單楔形掏槽爆破腔體時(shí)空演化及應(yīng)用

胡建華，楊春，周科平，周炳任，張紹國

?

單楔形掏槽爆破腔體時(shí)空演化及應(yīng)用

胡建華1, 2，楊春1, 2，周科平1, 2，周炳任3，張紹國3

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙， 410083；2. 湖南省深部金屬礦開發(fā)與災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙， 410083； 3. 廣西華錫集團(tuán)股份有限公司，廣西 河池， 547200)

為改善礦山巷道掘進(jìn)掏槽爆破現(xiàn)狀，采用AUTO CAD與ANSYS聯(lián)合建模技術(shù)構(gòu)建垂直單楔形掏槽爆破數(shù)值模型，運(yùn)用顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA定義巖石單元失效獲得掏槽腔體擴(kuò)展演化過程。通過多方位剖視掏槽腔體，從時(shí)空演化角度研究垂直單楔形掏槽在銅坑礦階段運(yùn)輸巷道掘進(jìn)工程中的適用性。研究結(jié)果表明：AUTO CAD與ANSYS聯(lián)合建模技術(shù)可克服ANSYS對(duì)于復(fù)雜模型構(gòu)建的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)巷道掏槽精細(xì)化數(shù)字建模；定義巖石單元失效使得掏槽腔體演化過程更直觀，整體上形成雙向主次的喇叭狀掏槽腔體結(jié)構(gòu)，腔體空間上和向呈三角形分布，向不同段表現(xiàn)出不同的形態(tài)；應(yīng)力波疊加作用對(duì)孔底附近掏槽腔體形狀影響顯著，靠近掌子面附近腔體形態(tài)主要受炮孔空間布置方式影響，為提高爆破的效果，輔助爆破可以適當(dāng)傾斜布置；垂直單楔形掏槽體積比直孔桶形掏槽體積明顯增大，其有效掘進(jìn)進(jìn)尺2 m，效率比達(dá)91%；輔助孔與掏槽孔起爆時(shí)間應(yīng)控制在毫秒級(jí)范圍內(nèi)。

掏槽爆破；巷道掘進(jìn)；時(shí)空演化；聯(lián)合建模；數(shù)值模擬

在地下金屬礦山鉆爆法巷道掘進(jìn)過程中，掏槽腔為輔助孔起爆提供了新的自由面，進(jìn)而削弱了巖體內(nèi)部夾制作用，對(duì)改善輔助孔起爆條件極為有利[1]。針對(duì)掏槽孔起爆僅有1個(gè)自由面、碎巖條件差的現(xiàn)狀，需探求一種高效掏槽方法。戴俊等[2?5]采用工程試驗(yàn)或數(shù)值模擬等方法對(duì)三角柱直眼掏槽、雙螺旋直眼掏槽、楔形掏槽、錐形掏槽等掏槽方式進(jìn)行了研究。黃寶 龍[6]對(duì)目前國內(nèi)外巖巷掘進(jìn)掏槽爆破研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，歸納了巖巷掏槽爆破的理論與試驗(yàn)研究狀況及掏槽技術(shù)的工程應(yīng)用情況，介紹了一種新的掏槽技術(shù)即準(zhǔn)直孔掏槽技術(shù)。單仁亮等[7?8]運(yùn)用相似理論建立了準(zhǔn)直眼掏槽爆破實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，確定了最優(yōu)爆破參數(shù)，并將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案應(yīng)用于工程實(shí)踐，效果良好。徐剛 等[9]在楔形掏槽眼中間增加一組輔助掏槽眼，以擴(kuò)大掏槽眼自由面，減小抵抗線。優(yōu)化后的參數(shù)在工程實(shí)踐中不僅提高了掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺，而且降低了巷道材料消耗。巷道掘進(jìn)掏槽爆破的工程試驗(yàn)研究成本較高，采用相似模型試驗(yàn)研究受尺寸效應(yīng)影響具有一定的局限性，且耗時(shí)耗力[10?11]。顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA在爆破參數(shù)優(yōu)化及爆破方案適用性研究方面應(yīng)用廣泛[12]。于蕾等[13]對(duì)2種不同裝藥的桶形掏槽爆破方式進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)這2種掏槽爆破方式的模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為礦山高效掘進(jìn)提供了技術(shù)支持。潘先峰等[14]利用有限元軟件 LS?DYNA 對(duì)掏槽爆破擴(kuò)腔過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，根據(jù)不同時(shí)刻炸藥物質(zhì)的膨脹過程分析了爆破空腔的形成過程，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有的理論分析結(jié)果基本相符。在工程實(shí)踐中，掏槽腔體是在炸藥爆破作用下巖體中原巖裂隙及爆生裂隙互相貫通，巖體發(fā)生破碎并向掌子面拋擲的結(jié)果。許多研究者采用數(shù)值模擬方法在研究掏槽擴(kuò)腔過程中未考慮巖石單元失效，僅從爆生物質(zhì)膨脹過程或應(yīng)力應(yīng)變角度分析掏槽效果，實(shí)際掏槽空間形成過程無法直觀展示。為此，本文作者采用顯式動(dòng)力分析軟件LS?DYNA通過定義單元失效，對(duì)巷道掘進(jìn)過程中的掏槽腔形成過程直觀顯現(xiàn)，以探究垂直單楔形掏槽的效果，分析單楔形掏槽爆破的工程效果，以便為礦山巷道工程提供高效、適用的掏槽工藝參數(shù)。

