深孔爆破地震波峰谷相抵消數(shù)值模擬

周敏，張云鵬,2，崔久云，王杰

(1. 華北理工大 學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210；2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室, 河北 唐山 063210)

當(dāng)前露天礦山臺階爆破減振的常用措施是微差爆破，通過控制炮孔孔間與排間的爆破延期時間促使各段爆破產(chǎn)生的振動相互干擾，從而降低爆破振動。由于之前普遍使用的導(dǎo)爆管雷管精度低、安全性差、存在誤差較大逐漸被礦山企業(yè)所淘汰，而電子雷管具有精度高、安全性能好且能夠根據(jù)礦山巖石的材料性質(zhì)精準(zhǔn)靈活地設(shè)置炮孔爆破延期時間等優(yōu)點。但是電子雷管由于面市時間短，使用經(jīng)驗不足且缺少相關(guān)研究，當(dāng)前礦山普遍按照導(dǎo)爆管雷管的爆破設(shè)計要求來使用電子雷管，導(dǎo)致未能達(dá)到其精準(zhǔn)延時減振的目的。為此，許多專家學(xué)者針對數(shù)碼雷管的爆破效應(yīng)進(jìn)行了廣泛深入的研究。

侯義輝、陳航、王薇等[1]進(jìn)行了最佳延時時間爆破減振研究，得出了不同延時時間對爆破減振效果影響的規(guī)律。鐘冬望[2-6]等進(jìn)行了基于精確延時控制的爆破降振方法，通過設(shè)置合理的孔間延期時間，采用逐孔起爆技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)分段振動干擾相消，實現(xiàn)錯峰降振。張光雄等[7]研究了毫秒延時間隔時間的計算方法，但是對于毫秒延時間隔時間的合理設(shè)置并未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，對短毫秒延時的降振效果尚未明確[8-11]。大量研究表明，分段炮孔延時起爆是有效降低炮振的重要方法，而數(shù)碼雷管的精確延時又為此方法提供了技術(shù)支持。該研究擬在通過數(shù)值模擬的方法模擬露天臺階爆破，通過單孔的波長設(shè)置合理的延時參數(shù)，探究數(shù)碼雷管在露天臺階爆破減振延時時間。

1 參數(shù)設(shè)置與建模

1.1 模擬軟件選擇

目前能夠?qū)ΦV山爆破爆炸等問題進(jìn)行研究的軟件主要有DYTRAN、AUTODYN、 ABAQUS和 ANSYS/LS-DYNA。LS-DYNA作為世界上最著名的通用顯示動力分析程序，能夠?qū)Χ喾N高難度復(fù)雜非線性問題進(jìn)行分析，具有多種算法與多樣的材料模型、狀態(tài)方程、實體模型，對流固耦合及沖壓成型等問題能夠進(jìn)行精準(zhǔn)分析，適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性沖擊問題。綜合考慮露天臺階爆破的特點及各軟件的優(yōu)點及劣勢，選用LS-DYNA軟件模擬露天深孔爆破。

1.2 單元類型選擇

LS-DYNA中為用戶提供了大量的實體單元類型，包括桿、梁、板、殼剛體等多種類型。巖石及炸藥都可采用SOLID164實體單元類型表示。在顯示動力分析中SOLID164實體單元是一種具有8節(jié)點的單元，可用于模擬泡沫、橡膠及彈塑性體等20多種材料模型，適合模擬爆破工程中高應(yīng)變、高壓力與高速的復(fù)雜物理化學(xué)過程。

1.3 材料模型選擇

由于巖體材料本身具有裂隙、節(jié)理構(gòu)造與各向異性，在現(xiàn)有實驗室條件下很難確定巖石參數(shù)。針對巖體復(fù)雜的材料參數(shù)力學(xué)特性，將巖體簡化為各向同性的均質(zhì)連續(xù)材料，有利于建立有限元模型并縮減計算求解過程。巖石材料研究選用彈塑性動力學(xué)模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該模型考慮了材料的隨動硬化和同性硬化，巖石材料參數(shù)見表1。

表1 巖石材料參數(shù)

(2)炸藥材料模型

該項研究采用ANSYS/ LS-DYNA 提供的高性能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和描述爆生氣體壓力-體積關(guān)系的JWL狀態(tài)方程。并通過添加關(guān)鍵字*INITIAL_DETINATION定義炸藥的起爆時間與起爆點，炸藥材料參數(shù)見表2。

表2 炸藥材料和狀態(tài)方程參數(shù)

(3)空氣材料與填塞料模型

空氣采用常用的*MAT_NULL材料模型*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程建立。此外額外添加*HOURGLASS為ALE流體定義粘性沙漏，沙漏系數(shù)1e-6，與適合炸藥爆炸的ALE控制*CONTROL_ALE，填塞料選用*MAT_SOIL_AND_FOAM模型。

