不同位置減震溝對(duì)爆破效果影響數(shù)值模擬研究

張?jiān)?， 向 彬

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.湖北宜化集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443100)

隨著爆破技術(shù)的普遍應(yīng)用，爆破振動(dòng)成了不能忽視且亟待解決的問題。減震溝由于操作簡單，降振效果較好，在爆破施工過程中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]通過減震溝的最佳深度、最佳寬度、最佳長度和最佳位置進(jìn)行分析，得出各影響因素對(duì)減震效果的影響權(quán)重關(guān)系；文獻(xiàn)[2]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件LS-DYNA，研究不同高程條件下減震溝的減震效果，得出高程對(duì)爆破效果有一定的影響，正高差對(duì)減震效果更為明顯的結(jié)論；文獻(xiàn)[3]為了研究減震溝的減震效果，運(yùn)用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，對(duì)有無減震溝的工程進(jìn)行對(duì)比分析，得出減震溝的最高減震可以達(dá)到70%，從理論上闡述了減震溝的降振作用。相關(guān)學(xué)者對(duì)減震溝的減震作用進(jìn)行了大量的研究，本文基于以前學(xué)者的研究基礎(chǔ)，運(yùn)用大型動(dòng)力分析軟件LS-DYNA結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)減震溝與爆源的位置對(duì)爆破效果的影響進(jìn)行分析，以期擴(kuò)充減震溝對(duì)爆破效果影響的理論。

1 模型的建立

1.1 炸藥材料參數(shù)及控制方程

高能炸藥模型MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN能較好地反應(yīng)爆破過程。JWL是專為描述炸藥等含能材料爆炸時(shí)的壓力特性而設(shè)定的一種狀態(tài)方程[4-6]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：V為體積變化；P為壓力，Pa；R1、R2、ω、B和A是材料常數(shù)；E0為初始比內(nèi)能。

為了能更好地模擬實(shí)際工況，數(shù)值模擬中選用密度950 kg/m3和爆轟速度3 600 m/s的2號(hào)巖石乳化炸藥進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2 空氣控制方程以及參數(shù)選取

LS-DYNA軟件中的MAT＿NULL材料以及線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程能較好地反映空氣的氣體動(dòng)力學(xué)屬性，方程形式為：

P=C1+C2η+C3η2+(C4+C5η+C6η2)E

(2)

η=1/V-1

式中：P是壓力，Pa；C1～C6為常數(shù)；V是初始相對(duì)體積；E為內(nèi)能與初始體積之比；η為比體積。

空氣的參數(shù)如表1所示。

表1 空氣參數(shù)選取

1.3 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

根據(jù)具體土石方平整場地爆破工況模型，分別建立減震溝距離爆源15 m、25 m和無減震溝模型。以無減震溝模型為基準(zhǔn)模型，建立3種工況數(shù)值模擬模型，其中爆破參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場中深孔爆破工況進(jìn)行選取，主爆孔直徑90 mm，炮孔深度10.5 m，堵塞長度3 m，其中超深0.5 m，最小抵抗線3 m，裝藥方式均采用耦合裝藥方式，起爆方式采用底部起爆，建模采用的單位均為m-s-kg，在兩種工況中減震溝寬2 m、深3 m，計(jì)算時(shí)間為0.05 s。為了降低數(shù)值模擬中炸藥產(chǎn)生的爆轟波在基巖中的傳播，因此模型的底部建立0.5 m的巖石，側(cè)面和底部均設(shè)置為無反射邊界，兩種工況數(shù)值模擬剖面如圖1和圖2所示，巖石力學(xué)參數(shù)參照相關(guān)文獻(xiàn)選取，見表2。

圖1 無減震溝模型截面圖(m)

圖2 有減震溝模型截面圖(m)

表2 數(shù)值計(jì)算中采用的巖石力學(xué)參數(shù)

2 模擬計(jì)算與結(jié)果分析

利用LS-DYNA中的爆轟過程模擬功能，直接輸入炸藥參數(shù)，通過炮孔內(nèi)爆轟模擬和爆轟產(chǎn)物與孔壁的相互作用來確定爆炸荷載[6-7]。選取模型中心線距離爆源15 m和25 m的節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，見圖3。分析兩種不同工況的選取節(jié)點(diǎn)的峰值振速，爆破振動(dòng)峰值振速典型歷程曲線如圖4所示。沿著模型中心線從減震溝右邊緣起依次以10 m為步距選取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，提取5個(gè)節(jié)點(diǎn)垂直向、水平徑向和水平切向峰值振速，如表3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)選取示意

