數(shù)值模擬在“工程爆破”課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

程兵，汪泉，汪海波，李洪偉，王夢想

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 前言

工程爆破技術(shù)是指利用炸藥爆炸釋放的能量對(duì)巖石等材料實(shí)施破壞以實(shí)現(xiàn)特定工程目的，憑借其工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)以及投入低的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各類礦山基建工程?？紤]到工程爆破技術(shù)在工程中的普遍應(yīng)用，在許多高校的彈爆工程、采礦工程以及土木工程等應(yīng)用型工科專業(yè)，工程爆破作為一門專業(yè)核心課程被廣泛開設(shè)。工程爆破的課程內(nèi)容不僅包含炸藥爆破基本原理，還包括露天爆破、地下爆破以及拆除爆破等施工工藝，作為一門理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系的課程，其教學(xué)過程存在著較大的難度和挑戰(zhàn)[1]。在以往的工程爆破教學(xué)過程中，主要是利用板書和多媒體課件展示一些文字、公式和圖片講解爆破機(jī)理和爆破工藝，缺少爆破過程與爆破細(xì)節(jié)的展示，教學(xué)過程枯燥乏味，不利于學(xué)生對(duì)爆破機(jī)理和爆破工藝的理解和掌握，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果[2]。如何在教學(xué)過程中充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，并使學(xué)生能夠深刻理解和牢固掌握專業(yè)知識(shí)，有效達(dá)到課程的教學(xué)目的和培養(yǎng)目標(biāo)，是工程爆破課程教學(xué)中亟待解決的問題。

近年來，數(shù)值模擬在工程領(lǐng)域內(nèi)得到了很大發(fā)展，尤其是在解決工程爆破相關(guān)問題方面，其優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)爆破歷程的動(dòng)態(tài)可視[3]。不過，目前數(shù)值模擬主要是用于爆破機(jī)理和爆破工藝的探索與研發(fā)，在工程爆破課程教學(xué)中應(yīng)用很少。為了更加有效地達(dá)到工程爆破課程的教學(xué)目的和培養(yǎng)目標(biāo)，本研究提出將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到工程爆破課程教學(xué)中。首先，選取合適的爆破案例開展數(shù)值模擬，充分展示其建模過程和模擬結(jié)果；然后，將模擬結(jié)果結(jié)合到對(duì)應(yīng)章節(jié)的課程教學(xué)中，分析數(shù)值模擬的教學(xué)應(yīng)用效果，闡明數(shù)值模擬技術(shù)如何在工程爆破課程教學(xué)中發(fā)揮作用。

2 巖巷掘進(jìn)爆破數(shù)值模擬

本研究選取的案例是巖巷掘進(jìn)爆破，在此案例中數(shù)值模擬在LS-DYNA程序中進(jìn)行，該程序的基本情況和發(fā)展歷程等在現(xiàn)有文獻(xiàn)中已經(jīng)詳細(xì)論述[4]。

2.1 構(gòu)建數(shù)值模型

由于炮孔深度遠(yuǎn)超過其半徑，在不顧及炮孔兩端特殊破巖效果的前提下，可以采用二維平面模型來降低數(shù)值模擬的求解量。如圖1 所示，采用LS-DYNA構(gòu)建二維巖巷掘進(jìn)爆破數(shù)值模型，炸藥和空氣作為流體被綁定在一起進(jìn)行建模，巖體作為被爆結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模，然后移動(dòng)巖體模型使得其在空間上與空氣重合。巖體模型的幾何尺寸為5.2m×4.8m，巖巷設(shè)計(jì)采用直壁拱形斷面，掘進(jìn)斷面的高度和寬度分別為3.2m 和3.6m。該巖巷爆破模型共包含有2個(gè)大直徑中空孔，6 個(gè)掏槽孔，10 個(gè)一圈崩落孔，12 個(gè)二圈崩落孔，31 個(gè)周邊孔。中空孔的直徑為110mm，其他所有炮孔的直徑為42mm，各炮孔中均裝填有水膠炸藥。不同類型炮孔由內(nèi)而外按照“掏槽孔→一圈崩落孔→二圈崩落孔→周邊孔”的順序依次起爆，炮孔起爆順序使用*INITIATION_DETONATION 關(guān)鍵字進(jìn)行設(shè)置。

圖1 巖巷掘進(jìn)爆破數(shù)值模型

在本次模擬中，炸藥和空氣作為流體介質(zhì)使用ALE 多物質(zhì)網(wǎng)格，巖體作為固體介質(zhì)采用Lagrange 網(wǎng)格，兩種類型介質(zhì)之間的力學(xué)信息傳遞通過定義流固耦合算法來實(shí)現(xiàn)[5]。此外，巖體模型的周圍需要施加無反射邊界條件，用于解除模型邊界應(yīng)力波反射對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果精度的不利影響。

2.2 材料模型及參數(shù)

炸藥使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 高能燃燒材料模型，炸藥爆炸過程中的壓力、比容以及內(nèi)能之間則通過JWL 狀態(tài)方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)[6]?？諝馐褂?MAT_NULL 空白材料模型，其壓力特性還需要利用線性多項(xiàng)式演變而來的狀態(tài)方程進(jìn)行表征。巖體使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 隨動(dòng)硬化材料模型，該模型囊括了應(yīng)變率增大對(duì)材料強(qiáng)度的影響，因此能夠描述巖石等脆性材料在爆炸沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題[7]。而且，為了獲取巖巷掘進(jìn)爆破過程中的巖體損傷破壞情況，還要在求解文件中加入巖體單元失效關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION，將巖體的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)設(shè)置為巖體單元失效與否的依據(jù)。三種材料對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)如表1～表3所示。

