保護(hù)層開(kāi)采爆破技術(shù)數(shù)值模擬研究與應(yīng)用?

張紫晗 胡光球 鄭建禮 余 暉 李慶松 張兆陽(yáng) 汪嘯林

廣東錫源爆破科技股份有限公司(廣東惠州，516007)

引言

保護(hù)層開(kāi)采爆破技術(shù)的研究得益于光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)的發(fā)展與成熟。20世紀(jì)70年代初，隨著邊坡光面爆破、預(yù)裂爆破技術(shù)在葛洲壩工程的成功運(yùn)用[1]，研究人員開(kāi)始改進(jìn)人工撬挖保護(hù)層的開(kāi)采方式，把預(yù)裂爆破、光面爆破技術(shù)也應(yīng)用到保護(hù)層開(kāi)采爆破中。隨著研究的深入，保護(hù)層爆破垂直孔底部充填柔性墊層方法和水平光面(預(yù)裂)法逐漸成熟。復(fù)合墊層、聚能爆破理論等相繼運(yùn)用到保護(hù)層開(kāi)采爆破中。吳新霞等[2]提出在保護(hù)層爆破中采用大孔徑復(fù)合墊層的爆破方法，將向上反射爆炸能量的剛性罩和柔性墊層相結(jié)合，減小爆破對(duì)孔底的影響。黃霖[3]在保護(hù)層爆破中采用無(wú)墊層、柔性墊層、新型復(fù)合墊層3種保護(hù)層，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了應(yīng)力波的發(fā)展、傳播、衰減規(guī)律。黃慶明[4]研究了聚能水平預(yù)裂爆破技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，但對(duì)于聚能管的選材和聚能管本身的聚能效應(yīng)未做深入分析。胡浩然等[5]提出用于垂直炮孔的聚能、消能復(fù)合墊層結(jié)構(gòu)，研制了聚能、消能結(jié)構(gòu)的高波阻抗混凝土材料，并通過(guò)數(shù)值模擬分析后成功用于工程實(shí)踐，加快了施工效率，拓展了研究方向。

目前，因施工速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，垂直孔底部填充柔性墊層的保護(hù)層開(kāi)采爆破法被工程人員廣泛運(yùn)用。在工程實(shí)踐中，為兼顧施工效果、效率和成本，通常會(huì)盡量增加保護(hù)層開(kāi)采爆破高度。然而，現(xiàn)階段專(zhuān)門(mén)對(duì)保護(hù)層開(kāi)采爆破合理高度的研究較少。為探索保護(hù)層開(kāi)采爆破的合理高度，在分析爆炸應(yīng)力波特點(diǎn)、作用范圍和反射、透射原理后，選取泡沫混凝土加松砂作為復(fù)合墊層材料，以削弱爆破對(duì)孔底建基面的損傷；運(yùn)用LS-DYNA軟件對(duì)不同高度的保護(hù)層開(kāi)采爆破方法進(jìn)行數(shù)值模擬，確定保護(hù)層爆破的合理高度。研究結(jié)果在廣東太平嶺核電站的建設(shè)中進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，取得了良好的爆破效果。

1 墊層材料的選取

1.1 保護(hù)層爆破墊層材料的作用

保護(hù)層開(kāi)采爆破技術(shù)中，常用的墊層有柔性墊層、消能與聚能復(fù)合墊層等。

柔性墊層是在炮孔底部填充空氣、泡沫、竹片、松砂等柔性材料。一方面，通過(guò)材料的緩沖吸能作用，降低孔底的爆炸峰值壓力，達(dá)到保護(hù)基巖的目的；另一方面，由于柔性材料的波阻抗小于巖石，當(dāng)爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在柔性墊層和巖石之間傳播時(shí)，因兩者的波阻抗差異較大，應(yīng)力波在兩者接觸面發(fā)生強(qiáng)烈的反射和一定程度的透射，大部分應(yīng)力波發(fā)生反射，小部分應(yīng)力波發(fā)生透射進(jìn)入巖石，孔底基巖得到保護(hù)。

