不同藥包結(jié)構(gòu)巖石爆破效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

田應(yīng)祥 焦安軍 林華穎

摘?要：為探究不同藥包結(jié)構(gòu)爆破效應(yīng)，采用數(shù)值模擬手段建立不同裝藥結(jié)構(gòu)模型，分析爆破過程裂巖石隙擴展及其應(yīng)力分布。結(jié)果表明：在兩種不同藥包結(jié)構(gòu)爆破中，由于切縫藥包聚能效應(yīng)，使得爆破應(yīng)力對炮孔壁做功最大的是切縫藥包爆破的切縫方向，其次為普通爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。根據(jù)巖石裂隙擴展圖，切縫藥包爆破先于普通藥包爆破形成貫通裂隙，普通藥包爆破巖石裂隙分布由炮孔中心向四周近似均勻延伸，而切縫藥包爆破巖石裂縫破壞最明顯的是切縫方向。在模型貫通裂隙形成前，切縫藥包爆破應(yīng)力大于普通藥包爆破，裂隙貫通后，形成有效卸壓通道，普通藥包爆破應(yīng)力高于切縫藥包。

關(guān)鍵詞：爆破???切縫藥包???數(shù)值模擬???裂隙擴展???爆破應(yīng)力

中圖分類號：TD235.12

Research?on?the?Numerical?Simulation?of?the?Rock?Blasting?Effect?of?Different?Charge?Structures

TIAN?Yingxiang1*????JIAO?Anjun2????LIN?Huaying3

1.Department?of?Public?Security，?Guizhou?Police?College，?Guiyang，?Guizhou?Province，?550005??China;?2.?Bijie?Energy?Development?Technology?Center，?Bijie，?Guizhou?Province，?551799?China;?3.?Guizhou?Institute?of?Mine?Safety?Science?Co.，?Ltd.，?Guiyang，?Guizhou?Province，?550025??China

Abstract?：?In?order?to?explore?the?blasting?effect?of?different?charge?structures，?different?charge?structure?models?are?established?by?numerical?simulation，?and?the?crack?propagation?and?stress?distribution?of?fractured?rock?during?blasting?are?analyzed.?The?results?show?that?in?the?blasting?of?two?different?cartridge?structures，?due?to?the?energy-gathering?effect?of?the?slotted?cartridge，??the?largest?force?of?blasting?stress?on?the?blast?hole?wall?is?at?the?slotted?direction?of?slotted?cartridge?blasting，?followed?by?ordinary?blasting，?and?the?smallest?force?is?at?the?non-slotted?direction?of?slotted?cartridge?blasting.?According?to?the?rock?fracture?propagation?diagram，?slotted?cartridge?blasting?is?prior?to?ordinary?cartridge?blasting，?forming?a?penetrating?fracture，?and?the?rock?fracture?distribution?in?ordinary?cartridge?blasting?extends?approximately?evenly?from?the?center?of?the?blast?hole?to?surrounding?areas，?and?the?most?obvious?damage?of?the?rock?fracture?in?slotted?cartridge?blasting?is?at?the?slotted?direction.?Before?the?formation?of?the?penetrating?fracture?of?the?model，?the?blasting?stress?of?the?slotted?cartridge?is?greater?than?that?of?the?ordinary?cartridge.?After?the?fracture?is?penetrated，?an?effective?pressure?relief?channel?is?formed，?and?the?blasting?stress?of?the?ordinary?cartridge?is?higher?than?that?of?the?slotted?cartridge.

Key?Words：?Blasting?;?Slotted?charge?;?Numerical?simulation?;?Fracture?propagation;?Blasting?stress

爆破技術(shù)具有高效快速等優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用在建筑拆除、礦山開采、隧道交通等行業(yè)[1-3]。但當前部分工程應(yīng)用中須實現(xiàn)巖石定向劈裂，而切縫藥包爆破的聚能作用有利于其實現(xiàn)定向精準爆破。為此，對比研究不同藥包結(jié)構(gòu)爆破后巖體裂隙擴展效果，對促進巖石爆破技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展是極有必要的。

當前，國內(nèi)外學(xué)者針對切縫爆破進行研究，其中程兵等人[4]采用實驗討論了側(cè)向環(huán)形切縫的聚能效果；段寶福等人[5]采用數(shù)值模擬手段分析爆破應(yīng)力和裂隙，得出合理參數(shù)；薛永利等人[6]提出雙向多點聚能爆破方法，實現(xiàn)爆破界面的光滑平整；周陽威等人[7]采用數(shù)值模擬方法分析環(huán)形切縫聚能效果；郭東明等人[8]分析不同切縫參數(shù)對爆破影響，并對其優(yōu)化，提高爆破效果；王雁冰等人[9]通過理論分析和數(shù)值模擬，分析常規(guī)與切縫爆破巖石損傷、能量傳播、振動速度等參數(shù)；吳波等人[10]采用LS-DYNA軟件分析雙向聚能爆破效果。

