基于數(shù)值模擬的并敷裝藥爆破效果

張光雄，歐陽天云，尚文凱，趙明生，司海峰

(1.保利民爆哈密有限公司，新疆 哈密 839200；2. 保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；3. 哈密市和翔工貿(mào)有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839200 )

新疆巴里坤縣別斯庫都克露天煤礦(以下簡稱“別礦”)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層性質(zhì)差異大，巖體裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造豐富，裂隙水蘊含量大，為新疆片區(qū)最難開采的露天煤礦。自建礦以來，別礦深孔臺階爆破一直存在大塊和根底過多的問題，對根底和大塊的二次處理，拖慢施工進度，嚴重制約著后續(xù)的采、運、排效率，影響著礦山的整體經(jīng)濟效益?？紤]別礦現(xiàn)有銨油和乳化兩種炸藥類型，通過對這兩種炸藥采用并敷裝藥結(jié)構(gòu)，分析不同比例的并敷裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響，探求合適的并敷炸藥比例。這對于改善爆破效果，解決大塊和根底過多問題以及降低生產(chǎn)成本具有重要的現(xiàn)實意義。

并敷裝藥結(jié)構(gòu)是指兩種及以上爆速不同的炸藥捆綁或搭接在一起，形成的整體裝藥結(jié)構(gòu)。類似光面爆破及預(yù)裂爆破中使用導(dǎo)爆索自底向上沿軸向連接的裝藥結(jié)構(gòu)，以及在含水炮孔爆破中，為了節(jié)約成本，采用下部乳化裝藥上部銨油裝藥的并敷裝藥結(jié)構(gòu)。目前，對并敷裝藥結(jié)構(gòu)的研究僅在理論上取得了些成果，王新生、梁銳等[1-2]對并敷裝藥結(jié)構(gòu)的傳爆特性進行過研究。通過實驗及理論分析得出：無論并敷段的炸藥哪個先起爆，沿著并敷段軸向方向，爆轟總是以其中最大的爆轟速度進行傳播。但是在實際應(yīng)用中，針對單種類型炸藥和并敷裝藥的效果分析研究較少。本文從工程實際出發(fā)，運用數(shù)值模擬技術(shù)對不同裝藥比例的并敷炸藥進行研究，以探求合理的并敷裝藥結(jié)構(gòu)，改善爆破效果。

1 計算模型及實驗方案

由于分析的是并敷炸藥對深孔臺階爆破效果的影響，為了簡化模型，降低計算時長，只對一個炮孔中并敷炸藥的爆破效果進行分析，鑒于模型的軸對稱特點，建模時只建四分之一模型。炸藥和空氣采用多物質(zhì)ALE算法[3]，巖石采用Lagrange算法，為了較為貼近現(xiàn)場實際，對巖石模型四周邊界施加透射條件，上邊界作為臨空面不做處理，模型采用cm-g-s單位制建模，模型尺寸1.5 m×1.5 m×1.5 m，裝藥總長度1 m，位于模型中心，炮孔直徑120 mm。實驗網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 實驗網(wǎng)格模型Fig.1 Experimental grid model

實驗中，為了找到不同的并敷裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響規(guī)律，采用控制變量法，建立6組參考對比模型。保持其他條件不變，僅改變?nèi)榛ㄋ幣c銨油炸藥的長度，具體實驗參數(shù)如表1所示。

表1 不同并敷裝藥結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)

2 材料參數(shù)的選取

2.1 炸藥參數(shù)

炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程選用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[4-5]。其形式為

(1)

式中：p為爆轟壓力；V為相對體積；E為單位體積炸藥內(nèi)能；A1，B1，R1，R2，ω為JWL方程的相關(guān)參數(shù)。

模型所用炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

表2 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)

2.2 巖石參數(shù)

巖石在爆炸荷載的作用下表現(xiàn)出高應(yīng)變率和大變形的破壞特征，為了準(zhǔn)確描述巖石爆破的損傷和失效過程。本文選用JHC(Johnson_Hlmquist_Concrete)[6-8]巖石材料模型。該模型將巖石的損傷因子D定義為等效塑性應(yīng)變和塑形體積應(yīng)變累加。

(2)

巖石損傷模型(HJC)參數(shù)如表3所示。

表3 HJC模型參數(shù)

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 巖石的裂紋擴展分析

巖石中的炮孔在爆炸后會在炮孔周圍形成破碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動區(qū)(見圖2)，各模型的破碎區(qū)基本已形成，裂隙區(qū)處于正在擴展的狀態(tài)。由于網(wǎng)格精度的問題，其失效刪除的單元并不規(guī)整，但各模型在同一時間的整體損傷效果差異明顯，可以看出：①全部使用乳化炸藥的爆破效果要比并敷裝藥效果好，并敷裝藥的效果比全部使用銨油炸藥的好，這是因為圖2a中的裂隙損傷范圍大于圖2b～圖2e的裂隙擴展范圍，而圖2f的裂隙擴展范圍最小，并且并敷裝藥模型的裂隙擴展范圍差異并不明顯；②并敷裝藥模型中，乳化與銨油炸藥接觸部位爆破效果明顯，從圖2b～圖2e可以看出，在2種炸藥接觸部位形成了較大的破碎區(qū)。

