空气间隔与耦合装药混凝土爆破对比分析

吴 亮，周 勇，杨 聃，段卫东，钟冬望

（1.武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉，430065；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉，430070；3.重庆梅溪河流域水电开发有限公司，重庆，404600）

空气间隔与耦合装药混凝土爆破对比分析

吴 亮1，周 勇2，杨 聃3，段卫东1，钟冬望1

（1.武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉，430065；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉，430070；3.重庆梅溪河流域水电开发有限公司，重庆，404600）

采用动力有限元软件LS－DYNA分析空气间隔装药与耦合装药结构对混凝土介质的破坏机理，结合混凝土模型对两种装药结构进行了光面爆破试验。结果表明，采用空气间隔装药结构进行爆破后，混凝土表面平整度要优于无空气间隔的情况；空气间隔装药结构能调节炸药能量分布，使孔内爆炸压力沿炮孔轴向的分布更均匀，从而提高炸药爆炸能量的有效利用率。

空气间隔装药；光面爆破；混凝土模型；模型试验

为降低岩石开挖爆破对承载岩体的损伤与震动影响，在岩体开挖轮廓处通常采用预裂或光面爆破等轮廓爆破技术。传统轮廓爆破中常采用不耦合装药结构方式，例如将乳化炸药绑扎在贯穿全孔的导爆索上以达到径向和轴向的装药不耦合，从而控制炮孔内的爆炸压力和爆破损伤效应。但是，使用贯穿全孔的导爆索直接导致生产成本提高，且绑扎过程费工费时而延缓施工进度。因此，探求一种既能控制爆破开挖质量，同时又省时、经济的轮廓爆破方式成为工程爆破领域的重要研究课题，特别是在复杂地质条件下的光面爆破技术已引起业内的广泛关注［1－4］。

目前，空气间隔爆破技术已在国外的采矿业中得到广泛应用，并取得良好的效果，而其在预裂、光面爆破中的应用研究起步较晚。文献［5］对空气间隔爆破技术在预裂爆破中的应用进行了较为详细的研究；文献［6］讨论了空气层间隔装药轮廓爆破的机理、参数设计和炮孔底部装药段的爆破损伤控制等问题；文献［7］研究了周边孔空气间隔光面爆破技术，发现周边孔爆破效果良好，半孔率达95%以上，围岩表面不平整度控制在15 cm以内，每次循环（进尺2.0 m）可降低成本100元左右；文献［8］探讨了空气间隔装药方法在地下工程周边孔装药中的应用；文献［9－12］对空气间隔装药光面爆破破岩机理进行了数值分析。本文采用动力有限元分析软件LS－DYNA，并结合混凝土模型试验，研究空气间隔装药与耦合装药结构对混凝土介质的破坏差异。

1 材料模型选用及计算模型建立

1.1 混凝土损伤模型

混凝土受到爆炸冲击荷载作用时，需要考虑大应变、高应变率和高围压下材料损伤实效的动态响应。本文采用的JHC（Johnson－Holmquist－Cook）模型是一种适用于高应变率、大变形下混凝土与岩石的材料模型，它与金属材料中应用广泛的Johnson－Cook材料模型相类似，其等效屈服强度是压力、应变率和损伤量的函数，损伤量则是塑性体应变、等效塑性应变和压力的函数。混凝土JHC模型的材料参数见文献［13］。

1.2 炸药状态方程

LS－DYNA程序可以直接模拟高能炸药的爆炸过程。炸药点火后产生爆炸荷载作用于周围介质，任意时刻爆源内一点的压力P为［14］

式中：F为炸药的化学能释放率；D为炸药爆速；t、t1分别为当前时间和炸药内一点的起爆时间；Ae，max为炸药单元横截面积最大值；ve为炸药单元体积；Peos为爆轰产物的压力，由JWL状态方程决定，其一般形式为