聚能、消能復(fù)合墊層爆破技術(shù)是一種在炮孔底部填充高波阻抗墊塊加柔性緩沖層的爆破技術(shù)。原理是利用特定形狀的高波阻抗墊塊聚能和消能，減弱垂直方向的應(yīng)力波，增強(qiáng)水平方向的應(yīng)力波，從而減弱傳入底部建基面的應(yīng)力波，保護(hù)建基面巖體；利用應(yīng)力波在波阻抗相差大的介質(zhì)界面之間的反射作用，在空氣-高波阻抗墊塊-柔性墊層3種介質(zhì)界面之間形成強(qiáng)烈反射，減弱透射進(jìn)入建基面巖體的應(yīng)力波；同時(shí)，利用柔性緩沖墊層的吸能作用消耗應(yīng)力波的能量，以保護(hù)建基面巖體。

墊層材料在保護(hù)層爆破中的作用通?？梢苑譃閮煞N，即波阻抗差異大的不同墊層材料界面對(duì)應(yīng)力波的反射和柔性材料的吸能作用。

1.2 墊層材料的選擇

墊層材料的選擇和布置應(yīng)當(dāng)充分考慮爆炸應(yīng)力波的傳播和衰減情況。爆炸應(yīng)力波的傳播可分為3個(gè)作用區(qū)域[6]，即沖擊波作用區(qū)、壓縮波作用區(qū)和地震波作用區(qū)，如圖1所示。沖擊波作用區(qū)在距離爆源3～7倍藥包半徑距離內(nèi)，沖擊波強(qiáng)度極大，破壞能量巨大，衰減快，峰值壓力大大超過(guò)巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，使巖石粉碎。沖擊波衰減后，成為不具陡峻波峰的壓縮波，壓縮波作用區(qū)范圍可達(dá)120～150倍藥包半徑，波陣面趨于平緩，波速接近于聲速。壓縮波作用下的巖體趨于非彈性狀態(tài)，出現(xiàn)殘余變形。

圖1 爆炸應(yīng)力波及其作用范圍Fig.1 Explosive stress wave and its action range

墊層材料的布置應(yīng)最大限度地降低沖擊波和應(yīng)力波對(duì)建基面的破壞。根據(jù)波的反射與透射公式，假設(shè)應(yīng)力波從介質(zhì)I進(jìn)入到介質(zhì)II中，其反射系數(shù)R和透射系數(shù)T分別為:

式中:ρ為介質(zhì)材料的密度；cp為介質(zhì)材料的縱波速度。

由式(1)、式(2)可知，材料的波阻抗ρcp決定了反射系數(shù)R和透射系數(shù)T的大小。材料吸能作用的大小不僅取決于均勻材料本身的彈性模量、泊松比等，還取決于材料的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)。因此，材料的吸能作用極其復(fù)雜，很難定量分析。

基于以上研究，確保爆炸沖擊波不會(huì)作用在建基面上時(shí)，墊層材料厚度應(yīng)大于7倍的藥包半徑。根據(jù)波的反射與透射公式，為最大限度地減弱進(jìn)入建基面的應(yīng)力波，上部選取波阻抗大且吸能作用較好的泡沫混凝土圓柱體，在7倍藥包半徑以外的區(qū)域選擇波阻抗小的松砂作為柔性材料。

2 保護(hù)層開(kāi)采爆破的合理高度

保護(hù)層開(kāi)采爆破的合理高度與施工效率、工程成本和爆破效果密切相關(guān)。在保證爆破效果的前提下，盡量地提高爆破高度，能夠加快施工進(jìn)度，降低施工成本?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7]中保護(hù)層厚度的確定方式是取臺(tái)階爆破藥卷直徑的25～40倍，見(jiàn)表1。保護(hù)層開(kāi)采爆破法在國(guó)內(nèi)大多數(shù)水利水電項(xiàng)目運(yùn)用，部分工程保護(hù)層爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 保護(hù)層開(kāi)采爆破高度取值規(guī)定Tab.1 Regulations of blasting height of protective layer

表2 部分工程保護(hù)層開(kāi)采爆破參數(shù) [8-11]Tab.2 Blasting parameters of protective layer excavation in some projects

雖然經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，保護(hù)層開(kāi)采爆破法依舊采用短分層、弱爆破的方式進(jìn)行，在孔底設(shè)置柔性墊層來(lái)減弱爆破對(duì)建基面的損傷。由于建基面驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，大部分工程保護(hù)層開(kāi)采爆破的高度都控制在3 m以下。部分工程預(yù)留保護(hù)層超過(guò)5 m，但仍采用分層爆破并輔助用機(jī)械方法找平。