1 工程背景

銅坑礦是廣西華錫集團(tuán)股份有限責(zé)任公司的主要礦山企業(yè)之一，年產(chǎn)近200萬t。井下主要采用Simba-261潛孔鉆機(jī)以及國內(nèi)先進(jìn)的宣化鉆機(jī)、 CTX-6B鏟運(yùn)機(jī)以及井下卡車出礦等大型設(shè)備生產(chǎn)工藝。為滿足井下大型無軌運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行條件要求，采用大斷面階段運(yùn)輸巷道，斷面長×寬為4 500 mm× 3 800 mm。目前，生產(chǎn)主要集中在92號(hào)礦體405水平及以下水平，圍巖多為層狀硅質(zhì)灰?guī)r體，巖石抗壓強(qiáng)度最大達(dá)153 MPa；堅(jiān)固巖石的普氏系數(shù)為I和II級(jí)，鑿巖性差，爆破性好且崩落圍巖塊度均勻。但受到層狀結(jié)構(gòu)的影響，巖體爆破效果差。為控制巷道拱頂斷面輪廓，在階段運(yùn)輸巷道延伸工程中，在拱頂預(yù)留厚度為800 mm的光爆層，層內(nèi)采用二步精細(xì)爆破法施工。巷道掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺2 200 mm，裝藥孔徑42 mm。

在巷道掘進(jìn)中采用直孔桶形掏槽技術(shù)，該法掏槽孔與大孔徑誘導(dǎo)空孔間隔布置，根據(jù)巖體性質(zhì)，掏槽孔一般為3~6個(gè)。桶形掏槽特點(diǎn)是炮孔均垂直于掌子面，施工方便，炮孔布置方式如圖1所示。中央預(yù)留1個(gè)誘導(dǎo)空孔，外圍3個(gè)裝藥孔與誘導(dǎo)空孔間隔布置，1次掏槽體積受限，后續(xù)輔助孔爆破自由面較小，需進(jìn)行2次爆破擴(kuò)槽。隨著礦山生產(chǎn)強(qiáng)度增大，開拓和采準(zhǔn)工程的滯后性更加突出，改進(jìn)礦山掘進(jìn)掏槽工藝、提高礦山巷道工程的效率已經(jīng)成為礦山發(fā)展的必然選擇。

擬改用垂直單楔形掏槽方式提高礦山巷道掘進(jìn)效率。垂直單楔形掏槽孔由左、右對(duì)稱的2排炮孔組成，炮孔與掌子面呈一定角度，這種結(jié)構(gòu)對(duì)掏槽腔內(nèi)巖石拋擲極有利。其優(yōu)點(diǎn)是：所需掏槽孔數(shù)少，掏槽體積大；當(dāng)巷道斷面一定時(shí)，減少了礦山爆破鉆孔數(shù)量，有利于提高爆破鑿巖效率，提高掘進(jìn)工效。運(yùn)用LS?DYNA分析掏槽腔形成過程，分析銅坑礦采用垂直單楔形掏槽爆破的可行性。

(a) 直孔捅形掏槽；(b) 楔形掏槽

2 數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 數(shù)值模型聯(lián)合構(gòu)建

