定向聚能爆破在礦井巷道掘進(jìn)中的數(shù)值研究

韓曉東，邢存恩，智麗娜

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.同地永財坡煤業(yè)有限公司)

定向聚能爆破在礦井巷道掘進(jìn)中的數(shù)值研究

韓曉東1,2，邢存恩1，智麗娜2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.同地永財坡煤業(yè)有限公司)

為了進(jìn)一步提高定向聚能爆破的效果，利用數(shù)值仿真軟件LS-DYNA3D，采用ALE方法設(shè)計了單錐和雙錐藥型罩相結(jié)合的兩種不同的串聯(lián)藥型罩結(jié)構(gòu)，對兩種聚能射流的形成及侵徹作用過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明：兩種結(jié)構(gòu)均能很好的形成射流，能夠有效提高射流對目標(biāo)的侵徹深度，且以雙錐罩為前級的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流比以單錐罩裝藥結(jié)構(gòu)形成射流的速度要高，前者的穿孔孔徑較后者要大。

定向爆破；串聯(lián)聚能裝藥；雙錐藥型罩；數(shù)值模擬

0 引言

在新建礦井的大量工程中，巷道工程所占的比重一般是在80%左右，其施工工期也要超過建井總工期的55%。因此，加快巷道施工進(jìn)度，是縮短建設(shè)工期的重要手段。目前，巖巷掘進(jìn)的破巖方法仍然以鉆眼爆破為主。為了獲得良好的爆破效果，不斷改進(jìn)爆破技術(shù)顯得尤為重要[1]。

自二十世紀(jì)五十年代后期，光面爆破（簡稱“光爆”）技術(shù)在瑞典興起以來，隨后在各國被廣泛推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)外巖巷施工中普遍采用光爆技術(shù)，在我國比例高達(dá)90%。相對于普通爆破，光爆巷道或硐室成型質(zhì)量有較大改觀，但圍巖損傷仍較嚴(yán)重、輪廓不平整度大、周邊孔痕率低，尤其在軟弱破碎巖體中問題更為突出，超欠挖嚴(yán)重，很難保證周邊質(zhì)量，在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

為了克服光爆的不足及滿足復(fù)雜條件下巖體定向控制爆破的需要，國內(nèi)外不少專家和學(xué)者進(jìn)行了大量理論和探索性試驗(yàn)研究，各種聚能控制爆破技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。聚能裝藥作為一種產(chǎn)生高能量密度的技術(shù)，在軍事和民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文在傳統(tǒng)聚能裝藥的基礎(chǔ)上，設(shè)計了單錐與雙錐和單錐與單錐相結(jié)合的兩種串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)，研究比較不同藥型罩結(jié)構(gòu)對巖石巷道的侵徹效果，目的在于提高炮孔利用率和巖石破碎率，進(jìn)而提高循環(huán)進(jìn)尺。

1 兩種串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)

兩種串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。藥型罩前后錐角分別為50?和40?，中間為隔板，前級壁厚為1mm，后級壁厚為1.2mm，材料為紫銅。

圖1 單錐--單錐串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 單錐--雙錐串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)

本文所述的串聯(lián)藥型罩成型裝藥結(jié)構(gòu)是在常規(guī)聚能裝藥破甲彈裝藥結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上拓展引申的一種裝藥結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于礦井巖巷掘進(jìn)過程中的定向控制爆破中，以達(dá)到增大孔徑和爆破深度的目的。此結(jié)構(gòu)的作用過程是，在巷道掘進(jìn)過程中，后級裝藥爆炸壓垮藥型罩形成金屬射流，由于其藥型罩角度較小、頭部速度較高，迅速通過兩級裝藥之間圓形通道，同時前級炸藥被引爆，爆轟產(chǎn)物推動藥形罩沿軸線方向向前運(yùn)動，形成的金屬射流在裝藥結(jié)構(gòu)軸線方向與后級射流匯聚成兩個同方向的金屬射流，由于速度梯度不同，它們在之后的運(yùn)動過程中相互連接加強(qiáng)，延長各自金屬射流的斷裂時間，使射流拉得更長，并保持金屬射流的穩(wěn)定性，可以進(jìn)一步加大金屬射流的長度及破孔直徑，從而大幅度提高其侵深能力。