3 模型參數(shù)與數(shù)值模擬分析

3.1 模型的基本尺寸

運(yùn)用LS-DYNA建模并進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分別建立高度為4、5 m的保護(hù)層爆破單孔模型，單孔模型的炮孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。模型中，炮孔底部的建基面設(shè)置為3 m。

表3 單孔模型炮孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Structural parameters of single-hole model

3.2 模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

為了更好地模擬泡沫混凝土在爆炸載荷下的動(dòng)力響應(yīng)和建基面巖體損傷情況，選擇JHC方程構(gòu)建損傷模型。炸藥單元采用流固耦合算法模擬炸藥材料在巖石等材料中的流動(dòng)，用以計(jì)算爆轟過(guò)程中的大變形問(wèn)題。使用Euler方程對(duì)炸藥、泡沫混凝土、砂等進(jìn)行多物質(zhì)流固耦合。

砂選取SAFF材料單元[11]。根據(jù)壓力與體積應(yīng)變曲線(xiàn)，其塑性屈服極限函數(shù)φ為:

式中:J2為應(yīng)力第二不變量；p為壓力；a0、a1、a2為常數(shù)；S1、S2、S3為偏力張量的分量。

砂材料[11]物理力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表4 砂的主要物理力學(xué)性能Tab.4 Main physical mechanics properties of sand

泡沫混凝土選用CF材料單元[12]。根據(jù)屈服應(yīng)力與體積變化曲線(xiàn)，假定彈性模量為常數(shù)且修正的應(yīng)力假定為彈性特性，則試驗(yàn)應(yīng)力為:

式中:E為彈性模量。

檢查試驗(yàn)應(yīng)力主值σij是否超過(guò)屈服應(yīng)力σy，如果超過(guò)，則σij按比例回到屈服面

泡沫混凝土[13]物理力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表5 泡沫混凝土的物理力學(xué)性能Tab.5 Physical mechanics properties of foamed concrete

炸藥選取Mat_High_Explosive_Burn材料[14]。使用JWL狀態(tài)方程來(lái)模擬爆炸過(guò)程中的壓力與體積的關(guān)系，JWL狀態(tài)方程表達(dá)式為

式中:p為Chapman-Jouguet爆轟壓力；V為相對(duì)體積；E0為初始能量密度；A、B、R1、R2和ω為描述JWL方程的獨(dú)立常數(shù)。

炸藥的性能和JWL狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表6[14]。巖石的性能參數(shù)見(jiàn)表7?？諝獠捎肁NSYS軟件內(nèi)置*MAT_009空材料模型，并結(jié)合狀態(tài)方程(7)控制空氣在炮孔中的作用。

表6 炸藥的性能及JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.6 Parameters of performances and JWL state equation of explosives

表7 巖石的性能參數(shù)Tab.7 Performance parameters of rock

式中:C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4；μ=ρ/ρ0，其中，ρ為初始材料密度，ρ0為當(dāng)前材料密度；e為質(zhì)量熱力學(xué)能。

3.3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，建立三維單孔模型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。表7為巖石的性能參數(shù)，炮孔內(nèi)部根據(jù)填充的材料不同分別采用相應(yīng)的材料參數(shù)。為監(jiān)測(cè)不同高度保護(hù)層爆破對(duì)底部建基面的影響，在距離炮孔底部的基巖2.50、3.75、5.00 cm和6.25 cm處分別設(shè)置4個(gè)損傷測(cè)點(diǎn)A、B、C、D，見(jiàn)圖3。通過(guò)測(cè)點(diǎn)的損傷因子大小判斷建基面巖體的損傷程度。

圖2 構(gòu)建的三維單孔模型Fig.2 Constructed 3D single-hole model

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of monitoring points

根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究，損傷因子D和表征建基面巖體損傷的巖體縱波速度的降低率η的關(guān)系為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SL47—1994[7]的要求，η為10%～15%時(shí)，巖體輕微影響，建基面可認(rèn)為是不受損的；當(dāng)η＞10%時(shí)，爆破使建基面巖體受損明顯。以此標(biāo)準(zhǔn)判斷巖體受損程度。經(jīng)式(8)計(jì)算，D的閾值約為20%。