1.4 炮孔布置及參數(shù)設(shè)置

模擬露天臺階現(xiàn)場炮孔設(shè)計，為了分析孔數(shù)及孔間延期時間的影響，并為了減少建模時間，該項研究共設(shè)置了6個炮孔，如圖1所示，炮孔布置平面圖見圖2。后續(xù)數(shù)值模擬分析將在k文件中通過修改*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BU替換為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC將炮孔改為巖石，并添加用于控制起爆點及起爆時間的關(guān)鍵字*INITIAL_DETINATION模擬不同孔數(shù)及延期時間的爆破效果?？讖骄鶠?8 cm，采用粉狀銨油炸藥耦合裝藥方式，孔深均為17 m，孔間距為5 m，距臺階坡面為5 m。上部填塞為4 m，裝藥長為13 m，炮孔剖面見圖3所示。

圖1 炮孔布置圖 圖2 炮孔布置平面

圖3 炮孔剖面圖

2 數(shù)值模擬

首先在臺階間進(jìn)行單炮孔及不同孔數(shù)與延期時間的數(shù)值模擬，通過K文件添加關(guān)鍵字*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，在炮孔4添加炸藥，添加關(guān)鍵字*INITIAL_DETINATION，分別設(shè)置X、Y、Z的數(shù)值控制孔底起爆，設(shè)置LT值控制各炮孔的起爆時間。將其他炮孔添加*MAT_PLASTIC_KINEMATIC關(guān)鍵字替換為巖石，從而獲得不同孔數(shù)與延期時間的臺階模型，通過LS-PrePost后處理程序提取數(shù)值模擬的各個監(jiān)測點的振速波形圖，獲得單炮孔爆破的振速峰值及周期等數(shù)據(jù)。

2.1 單炮孔爆破數(shù)值模擬

將炮孔4設(shè)置為裝藥孔，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN關(guān)鍵字，令X=500、Y=1 040、Z=1 040設(shè)置孔底起爆，LT=0將起爆時間設(shè)置為0 μs，計算過程中模型豎直方向振速隨時間t變化形態(tài)如圖4所示。

4.2.3 男性包皮環(huán)切 男性包皮環(huán)切是當(dāng)前預(yù)防HIV感染另一種較為新型的干預(yù)手段，男性包皮環(huán)切可有效較少男性感染HIV的風(fēng)險。有研究結(jié)果表明，男性包皮環(huán)切可減少男性異性性行為中72%的HIV感染風(fēng)險［35］。WHO和美國均推薦將男性包皮環(huán)切作為預(yù)防HIV異性性傳播重要的干預(yù)策略之一，并發(fā)布了手術(shù)指南。我國“十二五”期間，也對該技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)展開評估。但受文化背景、宗教信仰等因素的影響，包皮環(huán)切的可接受性各地區(qū)有較大差異［36-37］。

圖4 豎直方向振速隨時間變化圖

由圖4可知：在炸藥起爆3.0 ms后臺階頂面首先產(chǎn)生振動，這是由于孔底起爆臺階頂面是距離炸藥最近的自由面，振動范圍逐漸沿著炮孔向外傳播。在炸藥起爆后4.2 ms后臺階頂面已產(chǎn)生振動并向外傳播了一段距離，且在頂面與坡面交界處產(chǎn)生反射波。在t=6.0 ms時振動波逐漸向臺階頂面遠(yuǎn)處傳播，反射波與振動波干擾加強，此時振動波主要集中于臺階頂前端。在t=12.0 ms時振動波已傳過臺階中部，前端振動逐漸減弱，反射波與振動波干擾進(jìn)一步加強，成為引起臺階振動的主要因素。在t=30.0 ms時，臺階頂面中后部開始出現(xiàn)振動峰值，臺階前端振動逐漸減弱。在t=60 ms時露天臺階模型基本已無振動效果。

為了對單臺階單炮孔爆破振動效果進(jìn)行科學(xué)全面地分析評價，通過LS-PrePost后處理程序分別提取距炮孔15 m處(242 768單元)、25 m處(252 235單元)、45 m處(242 818單元)、65 m處(242 851單元)、95 m處(242 900單元)各個監(jiān)測點豎直振速時間歷程曲線，各監(jiān)測點見圖5所示。

圖5 測點布置圖

各測點的峰值振動速度如圖6所示。

由模型豎直方向振速隨時間變化形態(tài)可得如表3所示測點數(shù)據(jù)。

表3 測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計

綜合分析圖4、圖6可得：

(1)針對數(shù)值模擬臺階模型及炮孔設(shè)計與裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，從各曲線的峰值振動速度圖可以看出各測點的初始振動時間、出現(xiàn)峰值振速的數(shù)值及時間、單炮孔條件下的振動周期等。

(2)初始振動波在臺階坡面處發(fā)生反射并與原振動波發(fā)生干涉，所產(chǎn)生的振動波甚至強于初始振動波，表明振動波之間的干涉效應(yīng)對爆破振動影響較大，且可合理利用振動波之間的干涉通過控制延期時間達(dá)到減小振動效果的目的。

2.2 雙炮孔同時起爆數(shù)值模擬

將炮孔4與孔5設(shè)置為裝藥孔，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN關(guān)鍵字，將孔4孔5的起爆時間設(shè)置為0 μs即雙孔同時起爆，計算過程中模型豎直方向振速隨時間變化形態(tài)如圖7所示。