2 計算模型及材料模型

2.1 計算模型

本文采用多物質(zhì)ALE[2]方法和運(yùn)動網(wǎng)格法來進(jìn)行模擬。因?yàn)榫勰苎b藥作用是一種多物質(zhì)相互作用的大變形運(yùn)動，所以用Lagrange方法難以準(zhǔn)確模擬，就ALE方法而言,除了聚能裝置外，還需建立足以覆蓋整個射流范圍的空氣網(wǎng)格。有限元網(wǎng)格劃分的幾何模型用Truegrid前處理軟件建立，因?yàn)榫勰苎b置為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以本文采用四分之一模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在計算模型中空氣介質(zhì)外表面施加壓力邊射條件，避免壓力在邊界上的反射。

2.2 材料模型

數(shù)值模擬中，炸藥采用JWL狀態(tài)方程來精確描述在爆炸驅(qū)動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積和能量特性，其表達(dá)式如下所示：

其中，狀態(tài)方程中A、B、R1、R2、ω為輸入?yún)?shù)；p、E和V分別表示爆炸產(chǎn)物的壓力、單位體積的內(nèi)能和相對體積（即單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物的體積）。

藥型罩材料選用紫銅，使用流體彈塑性模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述藥型罩在爆轟波作用下的動力響應(yīng)行為，可用來模擬高應(yīng)變(＞105)條件下的材料變形問題。Gruneisen狀態(tài)方程表達(dá)式在壓縮狀態(tài)時為：

在膨脹狀態(tài)時為：

式中，c是沖擊波速度us—質(zhì)點(diǎn)速度up曲線的截距，S1、S2和S3是us-up曲線斜率的系數(shù)，γ0是Gruneisen系數(shù)，a是對γ0的一階修正。表1給出了紫銅的流體彈塑性材料模型參數(shù)[3]。

表1 紫銅Gruneisen模型材料參數(shù)

本文采用TNT炸藥，其主要參數(shù)分別為：ρ=1.63g/cm3，D=6.98km/s，PCJ=21GPa。表 2 給出了炸藥JWL狀態(tài)方程的主要參數(shù)[4]。

表2 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

由于礦井巖石巷道本身是一種不均勻各向異性的脆性材料，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在動載荷作用下，又顯示出與應(yīng)變率有關(guān)的特性。因此，至今為止對巖巷的動態(tài)特性仍缺乏足夠的了解，尤其是其大變形、高應(yīng)變率、損壞/破壞的動態(tài)過程，材料的損傷/破壞問題非常復(fù)雜。本文采用張鳳國[5]提出的一種較為簡便的JHC模型參數(shù)的確定方法。巖石巷道主要參數(shù)見表3。

表3 巖巷材料常數(shù)

3 兩種裝藥結(jié)構(gòu)射流成型過程的數(shù)值模擬

首先對兩種射流成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，這兩種裝藥起爆后射流成型過程中對應(yīng)時刻狀態(tài)如圖3、圖4所示。侵徹靶板前射流各參數(shù)如表4所示。

圖3 單錐--單錐串聯(lián)裝藥

圖4 單錐--雙錐串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)

表4 不同裝藥結(jié)構(gòu)30μs時形成的射流長度與速度

從表4可知，以雙錐罩為前級的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流比以單錐罩為前級的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流更加均勻，同時，具有較高的射流頭部速度以及更大的頭尾速度差，射流長度較長。在一定程度上保證射流具有了經(jīng)受遠(yuǎn)程、長距離的延伸而不過早斷裂的能力，而后者形成的射流頭尾速度差距較小，射流長度較短，侵徹效果會明顯下降。

4 兩種裝藥結(jié)構(gòu)聚能爆破過程的數(shù)值模擬

4.1 單錐--單錐串聯(lián)裝藥的數(shù)值模擬

圖5 單--單錐藥型罩射流侵徹靶板過程

通過模擬可知，聚能爆破過程中初始階段，前端射流由后級藥型罩壓垮所形成，具有較高頭部速度，36μs時已經(jīng)開始了對目標(biāo)的侵徹，但在靶板的阻力影響下，頭部速度逐漸降低，前級裝藥形成的后續(xù)射流拉伸前進(jìn)，與前段射流相交匯。計算到最后時其侵徹深度為267.46mm，最大孔徑為24.58mm。