3.2 參考點的應(yīng)力傳播分析

為了分析不同裝藥比例模型的應(yīng)力隨時間變化差異，在模型中選擇距離爆破中心點1 m，分布于炮孔一側(cè)的3個單元(見圖3)作為分析對象，分別為#162351、#178235、#195563。為了避免因模型與實際現(xiàn)場存在的差異造成分析誤差，3個單元的應(yīng)力-時間僅取應(yīng)力波到達并累計200s的范圍。這段時間不存在臨近炮孔的應(yīng)力波干擾，可作為該炮孔能量的實際輸出來參考。

從#162351單元的壓力-時間曲線(見圖4)可看出：從應(yīng)力波作用開始，到達應(yīng)力峰值(模型6例外)，模型1～5的應(yīng)力-時間曲線基本重合，而模型6應(yīng)力增速較慢，且峰值較小。說明全部使用乳化炸藥以及采用并敷裝藥在應(yīng)力傳播前期，其效果基本一致，而全部使用銨油炸藥，應(yīng)力加速度較小，且應(yīng)力峰值小于其他裝藥形式。

圖4 #162351單元在不同模型中的壓力時程Fig.4 Pressure time-history of #162351 unit in different models

#178235單元與#162351單元在到達應(yīng)力波峰前的應(yīng)力-時間關(guān)系基本類似(見圖5)：模型1～5基本一致，而模型6在應(yīng)力加速度和應(yīng)力峰值上均小于其他模型。

圖5 #178235單元在不同模型中的壓力時程Fig.5 Pressure time-history of #178235 unit in different models

#195563單元延續(xù)了以上兩個單元的基本走勢(見圖6)，但模型1～5的應(yīng)力-時間曲線重合度較其他單元模型差。通過這3個參考點的分析，可以得到全乳化炸藥和并敷裝藥的效果差異不大，全銨油裝藥效果較差。對于#178235單元和#195563單元的應(yīng)力波峰前的曲線模型1～5重合度較差的結(jié)果，分析認為是由于采用孔底起爆的緣故，隨著炸藥從下往上逐步爆轟，失效刪除的單元會對應(yīng)力的傳播造成一定影響，所以距離起爆點越近的地方所受的影響越小。

圖6 #195563單元在不同模型中的壓力時程Fig.6 Pressure time-history of #195563 unit in different models

3.2 爆破后巖石的能量變化分析

從巖石材料的內(nèi)能、動能和總能量隨時間變化的曲線可以看出(見圖7～圖9)：①模型1～5巖石總能量在達到峰值之前，其曲線基本重合，且峰值能量較模型6大；②模型1的內(nèi)能和動能隨時間變化的曲線在前期與其他模型相似的基礎(chǔ)上達到了更高的峰值。分析得出：全乳化裝藥和并敷裝藥的爆破能量作用效果在前期基本一致，且都較全銨油裝藥效果好；全部采用乳化裝藥的效果最好，其次是并敷裝藥，而全部采用銨油裝藥的效果最差。

圖7 巖石材料的內(nèi)能-時間變化關(guān)系Fig.7 Time-internal energy variation of rock material

圖8 巖石材料的動能-時間變化關(guān)系Fig.8 Time-kinetic energy variation of rock material

圖9 巖石材料的總能量-時間變化關(guān)系Fig.9 Time-total energy variation of rock material

綜合以上分析結(jié)果，針對全乳化炸藥和并敷裝藥在應(yīng)力傳播和能量累計上的相似性，可用文獻[2]對并敷段炸藥傳爆特性的研究結(jié)果進行解釋：沿不同爆速炸藥并敷段軸向，爆轟總是以其中最大的爆轟速度進行傳播[1-2]。所以，并敷裝藥的爆轟傳遞特征總是與爆速高的乳化炸藥傳爆特征類似。

4 結(jié)論

1)全乳化裝藥的整體效果要比并敷裝藥和全銨油裝藥的效果好，針對爆破區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的炮區(qū)當(dāng)優(yōu)先考慮全乳化裝藥，以減少根底和降低大塊率。

2)全乳化裝藥和并敷裝藥的效果差異不大，且不同比例的并敷炸藥模型對爆破效果的影響差異也較小，鑒于銨油炸藥的成本低于乳化炸藥，在綜合考慮成本和爆破效果的基礎(chǔ)上，可優(yōu)先考慮并敷裝藥結(jié)構(gòu)，并可適當(dāng)采用大比例銨油并敷。