圖7 豎直方向振速隨時間變化圖

通過圖7可知：在t=2.4 ms時振動波開始傳到臺階頂并逐漸向外傳播；在t=6.0 ms時已經(jīng)在臺階坡面處生成反射波并與初始振動波發(fā)生干涉；在t=12.0 ms時，干涉產(chǎn)生的振動波已經(jīng)成為臺階振動的主要因素；在t=24.0 ms爆破產(chǎn)生的主要振動已傳過臺階中部并于42.0 ms時傳播至距(5)號炮孔90 m處；當(dāng)t=60.0 ms時臺階雖有剩余振動但已基本無影響。

各測點的振速峰值如圖8所示，測點位置同上。

由模型豎直方向振速隨時間變化形態(tài)可得如表4所示測點數(shù)據(jù)。

表4 測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3 雙炮孔延期12 ms爆破數(shù)值模擬

由于振動波在巖石中的傳播速度極快且孔距僅為5 m，故忽略孔距對試驗的影響。通過單炮孔數(shù)值模擬得到此種爆破設(shè)計方案條件下的振動周期為24 ms，且炮孔間振動波的干涉效應(yīng)會對炮孔振動產(chǎn)生影響，所以雙炮孔數(shù)值模采用孔間延時半波長即延時12 ms起爆，隨后與雙炮孔同時起爆的方法進(jìn)行對比分析查看爆破效果。

將炮孔4與孔5設(shè)置為裝藥孔，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN關(guān)鍵字，將炮孔4與炮孔5的起爆時間分別設(shè)置為0 μs與12 000 μs即延時12 ms起爆，豎直方向振速隨時間變化形態(tài)如圖9所示。

圖9 豎直方向振速隨時間變化

通過模型豎直方向振速隨時間變化圖9可知：在炮孔4起爆后3.0 ms時臺階頂面首先產(chǎn)生振動；在4.2 ms時炮孔5爆破產(chǎn)生的振動已經(jīng)傳遞到臺階頂面；在t=12.0 ms時炮孔4與炮孔5相互干涉形成的振動波已傳播到距臺階坡面20 m處。

各測點的地震波振速如圖10所示，測點位置與單炮孔起爆模型一致。

由模型豎直方向振速隨時間變化形態(tài)可得如表5所示測點數(shù)據(jù)。

3 模擬結(jié)果對比與分析

不同延期時間的振速峰值隨測點距離的變化如圖12所示。

表5 測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖11 不同延期時間峰值振速變化曲線

由圖11可知，雙炮孔同時起爆與延時起爆的振速峰值均呈逐漸衰減的趨勢，且距離炮孔越近衰減速率越快，而添加了半波長延期時間所產(chǎn)生的地震波振速峰值低于同時起爆，其中測點A、C、D、E的減振效果較為明顯。測點B未產(chǎn)生較好的減振效果，是因為臺階坡面產(chǎn)生的反射波在此處與雙炮孔產(chǎn)生的振動波發(fā)生干涉降低了減振效果，但總體上減振效果較好，相對于同時起爆，延時半波長起爆平均降振15%。

4 現(xiàn)場試驗

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，進(jìn)行試驗并監(jiān)測。采用成都中科測控有限公司研制的TC-4850爆破測振儀。炮孔布置與數(shù)值模擬設(shè)置相同：雙炮孔孔距5 m、孔徑280 mm、孔深17 m。使用粉狀銨油炸藥，裝藥13 m上部4 m填塞。由于延期時間1.2 ms過小，所以采用在10個完整周期的前提下額外加上半個波長的方法即延期時間25.2 ms，爆破振動監(jiān)測現(xiàn)場如圖12所示。采集到的豎直方向上的峰值振速如表6所示。

圖12 爆破振動監(jiān)測現(xiàn)場圖

表6 現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬峰值振速對照表

表6中布點方式參照數(shù)值模擬方案，在距離炮孔15 m、25 m、45 m、65 m、95 m處放置爆破測振儀，由于數(shù)值模擬忽略了現(xiàn)場地質(zhì)的復(fù)雜性，故允許出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的誤差。通過對比分析可以得出，數(shù)值模擬測點振速峰值與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)誤差為1.32%，具有很好的一致性。

5 結(jié)論

(1)單臺階雙炮孔延時爆破能夠有效降低15%的爆破振動，且數(shù)值模擬測點峰值振速與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)僅為1.31%，具有一致性，模擬結(jié)果可以為現(xiàn)場露天深孔微差爆破設(shè)計提供參考。

(2)在露天臺階爆破中炮孔距臺階坡面的距離也會對爆破振動產(chǎn)生影響，爆破產(chǎn)生的振動波在臺階坡面處會形成反射波，反射波與初始振動波在礦體內(nèi)會發(fā)生干涉效應(yīng)，所以合理控制炮孔與臺階的距離是降低爆破振動的有效方法，對爆破設(shè)計優(yōu)化具有重要研究意義。