4.2 單錐--雙錐串聯(lián)裝藥的數(shù)值模擬

圖6為單錐--雙錐串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)不同時刻射流侵徹靶板過程模擬，兩種結(jié)構(gòu)對靶板的侵徹過程略有不同，此結(jié)構(gòu)在作用過程中，其穩(wěn)定侵徹階段持續(xù)時間較長，射流能夠保持良好的狀態(tài)，基本無斷裂，提高了侵徹效果。在計算到220μs時最大侵徹深度為314.62mm，最大孔徑為26.27mm。其形成的孔徑較單錐裝藥結(jié)構(gòu)大，且在相同時刻穿深明顯比單—單錐裝藥要深。

圖6 單--雙錐藥型罩射流侵徹靶板過程

兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流頭部速度和時間的關(guān)系曲線及各自裝藥對靶板穿侵徹深度分別如圖7、圖8所示。

圖7 射流頭部速度與時間曲線

從圖7可以看出，雙錐罩較單錐罩而言，前者能夠加大裝藥量，提高壓垮速度，所以以雙錐罩為前級的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流頭部速度比以單錐罩為前級的裝藥結(jié)構(gòu)所形成的射流頭部速度要高，在36μs射流開始侵徹靶板之后，由于靶板阻力的作用，頭部速度迅速下降。由圖8可知，前者形成的射流較早開始侵徹靶板，這是因?yàn)槠渚哂休^高的頭部速度，在相同炸高情況下，前者對靶板的侵徹深度比后者明顯要深。

圖8 各裝藥對靶板侵徹深度對比

5 結(jié)論

通過對兩種特定的串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)的射流成型和侵徹靶板的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，兩種不同結(jié)構(gòu)射流參數(shù)及侵徹特性有明顯差異。結(jié)論如下。

⑴ 本文設(shè)計的兩種串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)均能很好地形成射流，并且后級射流先行，前級射流隨進(jìn)，可以有效提高射流對靶板的侵徹深度。

⑵ 前級采用雙錐罩的裝藥結(jié)構(gòu)能夠加大前級的裝藥量，提高前級罩的壓垮速度，從而增加前級罩形成的射流的速度，在相同炸高下，其侵徹深度比采用單錐罩作為前級時的裝藥結(jié)構(gòu)提高了20%左右。

⑶ 由于雙錐罩形成的射流質(zhì)量分布較均勻，在作用過程中相比單錐罩不易拉斷，且射流直徑較大，具有一定的擴(kuò)孔能力。因此，以雙錐罩為前級的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流比以單錐罩結(jié)構(gòu)形成的射流對靶板的穿孔孔徑要大。

[1]高建偉.光面爆破技術(shù)在井巷施工中的應(yīng)用探討[J].煤礦現(xiàn)代化,2011.4(3):52-54

[2]趙海鷗.LS-DYNA動力學(xué)分析指南[M].兵器工業(yè)出版社,2003.

[3]時黨勇,李裕春,張勝民編著.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動力學(xué)分析[M].清華大學(xué)出版社,2005.

[4]董海山,周芳芳.高能固體炸藥及相關(guān)物性[M].科技出版社,1995.

[5]張鳳國,李恩征.混凝土撞擊損傷模型參數(shù)的確定方法[J].彈道學(xué)報,2001.12(2):11-16

Numerical investigation of directional gather blasting in mine roadway excavation

Han Xiaodong1,2,Xing Cun'en1,Zhi Lina2
（1.College of mining engineering,Tanyuan university of technology,Taiyuan,Shanxi 030051,China;2.Tongdi Yongcai Po Coal Industry Co.,Ltd）

In order to further improve the effect of directional gather blasting,two kinds of tandem-type hood structures with single cone-shaped and double cone-shaped hood were designed by using the numerical simulation software LS-DYNA3D.The formation of jet and the process of penetration are numerically simulated.The results show that all the two structures can form a jet well and can effectively improve the penetration depth of the jet to the target,and the jet structure formed by the double cone-shaped hood has a higher jet speed than that the jet structure formed by the single cone-shaped hood has,the perforation aperture of former is large than that of latter.

directional blasting；series concentrating charge；double cone-shaped hood；numerical simulation

TD235文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1006-8228(2017)10-14-04

2017-08-15

韓曉東（1985-），男，山西大同人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：礦業(yè)工程。

10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2017.10.005