異形炮孔聚能定向爆破破巖數(shù)值分析與成孔技術(shù)

針對傳統(tǒng)光爆技術(shù)中超挖嚴重的問題，文章提出了異形炮孔聚能定向爆破技術(shù)?；诶碚摵蛿?shù)值分析軟件LS-DYNA分析了異形孔爆破原理，利用切槽口聚能導(dǎo)向作用使周邊眼間形成連線，成孔過程中實現(xiàn)了鉆孔和切槽一體化。研究結(jié)果表明：該技術(shù)可增加周邊眼間距，降低周邊眼數(shù)量，提升鉆爆效率和光爆效果，改善超挖問題。

異形孔；定向爆破；數(shù)值分析；鉆孔切槽

U455.6A501593

0 引言

隧道光面爆破是隧道開挖掘進的重要技術(shù)之一，其技術(shù)水平?jīng)Q定了爆破后是否超欠挖，隧道開挖輪廓線是否符合設(shè)計要求，以及能否控制噴射混凝土的消耗量。在混凝土成本顯著增大的趨勢下，提高光面爆破效果，降低混凝土噴射量是控制建造成本的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的光面爆破孔均為圓形，炸藥起爆后能量的傳遞使周圍巖體發(fā)生破壞，在炮孔周邊發(fā)生爆破破壞的概率是相近的，這也導(dǎo)致了不該發(fā)生破壞的圍巖發(fā)生破壞，而該發(fā)生破壞的圍巖沒有發(fā)生理想的破壞，直接影響是對圍巖的擾動大，超挖嚴重。而目前研究的異形炮孔聚能爆破技術(shù)能夠克服上述問題，提高光面爆破效果。在炮孔爆炸過程中，異形孔的切槽部位可實現(xiàn)應(yīng)力集中，爆破的能量釋放盡可能沿著指定方向傳播，因此可以控制爆破開挖的輪廓線。

對于切槽爆破，在國內(nèi)諸多學(xué)者基于斷裂力學(xué)理論、數(shù)值模擬為手段，對切槽孔和圓形孔進行了對比分析。李清等［1］以ABAQUS軟件中XFEM分析法，模擬切槽爆破中不同方向裂紋擴展，發(fā)現(xiàn)切槽方向處的爆生裂紋延伸速度顯著快于其他方向，其長度是其他方向的3倍；楊仁樹等［2］利用數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)切槽方向裂紋擴展速度同樣比非切槽方向早10 μs。切槽裂紋的發(fā)展變化離不開力的變化，于是大量的國內(nèi)學(xué)者對切槽孔產(chǎn)生的裂紋與切槽孔產(chǎn)生的應(yīng)力之間的關(guān)系進行了研究。學(xué)者們基于斷裂力學(xué)理論，提出了爆破中滿足斷裂控制的基本標準及巖石斷裂控制方式，驗證了切槽爆破的裂紋擴展符合斷裂控制的基本原則，同時發(fā)現(xiàn)裂紋長度越長，其應(yīng)力強度因子值越大［3-4］。然而，盡管試驗和理論有了一定的發(fā)展，但切槽工序復(fù)雜，鉆孔效率低，因此隧道鉆爆法施工中應(yīng)用較少，亟須新的技術(shù)和理論。

1 異形炮孔聚能定向破巖機理

爆破是一個瞬間過程，極大的能量從單一或多種的傳遞形式作用在周圍巖體上，在此過程中常伴隨著力學(xué)效應(yīng)。爆破作用在巖體上的主要兩種形式為：爆轟沖擊波和爆轟壓力。異形炮孔的裂紋的發(fā)展主要受兩方面影響：

（1）沖擊波在傳遞過程中由于異形光爆孔的導(dǎo)向作用將尖端處的應(yīng)力波進行了疊加，如圖1所示［5］。1#波與2#波的波速大小相同，兩波的交界處出現(xiàn)在異形光爆孔尖端前方。因此，當爆炸產(chǎn)生的沖擊波從異形光爆孔傳播到巖石中，異形光爆孔尖端巖石主要受應(yīng)力波的影響，1#、2#應(yīng)力波在X方向為同向疊加，在Y方向上為反向疊加，等同于在Y方向作用力為拉力，所以在異形光爆孔尖端前方出現(xiàn)一個疊加拉伸區(qū)。當該處的動態(tài)抗拉強度小于應(yīng)力波的應(yīng)力時，巖石從Y方向拉伸破壞，導(dǎo)致裂紋從異形光爆孔尖端前方起裂。

