藥數(shù)值模擬裝藥結(jié)構(gòu)，底部為空氣，上部為炸藥，圖4為計(jì)算結(jié)果的第一主應(yīng)力曲線，可以直觀觀察第一主應(yīng)力隨時(shí)間變化過程，因?yàn)閹r體在現(xiàn)實(shí)中往往存在節(jié)理裂隙，模型的建立選取了理想狀況下，因此，結(jié)果和實(shí)際結(jié)果有一定差距，但是其直觀和規(guī)律以及可預(yù)見性是不容置疑的，對(duì)控制爆破等爆破技術(shù)的預(yù)先計(jì)算作用是得到了廣泛肯定的，對(duì)爆破工程教學(xué)有很大的幫助作用。

4　結(jié)論

圖3　底部間隔裝藥裝藥示意圖

圖4　第一主應(yīng)力數(shù)值模擬歷程曲線

本文對(duì)數(shù)值模擬在爆破工程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并針對(duì)我校的爆破工程講授內(nèi)容以及存在的問題進(jìn)行分析，并進(jìn)行了舉例分析數(shù)值模擬技術(shù)在爆破工程課程教學(xué)過程中的作用。結(jié)果表明，數(shù)值模擬技術(shù)可以形象地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，并且可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生可以直觀地感受到爆破工程課程的學(xué)習(xí)意義，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

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TD235.4

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1004-5716（2016）01-0195-02

2015-09-30

2015-10-08

河南工程學(xué)院博士基金（D2013022）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14B440005）；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目（141PPTGG375）。

張?jiān)辏?983-），女（漢族），陜西渭南人，講師，現(xiàn)從事安全工程專業(yè)教學(xué)工作。