数值模拟在爆破工程教学中的应用探讨

张袁娟，可　杰，农冬灵

（1.河南工程学院安全工程学院，河南郑州451191；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；3.郑州宇通集团有限公司，河南郑州450016；4.北京市地质矿产勘查开发总公司，北京100050）

数值模拟在爆破工程教学中的应用探讨

张袁娟*1,2，可杰3，农冬灵4

（1.河南工程学院安全工程学院，河南郑州451191；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；3.郑州宇通集团有限公司，河南郑州450016；4.北京市地质矿产勘查开发总公司，北京100050）

针对爆破工程课程教学过程中存在的抽象的问题，引入数值模拟技术，对其中的抽象问题进行分析，举例对台阶爆破和间隔装药进行了数值模拟建模分析，论证了数值模拟技术在爆破工程教授过程中的应用及其意义，对类似课程的教学提供了可借鉴的理论。

爆破工程；数值模拟；举例分析；台阶爆破；间隔装药

1　概述

随着爆破工程技术在采矿和路桥建设中的普遍应用，且爆破技术作为采矿工程的主干课程，其学习和应用对采矿工程专业的就业和发展有很大的意义，但是在讲授爆破工程课程中由于其研究对象的破坏性和不可重复性，使得现场试验具有一定的困难，因此在讲授相关课程的过程中，学生普遍反映存在抽象、晦涩难懂的问题，笔者将根据教学需要引入数值模拟技术作为辅助教学手段。

数值模拟是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁，其在爆破方面的应用是通过采用接近实际的数学物理模型，对岩石的动态破坏现象进行模拟，用以展示岩石爆破整个作用过程和效应，从而有助于深入认识了解岩石爆破作用机理；在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法，同时数值计算结果的可靠性又可通过实验研究得到佐证［1-2］。学习和了解数值模拟对爆破工程的学习有一定意义，尤其针对初学者，因此，本文结合笔者多年的教学和学习过程，对数值模拟技术在爆破工程教学课程教学过程中的意义进行阐述。

2　我校爆破工程学习现状

由于爆破工程学科属于专业基础课，在学习了基本的学科《流体力学》、《岩石力学》、《高等数学》和计算机相关技术后进行学习，有力学和数学基础后，爆破工程相关的数值模拟的学习将会有一定的基础。另外，爆破工作作为井巷工程的前奏可以有承上启下的衔接作用。

且在现有的爆破工程课程的学习过程中，由于教材众多，教材讲述的重点不尽相同，导致学生在学习过程中教辅课本选择有困难，并且本校的学科背景为煤矿，由于学科背景的特点，多偏重瓦斯和放火方面知识，导致本校的学生对爆破工程的应用以及发展知之甚少，因此，上课过程中学生普遍提不起学习兴趣，课程受不到足够的重视，因此，教学过程中的生动和形象化对讲授效果有重要的影响。

爆破工程技术作为矿山开采的重要技术之一，学习好爆破工程对学生的毕业设计和就业大有裨益。因此学习数值模拟在爆破工程课程中的应用有重要的意义，在爆破工程中对课程的掌握有很强大辅助的作用。

3　数值模拟技术在爆破工程教授过程中的应用

（1）应用案例1：台阶爆破。台阶爆破是工作面以台阶形式推进的爆破方法，台阶爆破已经广泛的应用于矿山、铁路、公路和水利水电等工程中，而且有数据表明我国今年来露天矿开采的产量比重，铁矿石占90%，有色金属矿石占52%，化工原料占70.7%，建筑材料几乎100%，可见台阶爆破应用的广泛性［3-5］，更加体现了其的重要性，但是关于台阶的相关参数理解，学生普遍反映理解有一定的困难，但是本校没有可以进行试验的平台和仪器，也无露天矿模型可以参观，因此理解的过程中依赖数值模拟技术较为实际。以下为笔者借助数值软件LS-DYNA建立的台阶爆破模型。如图1所示，可以清楚地看到台阶的平台以及炮孔的布置，对露天矿的直观了解可以加深学生的记忆。

图1　台阶爆破数值模拟模型

（2）应用案例2：间隔装药。间隔装药方式属于装药结构一种，装药结构是指装药在装填时的状态，在露天深孔爆破时候，分为连续装药结构、分段装药结构、孔底间隔装药结构和混合装药结构，因为孔底间隔装药可以做到：①孔底间隔装药中空气可以起到降低爆炸冲击波的峰值压力，减少炮孔周围岩石的粉碎性破坏；②岩石受到爆炸冲击波的作用后，还受到爆生气体所形成的压力波和来自炮孔孔底的反射波作用，因此可以有效地增加岩石的微裂隙扩展；③可以有效地延长应力的作用时间，因为冲击波作用于堵塞物或孔底后又返回到空气间隔中，由于冲击波作用多次，所以增加了作用时间，因为有以上的优点，所以，孔底间隔装药技术在改善爆破效果方面得到了广泛的应用［6-10］，但是学生在学习过程中对孔底间隔装药技术的理解很不全面，因此，必须借助数值模拟技术对其进行有效的诠释，以下为间隔装药的数值模拟过程。

图2　数值模拟台阶爆破间隔装药模型

图2为数值模拟建模可以清晰的把台阶爆破呈现出来，图3为底部间隔装药数值模拟装药结构，底部为空气，上部为炸药，图4为计算结果的第一主应力曲线，可以直观观察第一主应力随时间变化过程，因为岩体在现实中往往存在节理裂隙，模型的建立选取了理想状况下，因此，结果和实际结果有一定差距，但是其直观和规律以及可预见性是不容置疑的，对控制爆破等爆破技术的预先计算作用是得到了广泛肯定的，对爆破工程教学有很大的帮助作用。

4　结论

图3　底部间隔装药装药示意图

图4　第一主应力数值模拟历程曲线

本文对数值模拟在爆破工程中的应用进行了阐述，并针对我校的爆破工程讲授内容以及存在的问题进行分析，并进行了举例分析数值模拟技术在爆破工程课程教学过程中的作用。结果表明，数值模拟技术可以形象地呈现教学内容，并且可以有效地提高学生的学习兴趣，学生可以直观地感受到爆破工程课程的学习意义，提高学习质量。

［1］王玉杰.爆破工程［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2007.

［2］戴俊,王树仁.爆破工程［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］王玉杰.爆破安全技术［M］.北京：冶金工业出版社，2005.

［4］刘殿中.工程爆破实用手册［M］.北京：冶金工业出版社，1999.

［5］张世雄.固体矿物资源开发工程［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2005

［6］戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算［J］.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2001，20（2）：144-147.

［7］白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析［M］.北京：科学出版社，2005：70-72.

［8］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.

［9］康强.裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试验研究［D］.武汉理工大学，2012.

［10］A.H.哈努卡耶夫.矿岩爆破的物理过程［M］.刘殿中，译.北京：冶金工业出版社，1980.

TD235.4

B

1004-5716（2016）01-0195-02

2015-09-30

2015-10-08

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）。

张袁娟（1983-），女（汉族），陕西渭南人，讲师，现从事安全工程专业教学工作。