沿巷道走向取1個(gè)循環(huán)進(jìn)尺長度作為研究域，根據(jù)銅坑礦455水平巖體性質(zhì)并結(jié)合楔形掏槽主要參數(shù)，在AUTO CAD中建立垂直單楔形掏槽爆破炮孔布置方式三維模型。模型中的巷道邊界為曲面樣條曲線，難以實(shí)現(xiàn)ANSYS精細(xì)構(gòu)建。將炮孔及巷道模型CAD文件輸出為“*.sat”格式導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行模型修復(fù)[15?16]，以實(shí)現(xiàn)巷道拱頂弧形輪廓樣條曲線的精細(xì)化數(shù)字建模。通過MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字[17?18]定義巖石單元失效來直觀展現(xiàn)掏槽腔體擴(kuò)展時(shí)空演化過程?？紤]到單元尺寸過大將導(dǎo)致模擬結(jié)果精度降低，而小尺寸單元會(huì)導(dǎo)致單元數(shù)量劇增，大幅增加計(jì)算成本的現(xiàn)狀，采用模型框線定長分段的方法，經(jīng)過多次調(diào)試最終確定圖2所示網(wǎng)格模型。模型由3 320 667個(gè)四面體單元構(gòu)成，單元類型為3D SOLID164。除掌子面定義為自由面外，其他邊界均為無反射邊界條件。

(a) 孔口；(b) 孔底

2.2 算法選擇

LS?DYNA提供了爆破大變形動(dòng)力學(xué)問題共節(jié)點(diǎn)、接觸和流固耦合的3種算法[19]。前2種算法在模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分方面并無太大差異，而流固耦合算法要求流體與固體之間需有一定范圍的網(wǎng)格重疊區(qū)域，模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分相對(duì)耗時(shí)耗力。共節(jié)點(diǎn)算法與接觸算法都屬于Lagrange算法，前者不同材料間相互作用通過材料邊界共用節(jié)點(diǎn)傳遞，后者需通過修改關(guān)鍵字定義接觸實(shí)現(xiàn)載荷傳遞?；诰W(wǎng)格數(shù)量較多，綜合考慮各算法優(yōu)缺點(diǎn)，采用共節(jié)點(diǎn)算法進(jìn)行模擬可節(jié)省計(jì)算成本。模擬藥卷直徑為25 mm，通過試算調(diào)整網(wǎng)格分布解決了網(wǎng)格畸變所引起的計(jì)算終止現(xiàn)象。求解時(shí)間參數(shù)設(shè)定為3 ms。

2.3 材料屬性

2.3.1 巖石材料

為提高計(jì)算的精確性，巖體介質(zhì)材料選取連續(xù)、均勻、各向同性的彈塑性材料塑性，在k文件中采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[20]定義巖體，巖石材料參數(shù)如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

Table 1 Mechanical properties of rock

2.3.2 炸藥材料

在地下坑道開挖過程中采用2號(hào)巖石炸藥。材料參數(shù)如表2所示。炸藥狀態(tài)方程(JWL方程)[21]如下：

式中：為爆轟壓力；為相對(duì)體積；為單位體積比內(nèi)能；，，，1和2為材料常數(shù)。

表2 2號(hào)巖石炸藥材料及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

3 掏槽腔體時(shí)空演化過程分析

3.1 腔體時(shí)間演化過程

為了解掏槽爆破的炸藥與巖體相互作用及其相應(yīng)時(shí)空演化過程，對(duì)炸藥起爆后的初始狀態(tài)及其掏槽腔體的最終形態(tài)進(jìn)行分析，分別見圖3和圖4。

由圖3可知：藥卷在起爆零時(shí)刻由孔底迅速向掌子面方向傳爆，炸藥單元應(yīng)力極值隨時(shí)間快速增大，并在一定的時(shí)間段內(nèi)維持高應(yīng)力狀態(tài)。這種高應(yīng)力的膨脹單元將炸藥爆生能量傳遞并作用于巖石單元，靠近孔底區(qū)域巖石單元在高能應(yīng)力作用下率先失效破壞，掏槽腔隨之?dāng)U展和成形。

圖3 藥卷初始起爆時(shí)刻的單元膨脹圖

圖4 最終形成的掏槽腔體形態(tài)圖

由圖4可知：掏槽腔的最終形態(tài)呈雙向的主次喇叭狀結(jié)構(gòu)，受孔底炸藥的直接作用和孔底無反射邊界條件約束，炸藥起爆后在孔底形成了喇叭狀開口形狀，這與工程實(shí)際有一定差距。在工程實(shí)際中,受巖石的夾持作用，孔底巖石破碎程度低，難以形成腔體。但隨著炸藥直接作用減弱，腔體收縮并重新向自由面端擴(kuò)展，形成主要的喇叭口狀掏槽腔。