眾學(xué)者針對切縫爆破進行大量研究，為更好地分析切縫與普通裝藥結(jié)構(gòu)對巖石爆破效應(yīng)的影響，擬采用數(shù)值模擬方法，構(gòu)建不同藥包結(jié)構(gòu)，分析兩種藥包結(jié)構(gòu)爆破后巖石裂隙擴展及應(yīng)力變化，擬為以后切縫聚能爆破研究提供基礎(chǔ)。

1?巖石爆破致裂機理

爆破過程產(chǎn)生應(yīng)力波和爆生氣體，兩者對巖體進行破壞，巖體破壞形成3個區(qū)，即壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和振動區(qū)[11-12]。炮孔周圍很小范圍內(nèi)，受到爆炸能量作用巖石被擠壓形成細小巖粒，該區(qū)域稱為壓碎區(qū)；隨著爆破應(yīng)力波和爆生氣體繼續(xù)向深處傳播，已無法壓碎巖體，但會使巖體產(chǎn)生裂隙，該區(qū)域成為裂隙區(qū)；直到當巖石的抗拉壓能力大于爆破應(yīng)力波形成的應(yīng)力，巖體裂隙停止發(fā)育，該區(qū)域稱為振動區(qū)。

根據(jù)巖石破壞機理、Von-Mises準則和爆破荷載公式，推導(dǎo)徑向不耦合柱狀炸藥爆破后產(chǎn)生的壓碎區(qū)RC和裂隙區(qū)Rt計算公式為[13]：

式（1）至式（3）中：α為衰減指數(shù)，沖擊波和應(yīng)力波加載區(qū)分別為α1=2+b、α2=2-b；P1為施加于孔壁的初始壓力；b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，b=μd/（1-μd）；μd為巖石動態(tài)泊松比；rb為炮半徑；σcd和σtd分別為巖石的動態(tài)壓縮強度和動態(tài)拉伸強度。

在巖石爆破中，爆炸應(yīng)力波先于爆炸產(chǎn)生的爆生氣體，因此應(yīng)力波先作用于孔壁，形成初始裂隙；后續(xù)爆生氣體持續(xù)作用于裂隙，使裂隙進一步擴展。此時裂隙端部的應(yīng)力強度因子KI為[14]：

式（4）中：a0為初始裂隙長度；F為修正系數(shù)，在1.5rb以外區(qū)域其值趨近于1.0；P為準靜態(tài)作用下炮孔壁壓力。

根據(jù)巖石斷裂力學(xué)，引入巖體斷裂韌性參數(shù)KIC。在爆破的準靜態(tài)壓力作用下，若要使初始裂隙繼續(xù)擴展，則需KI≥KIC，即孔壁壓力需滿足式（5）：

隨著裂隙不斷擴展，孔內(nèi)壓力逐步降低，當孔壁壓力滿足式（6）時，裂隙則停止擴展。

式（6）中，a為當前爆生裂隙長度。

對比普通藥包結(jié)構(gòu)與切縫藥包結(jié)構(gòu)的區(qū)別，其主要在于切縫藥包結(jié)構(gòu)有一個“切縫的套管（切縫管）”，切縫管可根據(jù)需求在其管體上開不同類型的縫，結(jié)構(gòu)見圖1（a）和1（c）。切縫藥包爆破時，非切縫方向，炸藥爆炸能量先作用在管體上被削弱后通過空氣傳遞，然后才作用在孔壁上；而切縫方向，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高壓氣體是經(jīng)切縫聚流后通過空氣傳遞直接作用在孔壁上。因此在切縫方向孔壁受力最大，其次為普通藥包結(jié)構(gòu)，最小的為切縫藥包結(jié)構(gòu)中非切縫方向?qū)?yīng)的孔壁；這是由于切縫藥包的聚能作用使得爆破時切縫方向孔壁壓力增大，所以非切縫方向孔壁壓力則會降低，見圖1（b）和1（d）。再結(jié)合式（1）、式（2）和式（4）進行分析可知，在以上兩種藥包爆破中，切縫藥包爆破在切縫方向產(chǎn)生的巖石粉碎區(qū)半徑和裂隙擴展長度應(yīng)為最大，其次為普通藥包爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。

