基于LS-DYNA的减震沟减震效应研究

基于LS-DYNA的减震沟减震效应研究

张袁娟1,2，王公忠1,2

(1. 河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；

2.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)

摘要：为了研究减震沟的减震作用，运用大型动力分析软件LS-DYNA，基于具体工况分别对有减震沟和无减震沟的露天矿台阶爆破进行数值模拟.结果表明，减震沟距离爆源越近，减震效果越好,减震率最高可达77%，为减震沟的减震效应研究和类似工况提供了理论支持.

关键词：减震沟；LS-DYNA；减震率；台阶爆破；数值模拟

中图分类号：O38文献标志码：A

收稿日期：2014-12-08

基金项目：河南工程学院博士基金(D2013022)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B440005)；郑州市科技攻关项目(141PPTGG375)

作者简介：张袁娟(1983- )，女，陕西渭南人，讲师，博士,研究方向为爆破工程.

大孔径大孔网参数在爆破施工中的普遍应用导致爆破震动对邻近建构筑物的影响成为亟待解决的问题之一.减震沟作为一种有效的减震手段，广泛被应用于爆破施工过程中.减震沟主要用来阻隔和干扰爆破地震波的传播，使地震波发生反射、绕射，加快爆破地震波的衰减，从而起到减震的作用.易长平[1]等通过数值模拟得出了减震沟的减震效果随减震沟深度的增加而增加、减震沟的宽度变化对减震意义不大的结论.郭涛[2]等对不同位置的减震沟进行了数值模拟，得出当减震沟与保护目标较近时减震效果较好，当减震沟与保护目标较远时减震效果较差的结论.顾宏伟[3]等对两道减震沟的隔震效果进行了数值模拟，得出较深的减震沟排列靠近爆源可以提高减震沟的隔震效果，而两道宽度不同的减震沟的排列顺序对减震沟的隔震效果没有影响的结论.潘涛[4]等对减震沟的参数进行了不同多组数值模拟，得出除减震沟的宽度外，减震沟的爆心距、长度、深度对减震沟的减震效果均有显著影响的结论.本研究基于具体的露天矿台阶爆破工况，运用大型动力分析软件LS-DYNA对有减震沟和无减震沟的露天矿台阶爆破进行了数值模拟，以期对类似工况有一定的指导意义.

1本构模型和参数选取

1.1　炸药参数和控制方程的选取

查阅相关文献，本研究中炸药采用高能炸药模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，控制方程选择JWL状态方程，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[5]，其表达式为

(1)

式中，p为压力；V为体积变化;R1，R2，ω，B和A为材料常数；E0为初始比内能.

数值模拟中，选用的2号岩石乳化炸药密度为950 kg/m3，状态方程中的各参数取值[6-9]分别为E0=4.5E+9, R2=0.9, ω=0.3, B=0.529E+9, R1=3.5，A=47.6E+9，炸药的爆轰速度为3 600 m/s.岩石力学参数的选取如表1所示.

表1　计算中所取岩石力学参数 Tab.1　Mechanical parameters of rock in numerical calculation

1.2　构建数值模拟模型

根据露天矿的具体工况，分别建立有减震沟和无减震沟两种工况的数值模拟模型，主爆孔直径为90 mm，台阶高度为10 m，炮孔深度为10.5 m，其中超深为0.5 m，堵塞长度为3 m，最小抵抗线为3 m.在有减震沟的数值模拟模型中，减震沟宽2 m、深3 m、距台阶顶部3 m，主爆孔距坡底线均为6 m.两种工况的主爆孔距离坡底线距离相同，均采用耦合装药方式，底部起爆，计算时间为0.05 s.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，所以模型底部建立0.5 m厚的岩石，底部和侧面均设置为无反射边界，以实现减少计算模型、计算时间和提高计算精度的目的.两种工况的数值模型剖面图如图1所示.

图1　数值计算尺寸模型 Fig.1　Dimension model

因建立的两种工况的数值模型不同，所以单元划分网格节点不同.为了叙述方便，记两种模型自坡顶线中心节点依次为N1，N2，N3，N4和N5，减震沟在节点N1和N2之间，沿炮孔中心轴线做剖面，分别对有减震沟和无减震沟两种工况模型以10 m为步距选取相同爆心距的节点并提取峰值振速.以有减震沟工况数值模型为例，节点选取情况如图2(a)所示，无减震沟工况选取的位置相同，这里不再赘述.图2(b)与图2(c)分别为无减震沟和有减震沟两种工况的典型历程曲线.

图2　节点选取示意图和峰值振速典型历程曲线 Fig.2　Chosen points and typical curve of the peak particle velocity

有减震沟和无减震沟两种工况的峰值振速相差比例计算方法如下式所示：

(2)

式中, η为减震率； Vw为无减震沟的峰值振速； Vy为有减震沟的峰值振速.有减震沟和无减震沟的工况峰值振速对比见表2.

表2　有减震沟和无减震沟两种工况的峰值振速对比 Tab.2　Difference proportion of each point in the two conditions

由表2可看出，减震沟可以起到很好的降振作用，减震率在水平径向最高可达51.4%,垂直向最高可达59.6%,水平切线最高可达77%.由于爆破能量的衰减发生在爆源近区,所以,基于具体工况,结合减震率表明,离爆源越近,减震效果越好.

2结论

(1)距离爆源越近，减震沟的减震效果越好，减震率最高可达77%.

(2)数值模拟分析从理论上为减震沟的减震效应和相似工况减震沟的位置选择提供了依据.由于数值模拟中假定的岩体为均质岩体，故数值模拟数据大于现场实测数据，但对规律性无影响.

参考文献：

[1]易长平，陈明，卢文波，等.减震沟减震的数值模拟[J].武汉大学学报:工学版，2005，38(1)：49-52.

[2]郭涛，高振儒，范磊.不同位置条件下减震沟减震效应的数值模拟[J].爆破器材，2010(4)：7-9.

[3]顾宏伟,赵燕明,李秀地.两道减震沟隔震效果的数值模拟研究[J].爆破，2007，24(1)：21-25.

[4]潘涛，康强，赵明生.减震沟相关参数对减震效果影响的数值模拟[J].金属矿山，2013(5)：45-48.

[5]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.

[6]张袁娟，黄金香，赵翔，等.2种不同性能炸药爆破振动效应研究[J].煤矿安全，2014(8)：5-7.

[7]时党勇，李裕春，张胜民．基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显式动力分析[M]．北京：清华大学出版社，2005．

[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]张袁娟，孙文标，黄金香，等.孔底空气间隔装药空气层最佳比例确定方法[J].中国煤炭，2014(1):46-49.

Study on damping effect of damping ditch by using LS-DYNA

ZHANG Yuanjuan1,2，WANG Gongzhong1,2

(1.CollegetofSafetyEngineering,HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191，China；

2.HenanProvinceUniversitiesKeyLaboratoryBreedingBaseofCoalMineDisasterPreventionandControl

Laboratory，HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract:In order to study the damping effect of damping ditch, the explicit nonlinear dynamic analysis finite element program LS-DYNA is used based on the specific conditions. The two different numerical models with damping ditch and without damping ditch are made respectively to study the damping effect of open-pit blasting. Numerical simulation results show that the nearer the damping ditch from the explosion source is, the better the damping effect will be, and the biggest decreasing amplitude ratio can reach to about 77%, it provides the theoretical support for the research of damping effect of damping ditch and similar conditions.

Key words:damping ditch；LS-DYNA；decreasing amplitude ratio；bench blasting;numerical simulation