LS?DYNA的輸出文件系統(tǒng)詳細(xì)記錄了模型運(yùn)算信息，據(jù)此，通過提取模型信息輸出文件中的單元失效時(shí)間及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的失效單元數(shù)目，統(tǒng)計(jì)得腔體內(nèi)失效單元共2 717 817個(gè)，得圖5所示失效單元時(shí)程曲線。

圖5 失效單元時(shí)程曲線

從圖5可以看出：失效單元數(shù)目在260 μs內(nèi)處于急速增長階段，260 μs后增長速度明顯減小，1 545 μs后失效單元數(shù)不再發(fā)生變化。結(jié)合LS?PREPOST后處理器中掏槽擴(kuò)腔動(dòng)畫演示可發(fā)現(xiàn)：起爆初期高能應(yīng)力作用于巖石單元，腔體擴(kuò)展速度較快，1 545 μs前腔體處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；隨著炸藥能量不斷耗散，后期腔體體積增長速度明顯減小，掏槽爆破在1 545 μs內(nèi)完成。為提高爆破的效果，輔助孔的爆破應(yīng)該與掏槽孔爆破的時(shí)間差達(dá)到毫秒級(jí)。

3.2 腔體空間形態(tài)表征分析

從掏槽的時(shí)間演化可以發(fā)現(xiàn)，掏槽腔的形態(tài)演化有利于形成爆破的后續(xù)空腔自由面及其補(bǔ)償體積空間。為充分研究掏槽腔體在空間演化上的特征，利用LS?PREPOST后處理器中提供的強(qiáng)大“切片”剖視功能，從，和這3個(gè)方向剖視掏槽腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，充分分析在空間的演化上腔體形成和演化的空間表征，論證腔體形成的空間特征與掏槽效果及其爆破控制間的關(guān)系。

3.2.1向剖面

截面位置及其切片分布如圖6所示。平面法向與軸平行，沿著坐標(biāo)軸間隔一定步距獲取剖面視圖，并根據(jù)巷道掘進(jìn)中的炮孔利用系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值在2 m處獲取切片。

受炮孔布置方式等因素影響，掏槽腔體豎直斷面形狀沿巷道走向不斷變化，越靠近掌子面斷面面積越大，與炮孔外擴(kuò)結(jié)構(gòu)一致。巷道作業(yè)面與孔底斷面腔體截面形狀差異較大，孔底位置腔體截面形狀近似為1個(gè)長軸與軸平行的橢圓形，長軸約2.15 m，短軸約1.80 m。掌子面左右兩排炮孔間距最大，掏槽腔體腔體斷面水平方向最大破壞范圍約2.80 m，垂直方向約1.60 m。2排炮孔圍成區(qū)域?yàn)樽钚☆A(yù)計(jì)掏槽空間，該域內(nèi)巖石單元幾乎完全失效，掏槽腔體貫通研究域內(nèi)2個(gè)端面。從圖6(h)可以看出：2排炮孔中央有近似矩形區(qū)域(長約1.50 m，寬約0.70 m)巖石單元仍有保留，但相鄰存留單元之間已經(jīng)產(chǎn)生明顯分離。在進(jìn)一步輔助孔爆破中將直接破壞，形成有效的輔助爆破空腔自由面及補(bǔ)償空間。在2.00 m位置處，腔體收縮變最窄，空腔的破壞單元數(shù)量少，與經(jīng)驗(yàn)的有效進(jìn)尺一致，掘進(jìn)中的炮孔利用系數(shù)為91%。

(a) Z向；(b) Z=?2.12 867 m；(c) Z=?2.000 186 m；(d) Z=?1.70 037 m；(e) Z=?1.50 763 m；(f) Z=?0.97 225 m；(g) Z=?0.244 134 m；(h) Z=?0.00 856 m

不同位置斷面橫向尺寸與豎向尺寸差異較大且不斷變化，孔底區(qū)域炮孔間距小，應(yīng)力波疊加作用明顯，導(dǎo)致近孔底區(qū)域腔體斷面豎向尺寸大于橫向尺寸；斷面位置越靠近孔口，2排炮孔間距增大應(yīng)力波疊加作用弱化，腔體斷面形狀受炮孔布置方式影響更加顯著，斷面橫向尺寸大于豎向尺寸。