2?不同藥包結(jié)構(gòu)的爆破數(shù)值模擬

2.1?模型構(gòu)建

建立二維模型，模型為130?cm×130?cm正方形，模型中心3?cm圓形炮孔，見圖2所示。

建立切縫與普通藥包結(jié)構(gòu)模型，兩模型大小各尺寸不變，切縫藥包結(jié)構(gòu)模型在套管位置分別切開兩條縫，兩縫夾角180°，藥包結(jié)構(gòu)示意圖見圖3所示。

2.2??材料本構(gòu)模型

2.2.1???巖石材料

目前學(xué)者常用JHC模型、PK模型、彈塑性流體模型等描述巖石特性[15]，由于在爆破過程中巖體受到大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓力的狀態(tài)，本文采用JHC模型來描述巖石。

JHC模型的屈服面方程為：

式（7）中：σ*為特征化等效應(yīng)力；A、B、C、D、N材料強度參數(shù)；P*為特征化壓力；ε＇*為特征應(yīng)變率。

損傷方程為：

式（8）、式（9）中：ΔεP為單個循環(huán)內(nèi)等效塑性應(yīng)變；ΔμP為單個循環(huán)內(nèi)等效塑性體積應(yīng)變；T*為材料能夠承受的最大特征水平拉力；D1和D2為損傷常量；εf，min為斷裂最小塑性應(yīng)變。

2.2.2?炸藥材料

炸藥材料采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN定義，同時狀態(tài)方程采用JWL表述爆轟壓力，炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示。

式（10）中：Pa為爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；Ve為相對體積；E0為初始比內(nèi)能。

2.2.3???空氣材料

此次模擬中，空氣材料使用*?MAT_NULL模型描述，空氣壓力采用狀態(tài)方程*?EOS_LINER_POLYNOMIAL線性多項式表示，模型空氣材料參數(shù)見表2。

3?數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1?裂隙擴展分析

分別繪制切縫藥包和普通藥包爆破在77.986?3?μs、155.972?6?μs、233.958?9?μs、311.945?2?μs和389.931?5?μs時巖石的裂隙擴展圖，裂隙擴展見圖4。根據(jù)圖4知，77.986?3?μs時，普通藥包爆破裂隙擴展是向模型四周延伸，而切縫藥包爆破的裂隙擴展主要在切縫方向，且其非切縫方向的裂隙擴展緩慢，裂隙擴展長度均比普通藥包爆破的短。此外，切縫藥包爆破巖石裂隙在155.972?6?μs時就形成貫穿裂隙，而普通藥包爆破在模型計算最后，裂隙才擴展至模型一半。從裂隙分布的整體形狀來看，普通藥包爆破巖石破壞程度在各方向差異不大，而切縫藥包爆破巖石破壞主要集中在切縫方向，非切縫方向破壞程度較低。

3.2?爆破應(yīng)力分析

為更好地分析爆破效應(yīng)，繪制不同時刻兩種裝藥結(jié)構(gòu)的爆破應(yīng)力云圖，其中圖5（a）至5（e）為普通藥包爆破，圖5（f）至5（j）為切縫藥包爆破。

分析整個爆破過程，模型峰值應(yīng)力不斷降低，這是由于爆破應(yīng)力波和高壓氣體在傳遞過程中不斷損失能量。對比圖5（a）和5（f）可知，普通藥包爆破炮孔壓力低于切縫藥包的，切縫藥包爆破在77.986?3?μs的峰值應(yīng)力為普通藥包峰值應(yīng)力的1.27倍；切縫藥包爆破應(yīng)力集中在切縫方向，而普通藥包的近似均勻分布在炮孔周圍。根據(jù)圖5（b）和5（g）可知，當爆破經(jīng)歷155.972?6?μs后切縫藥包爆破壓力降低，低于普通藥包爆破，此時普通藥包爆破應(yīng)力為切縫藥包的2.21倍；這是由于該階段切縫藥包爆破已經(jīng)形成貫穿裂隙，爆破壓力通過貫穿裂隙卸壓。

4?結(jié)論

（1）通過理論分析，由于切縫藥包爆破的聚能作用，使其爆破后切縫方向孔壁壓力增加，非切縫方向孔壁壓力降低。所以導(dǎo)致在以上兩種不同藥包爆破中，孔壁巖石受力最大的為切縫藥包爆破的切縫方向，其次為普通藥包爆破，最小為切縫藥包爆破的非切縫方向。

（2）根據(jù)巖體裂隙擴展圖，切縫藥包與普通藥包對比，其爆破后巖體會先形成貫通裂隙，且爆破能量更多用于破壞切縫方向的巖體。

（3）在貫通裂隙形成前，普通藥包爆破應(yīng)力低于切縫藥包結(jié)構(gòu)，裂隙貫通后，形成有效卸壓通道，普通藥包結(jié)構(gòu)爆破應(yīng)力整體高于切縫藥包結(jié)構(gòu)。

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