式中：V为爆轰产物的相对体积；E0为炸药的初始比内能；A、B、R1、R2、ω为描述JWL方程的5个独立物理常数。炸药密度取为1 300 kg／m3，炸药其他参数取值为［9］：D＝4 km／s，A＝214.4 GPa，B＝0.182 GPa，R1＝4.2，R2＝0.9，ω＝0.15，E0＝4 192 MJ／m3。

式中：C0～C6为常数；E为空气的初始比内能；μ＝1／V－1。

1.3 数值计算几何模型

空气间隔装药结构计算模型见图1，计算模型中包括3种物质：炸药、混凝土与空气。为简化计算，堵塞采用混凝土材料。模型简化为厚度方向只有一个单元的三维模型。3种物质均使用8节点6面体实体单元离散，模型厚度方向划分为一个单元，空气与炸药均定义为多物质单元，使得所有物质能在网格内相互流动。对于空气和炸药，计算时采用欧拉算法，对于混凝土则采用拉格朗日算法。模型平面尺寸为400 mm×400 mm，炮孔直径为8 mm，炮孔间距为133 mm，采用空气间隔装药结构时，炮孔底部距离模型底部边界150 mm，炸药柱长为50 mm，空气柱长为50 mm，堵塞长度为150 mm。采用耦合装药结构时，炸药柱长为50 mm，堵塞长度为150 mm。

图1 计算模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the calculation model

2 计算结果与分析

耦合装药结构的孔壁单元位于装药段中部，空气间隔装药结构的孔壁单元位于炸药与空气交界面处。两种装药结构的孔壁单元压力时程曲线如图2所示，由图2可见，耦合装药结构的孔壁单元压力峰值约为3.8 GPa，而空气间隔装药结构的孔壁单元压力峰值为2.0 GPa，因此，耦合装药时爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近区介质，导致光面爆破时炮孔近区的介质表面平整度较差。

图2 孔壁单元压力时程曲线Fig.2 Time－history curve of unit pressure at borehole

计算模型中考察单元的应力峰值如图3和图4所示，图中横坐标为考察单元与炮孔底部的垂直距离，其值为负表示考察单元位于炮孔底部以下。

图3 考察单元的第一主应力峰值曲线Fig.3 First principal stress peek curves of the typical elements

图4 考察单元的第三主应力峰值曲线Fig.4 Third principal stress peak curves of the typical elements

由图3可见，在横坐标为－0.10～0.08 m的范围内，空气间隔装药结构中考察单元的拉伸应力峰值均大于耦合装药结构中对应考察单元的拉伸应力峰值，这表明空气间隔装药更有利于炮孔间裂纹的产生与扩展。在横坐标为0.05 m处，两种装药结构的考察单元拉伸应力峰值相差最大，耦合装药时拉伸应力峰值约为11.8 MPa，空气间隔装药时拉伸应力峰值约为24.1 MPa，两者相差约12.3 MPa，其主要原因是，空气间隔装药结构中的空气层使爆轰冲击波在炸药与空气交界面处产生了向下的稀疏波。在横坐标为0.08～0.15 m的范围内，耦合装药结构中考察单元的拉伸应力峰值要大于空气间隔装药结构中对应考察单元的拉伸应力峰值，这是因为，与空气间隔装药相比，耦合装药时向上传播的冲击波强度较大，同时耦合装药结构中的装药位置也较高，强度越大的冲击波在模型顶部自由面反射后形成的拉伸应力峰值也就越大。

由图4可见，两种装药结构的考察单元第三主应力峰值曲线形态基本一致，其差异主要表现在横坐标为－0.05～0.10 m的范围内，这时空气间隔装药结构中考察单元的压应力峰值要小于耦合装药结构中对应考察单元的压应力峰值，而此段正好为装药段，这也进一步反映了耦合装药时爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近区介质，同时表明耦合装药时炮孔的径向压力更大，在模型两侧会形成更大的拉伸应力，使爆破介质产生剥离现象，因此与空气间隔装药相比，耦合装药爆破后的介质表面平整度较低。