3.2.2向剖面

沿巷道中軸線所在豎直平面剖視，腔體斷面形狀近似為1個(gè)等腰三角形，如圖7所示。但在2.00 m附近有明顯的未破壞發(fā)生的巖石存在。該剖面位于2排炮孔中央，為左右炮孔應(yīng)力波疊加作用最顯著區(qū)域，腔體上下邊界內(nèi)巖體單元大部分失效，腔內(nèi)少量存留單元均已與原巖完全分離。同時(shí)，為提高礦山巷道工程的爆破效果，可以適當(dāng)對(duì)輔助爆破的炮孔布置進(jìn)行適當(dāng)傾斜，提高底部爆破的效果。

(a) 剖面位置；(b) 剖視圖

3.2.3向剖面

沿過炮孔中心的水平面進(jìn)行剖視，腔體斷面如圖8所示。掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)孔底區(qū)域受到原巖約束，爆破條件較差，通常只能在較小范圍內(nèi)破碎巖石。在模擬過程中，為了節(jié)省計(jì)算成本，僅取1個(gè)循環(huán)進(jìn)尺作為研究域，因此，模擬過程中未考慮后方原巖約束作用，孔底區(qū)域腔體形成了1個(gè)反向“喇叭口”，深度約為20.00 cm。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出：軟件算法本身具有一定的局限性，無反射邊界條件只能大幅度降低邊界應(yīng)力波反射作用，不能將其完全消除。起爆點(diǎn)與端面距離較近，故反射應(yīng)力波對(duì)近腔體形成仍有一定影響，這也驗(yàn)證了在礦山生產(chǎn)中，受底部的夾持作用，爆破的有效進(jìn)尺一般在2.00 m左右，即圖8(b)中黑色分界線上方區(qū)域。

(a) 剖面位置；(b) 剖視圖

受圍巖約束，腔體中部位置炸藥能量耗散較少，集中作用于巖體，故腔體中部破碎范圍較大。距掌子面約20.00 cm腔體輪廓局部收縮。該區(qū)域炮孔間距較大，巖石破碎效果略有下降。掌子面是巷道掘進(jìn)唯一自由面，應(yīng)力波傳至自由面后產(chǎn)生反射拉伸波折回巖體，掌子面附近腔體輪廓較上述收縮區(qū)域略增大。

4 結(jié)論

1) 運(yùn)用AUTO CAD對(duì)復(fù)雜三維模型進(jìn)行初步構(gòu)建，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行模型修復(fù)，克服了ANSYS對(duì)于復(fù)雜模型構(gòu)建的缺點(diǎn)。AUTO CAD與ANSYS聯(lián)合建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)掏槽爆破精細(xì)化建模。

2) 通過定義巖石單元失效更加直觀地展示了掏槽腔體形成過程，使得對(duì)掏槽效果分析更直接；獲得了掏槽爆破腔體的時(shí)間和空間的演化特征和規(guī)律，表現(xiàn)為底部爆破起爆快速形成高能爆炸氣體破巖，整體上形成了雙向主次的喇叭狀掏槽腔體結(jié)構(gòu)，空間上和向呈三角形分布，向不同段表現(xiàn)出不同的形態(tài)。

3) 應(yīng)力波疊加作用對(duì)孔底掏槽腔體斷面形狀影響顯著，靠近掌子面附近腔體形態(tài)主要受炮孔布置方式影響，為提高爆破的效果，輔助爆破可以適當(dāng)進(jìn)行傾斜布置。

4) 垂直單楔形掏掏槽體積較直孔桶形掏槽明顯增大，可以改善銅坑礦階段開拓運(yùn)輸巷道的掘進(jìn)效果，其有效掘進(jìn)進(jìn)尺為2.00 m，效率比達(dá)91%，輔助孔與掏槽孔起爆時(shí)間應(yīng)控制在毫秒級(jí)。

[1] 李夕兵. 鑿巖爆破工程[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2011: 184?185. LI Xibing. Drilling blasting engineering[M]. Changsha: Central South University Press, 2011: 184?185.