（2）爆炸后的沖擊波接觸到巖石后轉(zhuǎn)為應(yīng)力波，隨著應(yīng)力波的傳播，應(yīng)力波的大小隨時間和距離在逐漸減弱，當其未達到巖石的動態(tài)抗拉強度時，裂紋的延伸就將中止，從而出現(xiàn)一段直接斷裂區(qū)。隨著應(yīng)力波的繼續(xù)傳播，雖然無法造成巖石的直接斷裂，但其大小卻能對巖石造成相應(yīng)的損傷破壞，不斷地沿著異形光爆孔尖端的方向發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生相應(yīng)的定向損傷區(qū)，導(dǎo)致爆轟氣體的壓力作用在定向損傷區(qū)域。

考慮上述兩者的因素，異形炮孔裂縫范圍Rb的計算方式具體見式（1）：

Rb=（ΨP2/σt）1/αrb（1）

式中：Ψ——巖石的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；

P2——應(yīng)力波壓力值（Pa），P2=BK-απρeQEQTα2；

σt——巖石的抗拉強度（Pa）；

α——應(yīng)力波衰減系數(shù)α=2-μ/1-μ；

μ——巖石泊松比；

rb——炮孔半徑（m）。

2 異形炮孔爆破數(shù)值模擬

利用ANSYS/LS-DYNA軟件研究異形孔定向爆破的聚能導(dǎo)向作用。為簡化其模型大小，使能細化孔壁周圍巖石單元，建立了相應(yīng)數(shù)值計算模型，如圖2所示。異形光爆孔模型徑向截面圖徑向截面尺寸為3.6 m×3.6 m，炮孔直徑為4.4 cm。模型軸向尺寸為3.6 m×1 m，堵塞土、炸藥、水包、炸藥、巖石軸向厚度分別為20 cm，參見表1。

截取異形光爆孔爆破模型結(jié)果10 μs、40 μs、80 μs、120 μs的壓應(yīng)力云圖進行分析（見圖3）。在10 μs時，炸藥開始引爆，炸藥產(chǎn)生的沖擊波均勻作用在孔壁上，孔壁周圍應(yīng)力大小在2.1～3.7 GPa這一區(qū)間。在40 μs時，幾乎沒有出現(xiàn)應(yīng)力分層現(xiàn)象，爆轟壓力和應(yīng)力波共同作用，應(yīng)力值從0.32～0.45 GPa衰減到0.2～0.36 GPa。在80 μs時，相比前兩者爆破方式，可以看到孔壁周圍波形成蝴蝶形，異形光爆孔尖端處和其他位置處的應(yīng)力不等現(xiàn)象，其差值最大為44 MPa，從而導(dǎo)致異形光爆孔尖端巖石出現(xiàn)相對位移，進而發(fā)生巖石定向的拉伸破壞，同時初始應(yīng)力波快要到達邊界區(qū)域。在120 μs時，異形光爆孔處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且能較為明顯地看到，隨著應(yīng)力波的傳遞，壓縮波和稀疏波間隔分布的現(xiàn)象。綜上對比分析，可以看出異形光爆孔應(yīng)力波傳播速度快，能量集中且消耗少。

3 異形炮孔鉆切一體化成孔技術(shù)

常規(guī)的切槽技術(shù)均為二次刻槽，即先利用氣腿鑿巖機進行炮孔鉆孔，隨后拔出鉆桿再利用刻槽器進行開槽。主要問題是增加了二次刻槽的工序，耗費時間，不利于快速掘進。因此，研發(fā)了鉆切一體化技術(shù)，即在氣腿鑿巖機鉆孔過程同時實現(xiàn)鉆孔和切槽，該技術(shù)克服了二次刻槽的耗費時間的問題，縮短了鉆孔時間。異形切槽炮孔的鉆切技術(shù)增加了周邊眼的數(shù)量，顯著降低鉆孔時間，提升效率。試驗對比了采用異形炮孔的定向聚能爆破效果與常規(guī)圓形炮孔的光爆效果，可以看出異形切槽孔光爆技術(shù)可以降低超挖50%左右，具有較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

本文基于理論和數(shù)值分析闡釋了異性切槽炮孔在爆破過程中的定向聚能機理和爆破效果。異形孔切槽的技術(shù)可實現(xiàn)爆破能量的導(dǎo)向作用，利用切槽口相對方向可使周邊眼的爆破輪廓線更符合設(shè)計，在成孔過程中可實現(xiàn)鉆孔切槽一次成型，既減少了周邊眼數(shù)量，又增加了鉆爆效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

［1］李 清，郭 洋，劉 航，等.切槽定向斷裂控制爆破的數(shù)值模擬研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（12）：79-83.

［2］楊仁樹，王雁冰，楊立云，等.雙孔切槽爆破裂紋擴展的動焦散實驗［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，41（6）：868-872.

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