經(jīng)模擬，5 m的保護(hù)層開(kāi)采爆破高度、25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂模型(模型I)的損傷情況見(jiàn)圖4；4 m的保護(hù)層開(kāi)采爆破高度、25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂的復(fù)合墊層模型(模型II)的損傷情況見(jiàn)圖5，4 m的保護(hù)層開(kāi)采爆破高度、35 cm泡沫混凝土加10 cm松砂的復(fù)合墊層模型(模型III)的損傷情況見(jiàn)圖6。爆破完成后，炮孔徑向一定范圍內(nèi)形成柱狀損傷區(qū)，炮孔裝藥段端口附近呈漏斗狀分布。這是由于巖石的夾制作用，水平向損傷范圍隨著孔深的增加而變小。對(duì)比模型I和模型II的炮孔底部損傷情況發(fā)現(xiàn)，兩種模型在炮孔底部的損傷范圍分布大致相同。根據(jù)復(fù)合墊層附近的損傷分布局部放大圖可以發(fā)現(xiàn)，由于底部復(fù)合墊層的存在，爆破損傷整體分布在保護(hù)層內(nèi)，僅炮孔底部的部分損傷侵入建基面基巖中，其分布順著炮孔底部的墊層邊緣呈錐狀。

圖4 模型I損傷情況Fig.4 Damage of Model I

圖5 模型II損傷情況Fig.5 Damage of of Model II

圖6 模型III損傷情況Fig.6 Damage of of Model III

為進(jìn)一步分析底部建基面的損傷情況，對(duì)3種不同模型的測(cè)點(diǎn)A、B、C、D進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到損傷因子曲線(xiàn)，分別如圖7～圖9所示。3種模型的減損效果對(duì)比如表8所示。

表8 建基面巖體損傷效果對(duì)比Tab.8 Comparison of damage results of rock mass on foundation surface

圖7 模型I各測(cè)點(diǎn)的損傷因子曲線(xiàn)Fig.7 Damage factor curves of monitoring points in Model I

圖9 模型III各測(cè)點(diǎn)的損傷因子曲線(xiàn)Fig.9 Damage factor curves of monitoring points in Model III

模型I:距離炮孔底部2.50、3.75 cm和5.00 cm的建基面完全破壞，其損傷因子達(dá)到100%，在D點(diǎn)的損傷因子達(dá)到72%左右，損傷超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。爆炸對(duì)底部建基面的損傷大于6.00 cm。

模型II:測(cè)點(diǎn)A、B、C、D的損傷因子分別為100%、100%、82%、25%。表明模型II下，保護(hù)層爆破對(duì)建基面的損傷深度達(dá)到6.25 cm。

模型III:測(cè)點(diǎn)A、B、C、D的損傷因子分別為100%、100%、65%、11%。表明模型III的情況下，保護(hù)層爆破對(duì)建基面的損傷深度小于6.25 cm。

三者對(duì)比表明，隨著保護(hù)層開(kāi)采爆破高度的降低，建基面巖體的損傷深度減??；隨著復(fù)合墊層高度的增加，建基面巖體的損傷深度隨之減小。降低保護(hù)層開(kāi)采爆破高度和增加復(fù)合墊層厚度均可以減少

圖8 模型II各測(cè)點(diǎn)的損傷因子曲線(xiàn)Fig.8 Damage factor curves of monitoring points in Model II

對(duì)建基面巖石的損傷，相比較而言，降低保護(hù)層開(kāi)采爆破高度的作用更加明顯。

上述模擬結(jié)果表明，保護(hù)層開(kāi)采爆破高度為4 m，建基面的損傷范圍控制在6.25 cm內(nèi)。在實(shí)際工程中，可將保護(hù)層開(kāi)采爆破高度提升至4 m，并合理地設(shè)置泡沫混凝土加松砂復(fù)合墊層高度。