[2] 戴俊, 楊永琦. 三角柱直眼掏槽爆破參數(shù)研究[J]. 爆炸與沖擊, 2000, 20(4): 364?368. DAI Jun, YANG Yongqi. Researches on blasting parameters of triangle burn cut[J]. Explosion and Shock Waves, 2000, 20(4): 364?368.

[3] 劉醫(yī)碩. 雙螺旋直眼掏槽參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 湘潭: 湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 2013: 12?16. LIU Yishuo. Double-spiral cutting parameters optimization[D]. Xiangtan: Hunan University of Science and Technology. School of Resource Environment and Safety Engineering, 2013: 12?16.

[4] 袁曉龍. 隧道楔形掏槽爆破技術(shù)研究[D]. 合肥: 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院, 2014: 21?23. YUAN Xiaolong. Research on blasting technology of wedge-shaped cutting for rock tunnel[D]. Hefei: Anhui University of Science and Technology. School of Civil and Architectural Engineering, 2014: 21?23.

[5] 黃永輝. 立井硬巖深孔錐形掏槽爆破技術(shù)研究[D]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與土木工裎學(xué)院, 2013: 9?27. HUANG Yonghui. The technology study on long-hole pyramid cut blasting in hard rock vertical shaft[D]. Beijing: China University of Mining & Technology (Beijing). School of Mechanics and Civil Engineering, 2013: 9?27.

[6] 黃寶龍. 巖巷掘進(jìn)掏槽爆破理論與技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國礦業(yè), 2014, 23(10): 103?106. HUANG Baolong. Progress on theory and technique of cutting blasting in rock drivage[J]. China Mining Magazine, 2014, 23(10): 103?106.

[7] 單仁亮, 黃寶龍, 蔚振廷, 等.巖巷掘進(jìn)準(zhǔn)直眼掏槽爆破模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 31(2): 256?264. SHAN Renliang, HUANG Baolong, WEI Zhenting, et al. Model test of quasi-parallel cut blasting in rock drivage[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 31(2): 256?264.

[8] 單仁亮, 黃寶龍, 高文蛟, 等. 巖巷掘進(jìn)準(zhǔn)直眼掏槽爆破新技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(2): 224?232. SHAN Renliang, HUANG Baolong, GAO Wenjiao, et al. Case studies of new technology application of quasi-parallel cut blasting in rock roadway drivage[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(2): 224?232.

[9] 徐剛, 陳國才. 硬巖掘進(jìn)掏槽方式及參數(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用[J]. 煤炭工程, 2014, 46(12): 45?46. XU Gang, CHEN Guocai. Study and application of cutting mode and parameter optimization of hard work heading[J]. Coal Engineering, 2014, 46(12): 45?46.

[10] 袁文華, 馬芹永, 黃偉. 楔形掏槽微差爆破模型試驗(yàn)與分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(S1): 3352?3356. YUAN Wenhua, MA Qinyong, HUANG Wei. Model experiment and analysis of wedge-shaped cutting millisecond blasting[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(S1): 3352?3356.

[11] 黃永輝, 程志彬, 沈慰安, 等.立井 4.9 m 深孔錐形掏槽爆破試驗(yàn)研究[J]. 工程爆破, 2013, 19(3): 23?25. HUANG Yonghui, CHENG Zhibin, SHEN Weian, et al. Research on blasting experiments of 4.9 m long-hole pyramid cut in vertical shaft[J]. Engineering Blasting, 2013, 19(3): 23?25.

[12] BERNARD T, DOZOLME P. The digital simulation of blasts: a major challenge for mines in the 21st century[J]. Procedia Engineering, 2014, 83: 100?110.

[13] 于蕾, 李祥龍, 鄧光茂. 云錫 1360 基礎(chǔ)平臺(tái)桶形掏槽數(shù)值模擬研究[J]. 爆破, 2014, 31(3): 103?109. YU Lei, LI Xianglong, DENG Guangmao. Numerical simulation of cylinder cutting on 1360 fundamental platform of Yunnan Tin Group[J]. China Blasting, 2014, 31(3): 103?109.

[14] 潘先峰, 毛艷鋒. 基于 ANSYS/LS-DYNA 的井巷掘進(jìn)掏槽爆破擴(kuò)腔過程的數(shù)值模擬[J]. 煤礦爆破, 2014(4): 19?24. PANG Xianfeng, MAO Yanfeng. The numerical simulation of shaft excavation blasting cavity expansion process based on ANSYS/LS-DYNA[J]. Coal Mine Blasting, 2014(4): 19?24.

