孔底空气间隔装药降振效应数值模拟分析

张袁娟，杜学胜，黄金香

(1.河南工程学院 煤矿灾害预防控制实验室河南省高校重点实验室培育基地，河南 郑州 451191；2.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；3.北京理工大学 机电学院, 北京 100081)

空气间隔装药技术在爆破过程中通过降低爆压峰值、延长爆压作用时间来提高爆破的有效能量利用率[1]，该技术已普遍应用在爆破施工过程中.文献[2]通过数值模拟对不同装药结构及不同空气比情况下炮孔近区混凝土损伤的破坏机理进行了研究；文献[3]运用动光弹实验论证了合理的孔底空腔能有效地降低爆炸峰值压力和保护建基面；文献[4-5]分别从模型实验和动态测试对空气间隔装药机理进行了深入的研究.2002年，歪头山铁矿采用了空气间隔装药技术，减少了炸药单耗，降低了采矿综合成本，提高了爆破效果[6].基于以上研究成果，运用显示非线性动力分析软件LS-DYNA，从峰值振速衰减率角度对某土石方爆破工程中使用的孔底空气间隔装药技术的减震效应进行了论证，以期为同类工程提供可借鉴的研究方法.

1 数值模拟分析

1.1 选取的炸药参数和控制方程

采用高能炸药模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL状态方程[7]，该方程是专为描述炸药等含能材料爆炸时的压力特性而设定的一种状态方程，其表达式为

(1)

式中，V是体积变化，E0，R2，ω，B，R1和A是材料常数.

数值模拟中选用的是2号岩石乳化炸药，炸药的密度是950 kg/m3，爆轰速度是4 000 m/s，状态方程中的各参数取值分别为E0=4.5e+9,R2=0.9,ω=0.3,B=0.529e+9,R1=3.5，A=47.6e+9.选取岩石的相关参数见表1.

表1 数值计算中采用的岩石力学参数Tab.1 Mechanical parameters of rock in numerical simulation

1.2 空气的参数选取和控制方程

空气选用的是LS-DYNA中的MAT_NULL材料，控制方程选用的是线性多项式状态方程，该状态方程可以用来模拟气体的动力学行为[8]，方程形式如下所示：

(2)

式(2)中，C1～C6为常数；μ为比体积；E为内能与初始体积之比.空气参数选取见表2.

表2 空气参数选取Tab.2 Parameter of air

选用LS-DYNA材料模型库内的各向异性弹塑性模型来模拟炸药在岩体中的爆破问题[9].根据实际工况，分别建立孔底空气层比例10%和轴向耦合装药装药结构模型，主爆孔直径为140 mm，台阶高度为10 m，炮孔深度为11 m，其中超深1 m、最小抵抗线5 m、堵塞长度4.5 m，底部空气间隔和轴向耦合装药长度分别为 5.85 m和6.5 m，底部起爆，建模时采用的单位是m-s-kg，计算时间为0.06 s，采用多物质流固耦合算法.考虑到炸药产生的爆轰能量会以地震波的形式在基岩中传播，故在模型底部建立厚1 m的岩石，底部和侧面均设置为无反射边界，以坡顶线中心点(20,22,1)为基点，沿炮孔中心轴线剖面，分别对耦合装药和孔底10%空气层比例模型以10 m为步距选取相同爆心距节点并提取峰值振速，有无底部空气间隔装药峰值振速对比分析如表3所示，装药结构和台阶爆破模拟测点选取分别如图1(a，b)所示.

图1 装药结构模型和有限元模型Fig.1 The structure model and the finite element model in charging

爆心距/m水平径向垂直向水平切向峰值振速/(m·s-1) 峰值振速/(m·s-1)峰值振动速度/(m·s-1)耦合装药底部间隔10%减震率/%耦合装药底部间隔10%减震率/%耦合装药底部间隔10%减震率/%151.689 41.334 9320.981.723 811.290 2925.150.087 7460.073 37916.37251.491 051.198 2319.641.080 670.819 6724.150.071 080.058 60817.55351.250 911.013 2519.000.792 1140.612 13122.720.055 8630.047 55714.87451.055 520.876 99216.910.659 880.518 78721.380.042 6020.034 49419.03550.847 0760.726 15414.270.433 960.349 15919.540.027 6260.025 9076.22

图2 典型峰值振速对比分析图(R=15 m)Fig.2 Comparison figures of typical peak particle velocity(R=15 m)

由表3可知，底部间隔装药有很好的减震作用，当爆心距为15 m时，水平径向、垂直向和水平切向减震率分别为20.98%，25.15%和16.37%；当爆心距为25 m时，水平径向、垂直向和水平切向减震率分别为19.64%，24.1%和17.55%；当爆心距为35 m时，水平径向、垂直向和水平切向减震率分别为19.00%，22.72%和14.87%；当爆心距为45 m时，水平径向、垂直向和水平切向减震率分别为16.91%，21.38%和19.03%；当爆心距为55 m时，水平径向、垂直向和水平切向减震率分别为14.27%，19.54%和6.22%.表3的数据表明，孔底空气间隔装药距离爆源越近降振效果越好，但随着爆心距的增大减震率有逐渐变小的趋势.各向峰值振速典型历程曲线对比如图2所示.

2 结论

通过数值模拟从峰值振速角度对底部间隔装药空气层比例为10%的降振作用进行了分析，得出以下结论：

(1)底部空气间隔装药对降低爆破震动有一定的作用且可减少爆破生产的经济成本.

(2)底部空气层比例为10%的空气间隔装药技术在爆源附近垂直向峰值振速衰减率最大，最高可达25%.

(3)对孔底空气间隔装药爆源近区的数值模拟可弥补现场实验测振仪器不能靠近爆源的不足，实际工况岩体存在节理裂隙，爆炸应力波衰减较快，故数值模拟值大于实测值，但对减震率无多大影响.

参考文献：

[1] 朱红兵，卢文波，吴亮.空气间隔装药爆破机理研究[J].岩土力学，2007，28(5)：986-990.

[2] 吴亮，卢文波，钟冬望，等.混凝土介质中空气间隔装药的爆破机理[J].爆炸与冲击，2012，30(1)：58-64.

[3] 陈先锋，孙金华，王玉杰，等.孔底空腔爆炸应力场分布的动光弹试验研究[J].2005，20(4):623-627.

[4] 曹寄梅，赵卫东，刘朝红，等.深孔爆破孔底充填缓冲吸能材料减震试验研究[J].中国安全科学学报，2010，20(4)：120-123.

[5] 岳中文，杨仁树，陈岗，等.切缝药包空气间隔装药爆破的动态测试[J].煤炭学报，2011，36(3)：398-342.

[6] 李彬.气囊间隔技术在歪头山铁矿爆破生产中的应用[J].金属矿山,2003(8)：59-60.

[7] 张袁娟，黄金香，袁红.缓冲爆破减震效应研究[J].岩石力学与工程学报,2011，30(5)：967-973.

[8] 白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京：科学出版社，2005.

[9] 柴修伟，梁开水.水下炮孔爆破不同方向的水中冲击波传播特性研究[J].爆破，2012，29(1)：19-22.