圖4 峰值振速典型歷程曲線圖

由表3的節(jié)點(diǎn)速度可以直觀地看出，減震溝有顯著的降振作用。3種工況中，距離爆源15 m的工況和距離爆源25 m工況的減震溝對(duì)爆破效果均有較好的減震效果。節(jié)點(diǎn)D1處因距離爆源較近，峰值振速較大，其余各點(diǎn)峰值振速隨著距離爆源距離的增加而衰減，符合爆破振動(dòng)衰減的規(guī)律。減震溝距離爆源25 m工況的爆破振動(dòng)峰值振速小于距離爆源15 m工況。減震溝增加了體波和面波的傳播距離，不同位置減震溝對(duì)爆破峰值振速有較大影響，因此現(xiàn)場減震溝的開挖位置應(yīng)結(jié)合具體的工況、距離被保護(hù)物的距離進(jìn)行設(shè)置。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同位置減震溝對(duì)爆破效果影響分析，選擇貴州遵義某土石方項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。由于施工現(xiàn)場臨近民房，民房大多為磚混結(jié)構(gòu)，需要嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)。結(jié)合工程實(shí)際工況，在優(yōu)化爆破參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)置減震溝，以達(dá)到更優(yōu)的減震效果，降低爆破危害。爆破施工中采用 90 mm 孔徑，孔深 11 m，孔距和排距均為 4 m，其中超深1 m，起爆方式為孔底起爆?，F(xiàn)場測振監(jiān)測實(shí)驗(yàn)使用成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司生產(chǎn)的EXP4850爆破振動(dòng)儀及配套的速度傳感器，分別選擇在巖石類型相同的兩次爆破施工中進(jìn)行。減震溝寬2.5 m、深3.5 m，一條減震溝距離爆源30 m，一條距離爆源40 m，減震溝由機(jī)械設(shè)備完成。選取相同爆源區(qū)域、相同爆心距民房基礎(chǔ)處作為監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測對(duì)比實(shí)驗(yàn)，各測點(diǎn)峰值振速對(duì)比如表4所示。

表3 兩種工況峰值振速對(duì)比

表4 兩種不同工況現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)峰值振速對(duì)比

由于保護(hù)對(duì)象為磚混結(jié)構(gòu)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》( GB6722 -2003) ，為保證被保護(hù)磚混民用建構(gòu)筑物的絕對(duì)安全，爆破振動(dòng)的最大峰值振動(dòng)速度不應(yīng)大于 1.0 cm/s。由表3 可知，爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均未超過規(guī)定值，因此被保護(hù)建筑物是安全的。但是由于此土石方工程工期較長，爆破存在累積效應(yīng)，因此，爆破振動(dòng)的作用越小越好。由表3數(shù)據(jù)分析可知，減震溝設(shè)置離爆源較近的，爆破振動(dòng)峰值小，因?yàn)楸颇芰康乃p絕大部分在爆破近區(qū)完成，減震溝離爆源越近，爆破減震效果越好。因此減震溝的設(shè)置應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況以距離爆源較近為宜，補(bǔ)充驗(yàn)證了數(shù)值模擬部分結(jié)論。

4 結(jié) 語

本文從峰值振速的衰減角度對(duì)不同位置減震溝的減震效應(yīng)進(jìn)行了分析并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行論證，得出以下結(jié)論：

1) 減震溝對(duì)爆破能起到很好的降振作用；

2) 對(duì)減震溝距離爆源不同位置兩種工況的減震效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬的方法能很好地彌補(bǔ)減震溝距離爆源太近儀器不能監(jiān)測的缺點(diǎn)，更好地再現(xiàn)減震溝的減震效果。減震溝的減震效果和距離爆源的位置有關(guān)系?，F(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到相同的減震規(guī)律，對(duì)在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的減震溝位置提供了理論基礎(chǔ)；

3) 數(shù)值模擬過程中由于劃分網(wǎng)格的多少和方法不同導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不同，但是對(duì)其規(guī)律性無影響。

隨著減震溝在實(shí)際工況中的應(yīng)用越來越多，減震溝減震效果理論亟待進(jìn)一步擴(kuò)充。減震溝的寬度、深度以及減震溝中填充物不同等對(duì)爆破效果的影響將是下一步研究的內(nèi)容。