表1 炸藥材料與狀態(tài)方程參數(shù)

表2 空氣材料與狀態(tài)方程參數(shù)

表3 巖體材料以及應(yīng)變率參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果與分析

將包含上述數(shù)值模型和材料模型的關(guān)鍵字文件提交至LS-DYNA 的求解器進(jìn)行求解，按照由內(nèi)而外的順序依次引爆掏槽孔、一圈崩落孔、二圈崩落孔和周邊孔，然后利用后處理程序LSPREPOST，輸出不同類型炮孔爆破以后巖巷斷面內(nèi)的巖體破壞歷程，如圖2～圖5所示。

圖2 掏槽孔爆破以后的巖體破壞歷程

圖3 一圈崩落孔爆破以后的巖體破壞歷程

圖4 二圈崩落孔爆破以后的巖體破壞歷程

圖5 周邊孔爆破以后的巖體破壞歷程

由圖可知，當(dāng)掏槽孔中的炸藥爆炸以后，借助中空孔提供的自由面，掏槽孔周圍巖體在爆炸載荷作用下迅速發(fā)生損傷破壞，為后續(xù)崩落孔爆破創(chuàng)造出新的自由面，可以減小后續(xù)崩落孔爆破過程中的圍巖夾制作用。緊接著，按照設(shè)計(jì)爆破順序依次引爆一圈崩落孔和二圈崩落孔，對(duì)掘進(jìn)斷面內(nèi)的大部分巖石進(jìn)行爆破，借助掏槽孔先行爆破開創(chuàng)的新自由面，崩落孔中的炸藥爆炸以后可以輕易使得崩落孔周圍的巖體發(fā)生破壞。

當(dāng)斷面面積較大而槽腔體積較小時(shí)，一圈崩落孔的主要作用是擴(kuò)大槽腔范圍，所以這時(shí)通常又可以將一圈崩落孔稱為擴(kuò)大孔。

引爆周邊孔對(duì)斷面內(nèi)最后一層巖體進(jìn)行爆破，待到周邊孔爆破結(jié)束以后斷面內(nèi)的全部巖石均得到了有效的破壞，而且沿著周邊孔爆破破壞區(qū)域外側(cè)邊緣形成了比較明顯的開挖輪廓，表明周邊孔的爆破破巖效果決定了巖巷斷面的成型質(zhì)量。通過上述對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析可以看出，采用數(shù)值模擬能夠十分直觀地展現(xiàn)巖巷掘進(jìn)全斷面爆破的破巖機(jī)理和歷程。

3 教學(xué)應(yīng)用效果分析

將上述數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用到工程爆破的“井巷掘進(jìn)爆破”章節(jié)的課程教學(xué)中，結(jié)合模擬結(jié)果講解相關(guān)的課程內(nèi)容，內(nèi)容包括井巷掘進(jìn)爆破的步驟，即掏槽爆破、崩落爆破和周邊爆破；巖巷掘進(jìn)爆破的炮孔分類，即掏槽孔、崩落孔和周邊孔；井巷掘進(jìn)爆破的施工難點(diǎn)以及爆破方案設(shè)計(jì)理念，即掏槽爆破作為難點(diǎn)一決定著井巷鉆爆掘進(jìn)速度，周邊爆破作為難點(diǎn)二控制著著井巷斷面輪廓成型質(zhì)量，基于兩大施工難點(diǎn)，在實(shí)際工程中形成了“抓兩頭、帶中間”的爆破方案設(shè)計(jì)理念。

課后學(xué)生普遍反映，通過觀看巖巷掘進(jìn)爆破模擬的結(jié)果圖片或視頻，使得原先枯燥乏味的課程知識(shí)變得生動(dòng)形象，可以很好地幫助其深入理解和扎實(shí)掌握上述井巷掘進(jìn)爆破方面的有關(guān)專業(yè)知識(shí)。同時(shí)，通過展示數(shù)值模擬結(jié)果，提高了學(xué)生們對(duì)井巷掘進(jìn)爆破和巖石爆破機(jī)理等方面的學(xué)習(xí)興趣，而且學(xué)生在此過程中感受到了數(shù)值模擬技術(shù)在工程爆破設(shè)計(jì)與科研方面的實(shí)用性和重要性，激發(fā)了學(xué)生對(duì)巖石爆破數(shù)值模擬程序的學(xué)習(xí)熱潮。

4 結(jié)束語

本文以巖巷掘進(jìn)爆破為例，展現(xiàn)了巖巷掘進(jìn)爆破的建模過程和模擬結(jié)果，并將巖巷掘進(jìn)爆破的數(shù)值模擬結(jié)果融入到實(shí)際課程教學(xué)中。結(jié)果表明：數(shù)值模擬能夠十分直觀地展現(xiàn)巖巷掘進(jìn)爆破的破巖歷程；在工程爆破課程教學(xué)中采用數(shù)值模擬技術(shù)，不僅有助于學(xué)生深刻理解和牢固掌握工程爆破課程的專業(yè)知識(shí)，并且還可以提升學(xué)生對(duì)工程爆破課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)巖石爆破數(shù)值模擬程序的學(xué)習(xí)熱情。