[15] 徐惠琳, 楊帆, 謝波. ANSYS 與 CAD 聯(lián)合建模時(shí)的數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[J]. 山西建筑, 2007, 33(33): 366?367. XU Huilin, YANG Fan, XIE Bo. Data interface and conversion technology in model building combined with ANSYS and CAD[J]. Shanxi Architecture, 2007, 33(33): 366?367.

[16] 黃小華, 金艷麗. 巖土工程中 CAD 與 ANSYS 聯(lián)合建模的數(shù)據(jù)交換[J].西部探礦工程, 2009, 21(12): 9?12. HAUNG Xiaohua, JIN Yanli. Data conversion of models using ANSYS and CAD in geological engineering[J]. West-China Exploration Engineering, 2009, 21(12): 9?12.

[17] 周科平. 采礦過程模擬與仿真[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2012: 166?167. ZHOU Keping. Mining process modeling and simulation[M]. Changsha: Central South University Press, 2012: 166?167.

[18] MA G W, AN X M. Numerical simulation of blasting-induced rock fractures[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(6): 966?975.

[19] 白金澤. LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005: 74?99. BAI Jinze. Theoretical basis and case analysis of LS-DYNA3D[M]. Beijing: Science Press, 2005: 74?99.

[20] 王鵬, 周傳波, 耿雪峰, 等. 多孔同段爆破漏斗形成機(jī)理的數(shù)值模擬研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(3): 993?997. WANG Peng, ZHOU Chuanbo, GENG Xuefeng, et al. Numerical simulation of formation mechanism of multi hole and same delay time of blasting crater[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(3): 993?997.

[21] 趙錚, 陶鋼, 杜長星. 爆轟產(chǎn)物 JWL 狀態(tài)方程應(yīng)用研究[J]. 高壓物理學(xué)報(bào), 2009, 23(4): 277?282. ZHAO Zheng, TAO Gang, DU Changxing. Application research on JWL equation of state of detonation products[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009, 23(4): 277?282.

(編輯 陳燦華)

Temporal-spatial evolution and application of blasting cavity of single wedge cutting

HU Jianhua1, 2, YANG Chun1, 2, ZHOU Keping1, 2, ZHOU Bingren3, ZHANG Shaoguo3

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083,China; 2. Hunan Key Laboratory of Mineral Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines, Changsha 410083, China; 3. Guangxi Huaxi Group Co. Ltd., Hechi 547200, China)

In order to change the present situation of narrow cutting cavity, the model of single wedge cutting blasting was established by combining AUTO CAD with ANSYS. The explicit dynamic software LS-DYNA was used to simulate cavity extension. From the aspects of temporal and spatial evolution with multi-direction cutaway views, the applicability of vertical single wedge cutting blasting for TONGKENG mine haulage roadway excavation was researched. The results show that joint modeling with AUTO CAD and ANSYS can overcome the shortcomings of ANSYS for complex model modeling, and achieve refined digital modeling for roadway. Cavity extension is more intuitive when elements failure is defined, which contributes to the analysis of cutting effect. The bidirectional primary and secondary trumpet-shaped cavity is formed with the outlines of triangle in horizontal and longitudinal sections. Meanwhile, there is different outlines in different vertical sections. The superposition of blasting stress waves has remarkable effect on the shape of cavity that is close to the hole bottom, and the shape of cavity near excavating face is influenced by the layout of blast holes markedly. For improving the blasting effect, the layout of auxiliary holes can be adjusted to sloping appropriately. The volume of this cavity is larger than that of the cylinder cutting. Therefore, the vertical single wedge cutting blasting is capable of improving the cutting present situation. Its footage keeps 2 m and efficiency ratio is 91%. Furthermore, the time lag between the denotations of auxiliary holes and cutting holes should be kept in the scope of milliseconds.

cutting blasting; roadway excavation; temporal and spatial evolution; joint modeling; numerical simulation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.023

TD235

A

1672?7207(2017)12?3309?07

2016?12?16；

2017?03?07

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAB12B01)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0602901)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41672298)(Project(2015BAB12B01) supported by National Science and Technology Pillar Program during the “Twelfth Five-Year” Period; Project (2017YFC0602901) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(41672298) supported by the National Natural Science Foundation of China)

胡建華，博士，教授，從事高效安全采礦技術(shù)與巖土工程的穩(wěn)定性分析研究；E-mail：hujh21@126.com