3 混凝土爆破效果分析

3.1 试验方案

模型试件采用425＃硅酸盐水泥和筛选后的细砂浇注而成，其原料配比为w（水）∶w（水泥）∶w（细砂）＝0.7∶1∶4，养护28天，储存50天。模型尺寸为400 mm×400 mm×400 mm，模型中央预留两个炮孔，孔径为8 mm，两孔间距为133 mm，孔深为350 mm，采用细砂降低孔深，实际孔深为250 mm，炮孔底部装填性能稳定的黑索金炸药，每孔装药0.2 g，采用工业瞬发电雷管（0.6 g）反向起爆，因此实际每孔装药0.8 g。试验分有轴向空气间隔和没有空气间隔两种情况，堵塞长度均为150 mm，有轴向空气间隔的空气层长度为50 mm，轴向不耦合系数为2。

3.2 爆破效果

爆破效果如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，两种爆破方式均能取得良好的爆破效果。采用空气间隔装药结构时，空气层的存在降低了炮孔峰值压力并延长了爆破作用时间，减少甚至避免了因耦合装药而形成的矿岩冲击粉碎，扩大了破裂区范围，提高了炸药爆炸能量的有效利用率。此外，空气间隔装药能调节炸药能量分布，使孔内爆炸压力沿炮孔轴向的分布更均匀，因此，采用空气间隔装药结构爆破后，混凝土表面的平整度要优于无空气间隔装药结构爆破后的情况。

图5 轴向耦合装药爆破效果Fig.5 Blasting effect of axial coupling charge structure

图6 空气间隔装药爆破效果Fig.6 Blasting effect of air－deck charge structure

4 结论

（1）耦合装药时，炮孔径向压力大，其爆炸能量更多地用于粉碎炮孔近区介质，同时在模型两侧会形成更大的拉伸应力，使爆破介质产生剥离现象；空气间隔装药时，炮孔之间的单元拉伸应力峰值相对较大，有利于炮孔间裂纹的产生与扩展。

（2）空气间隔装药结构能调节炸药能量分布，使孔内爆炸压力沿炮孔轴向分布得更均匀，提高了炸药爆炸能量的有效利用率。

（3）轴向耦合与空气间隔装药光面爆破均能取得良好的爆破效果，但耦合装药爆破后的介质表面平整度要低于空气间隔装药爆破后的介质表面平整度。

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Contrastive analysis of air－deck charge and coupling charge in smooth blasting

Wu Liang1，Zhou Yong2，Yang Dan3，Duan Weidong1，Zhong Dongwang1
（1.Hubei Province Key Laboratory of Systems Science in Metallurgical Process，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Hubei Institute of Water Resources and Hydropower Research，Wuhan 430070，China；3.Chongqing Meixi River Hydropower Development Co.，Ltd.，Chongqing 404600，China）

LS－DYNA，a finite element analysis software，was employed to analyze the concrete failure mechanism when axial coupling charge and air－deck charge were used，respectively，and smooth blasting experiments were carried out with the concrete model.The results show that the concrete surface flatness with air－deck charge is better than that of axial coupling charge，and air－deck charge can regulate explosive energy distribution and make explosion pressure distribution along the axis of borehole more uniform，thus raising the efficiency of explosive energy use.

air－deck charge；smooth blasting；concrete model；model test

TD235.3

A

1674－3644（2012）03－0225－04

［责任编辑 尚 晶］

2011－11－06

国家自然科学基金与上海宝钢集团有限公司“钢铁联合研究基金”联合资助项目（51004079，51174147）；湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目（B20091103）；武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室开放基金资助项目（C201002）.

吴 亮（1980－），男，武汉科技大学副教授，博士.E－mail：liangwu1980＠yahoo.com.cn