4 工程應(yīng)用

模擬結(jié)果依托廣東中廣核太平嶺核電站一期工程負(fù)挖工程開(kāi)展工程應(yīng)用。炮孔孔徑76 mm，炸藥采用2＃巖石乳化炸藥，直徑60 mm，保護(hù)層開(kāi)采爆破高度為3.5～4.5 m。為確保底部基巖不受損傷，建基面以上5 cm不鉆孔?？咨钤O(shè)計(jì)為3.45～4.45 m，孔排×排距為1.5 m×1.0 m。填塞段1.0 m，前3排炮孔底部填充25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂作為復(fù)合墊層(區(qū)域I)；后3排炮孔底部填充35 cm泡沫混凝土加10 cm松砂作為復(fù)合墊層(區(qū)域II)作為對(duì)比。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格控制鉆孔深度和炮孔底部松砂的填充高度，原則上各炮孔底部位于同一高程。爆破網(wǎng)路和試驗(yàn)區(qū)域布置如圖10所示。

圖10 爆破網(wǎng)路和試驗(yàn)區(qū)域布置圖Fig.10 Layout of blasting network and experimental area

清渣結(jié)束后，用高壓風(fēng)機(jī)清理碎石，露出完整的爆后控制基面。在試驗(yàn)區(qū)域沿著每排炮孔設(shè)置1條測(cè)量控制線(xiàn)，共6條；每隔1.5 m設(shè)一測(cè)點(diǎn)，使測(cè)點(diǎn)盡量位于原炮孔中心點(diǎn)，共布置45個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量爆后控制基面的高程。以建基面的高程為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)超挖與欠挖，結(jié)果見(jiàn)表9。

從表9可知，采用35 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層的保護(hù)層爆破，超挖控制在11 cm內(nèi)，平均超挖3 cm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；欠挖最大達(dá)到57 cm，平均35 cm，欠挖偏高。而采用25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層的保護(hù)層爆破，平均超挖控制在20 cm內(nèi)，平均欠挖控制在30 cm內(nèi)。

表9 爆后超挖與欠挖統(tǒng)計(jì)Tab.9 Statistics of overbreak and underbreak after blasting cm

通過(guò)分析可知，為確保建基面的損傷深度得到控制，保護(hù)層開(kāi)采爆破采用的復(fù)合墊層材料中，泡沫混凝土高度較大，在確保建基面損傷深度得到控制的同時(shí)，不可避免地導(dǎo)致欠挖較大。對(duì)比兩種墊層結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，采用25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層，保護(hù)層爆破的超挖整體控制在20 cm左右，符合規(guī)范要求，欠挖相對(duì)較少；而采用35 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層，欠挖偏高，后續(xù)處理欠挖部分時(shí)成本更高。因此，保護(hù)層開(kāi)采爆破高度4 m時(shí)，采用25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層更為合理。

爆后對(duì)欠挖部分采用液壓錘進(jìn)行破碎，輔以人工清掃措施，使欠挖控制在10 cm內(nèi)。對(duì)建基面巖石損傷進(jìn)行超聲波檢測(cè)并分析可知，建基面質(zhì)量符合規(guī)范的要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1)參照爆炸應(yīng)力波的特點(diǎn)和作用范圍，設(shè)置的墊層高度宜超過(guò)7倍藥包半徑，以保護(hù)建基面巖體；根據(jù)波的反射與透射原理，為最大限度地減弱進(jìn)入建基面的應(yīng)力波，可選取波阻抗大且吸能作用較好的泡沫混凝土圓柱體和柔性材料松砂，組成復(fù)合墊層。

2)運(yùn)用LS-DYNA構(gòu)建3種模型，進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，監(jiān)測(cè)建基面巖體的損傷情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低保護(hù)層開(kāi)采爆破高度能夠有效地保護(hù)基巖，采用25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層時(shí)，保護(hù)層開(kāi)采爆破高度宜為4 m。

3)模擬研究的結(jié)果在廣東中廣核太平嶺核電站一期場(chǎng)平工程負(fù)挖工程中得到運(yùn)用。保護(hù)層開(kāi)采爆破高度4 m時(shí)，采用25 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層比采用35 cm泡沫混凝土加10 cm松砂復(fù)合墊層產(chǎn)生的欠挖更少，爆破效果更好，爆破設(shè)計(jì)更為合理。

數(shù)值模擬中，巖體是各向同性的均質(zhì)巖體，無(wú)法完全模擬實(shí)際巖體的節(jié)理等結(jié)構(gòu)；此外，群孔爆破的數(shù)值模擬研究也有待開(kāi)展。