预裂缝长度对爆破效果的影响

张袁娟，王幸荣，王凤凰

(1.河南工程学院 安全工程学院， 河南 郑州 451191；2.湖北宜化集团矿业有限责任公司， 湖北 宜昌 443000)

预裂缝长度对爆破效果的影响

张袁娟1，王幸荣2，王凤凰2

(1.河南工程学院 安全工程学院， 河南 郑州 451191；2.湖北宜化集团矿业有限责任公司， 湖北 宜昌 443000)

为了研究预裂缝长度对爆破效果的影响，运用大型动力显式软件LS-DYNA对长度分别为5 m和7 m的预裂缝与贯通裂隙对爆破效果的影响进行了模拟，从峰值振速衰减的角度结合数值模拟结果得出结论：针对3种工况，预裂缝越长，减震效果越好，预裂缝对峰值振速存在的屏蔽区也受预裂缝长度的影响.结论对预裂爆破的研究及爆破参数的设置有一定的借鉴作用. 关键词：预裂缝；爆破效果；LS-DYNA;数值模拟；峰值振速

预裂爆破作为一种控制爆破技术已经被广泛应用于矿山开采和路堑开挖中.预裂爆破是沿开挖的轮廓钻孔不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区起爆前起爆，形成一条预裂缝，以阻隔裂隙向预裂边坡延伸并降低爆破振动对预留边坡的扰动[1],在工程中有重要的意义.相关学者也对此进行了研究,文献[2]针对具体的边坡进行了大量的预裂爆破，得出了适合具体工况的预裂爆破参数，通过数值模拟技术结合理论分析推导出了爆破参数选取公式,论证了数值模拟结合理论分析方法的正确性和实用性；文献[3]讨论了预裂爆破在某电站岩体开槽爆破中的应用，取得了良好的效果；文献[4]从力学的角度出发，以预裂缝高度为依据将爆炸应力波分成上部应力波和底部应力波，应用节理刚度模型和应力波理论分析了预裂缝对爆破的降振作用；文献[5]针对某具体矿山成功案例进行了分析,对预裂爆破相关的几个参数进行了统计，该矿山运用预裂爆破技术得到了很好的效果.本课题对维护矿山边坡稳定的预裂缝进行了数值模拟分析，通过峰值振速的衰减研究了预裂缝长度对爆破效果的影响，以期扩充预裂爆破的研究内容.

1 数值模拟

1.1 炸药参数和控制方程

炸药采用高能炸药模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，控制方程为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，表达式[6-10]为

(1)

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

1.2 材料参数的选取

选用2号岩石乳化炸药，具体参数如下：炸药的密度为1 310 kg/m3;炸药的爆轰速度为5 500 m/s.岩石的力学参数选取如表1所示.

表1 花岗岩弹塑性动力学模型材料参数Tab.1 Material parameters of elasticplastic dynamic model of granite

数值模拟中，LS-DYNA中的MAT_NULL材料被用来模拟空气，控制方程选用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，方程如下：

表2 空气参数Tab.2 Parameters of air

p=C1+C2η+C3η2+(C4+C5η+C6η2)E，

(2)

式中：p为压力，Pa；V为初始相对体积；C1～C6为常数；η为比体积；E为内能与初始体积之比.

空气参数的选取见表2.

2 数值模拟

图1 预裂缝俯视图Fig.1 Planform pre-splitting crack

2.1 数值模拟模型

为了研究在动载作用下预裂缝对爆破地震波的影响，模型选用参数模型如图1所示，建模单位为cm-g-μs.为了减少人为边界对数值模拟结果的影响，除了顶面，其余5面均设置为无反射边界，以解决缝隙间结构面相闭合问题.裂缝间界面，非贯穿裂缝底部为自由面，贯穿裂隙底面设置为无反射边界，主爆孔采用耦合装药，计算时间设置为0.15 s.

2.2 数值模拟结果分析

在数值模拟过程中，假定预裂缝的缝宽r=4 cm和缝深h=8 m不变，对长度分别为5 m和7 m的预裂缝与贯通裂缝进行数值模拟，提取一定爆心距(R)处的峰值振速.本课题仅从水平向峰值振速进行分析，对其规律没有影响，提取的典型历程曲线如图2至图4所示.

图2 预裂缝长为5 m时的峰值振速典型历程曲线Fig.2 The typical process curve of the peak velocity with pre crack length 5 m

图3 预裂缝长为7 m时的峰值振速典型历程曲线Fig.3 The typical process curve of the peak velocity with the pre crack length 7 m

图4 预裂缝为贯穿裂隙时的峰值振速典型历程曲线Fig.4 The typical course curve of the peak vibration velocity with through crack

针对所提取的典型历程曲线，为了更好地表述和体现峰值振速的衰减规律，对峰值振速随着爆心距的衰减规律进行了分析，如图5所示.

图5 预裂缝后峰值振速随着爆心距衰减规律Fig.5 The attenuation law of the peak vibration velocity along with the explosion center distance

由图5可知，爆破振动的绝大部分衰减发生在爆源的近区，随后衰减速度变慢.由于预裂缝对爆破地震波的屏蔽作用，使得距离爆源较近时峰值振速较小，原因是预裂缝的存在.当地震波预传播到裂缝位置时，由于预裂缝内介质——空气的波阻抗远远小于岩石介质，所以绝大部分地震波要绕过预裂缝，通过其底部进入保护区进行传播，此过程也增加了地震波的传播距离，故会存在峰值振速屏蔽区.地震波传播到保护区后，峰值振速又缓慢回升，然后随距离的增加而衰减.因此，在非贯通预裂缝的前提下，预裂缝越长,直接传递到保护区的地震波就越少.针对3种工况，得出了随着预裂缝长度的增加屏蔽区也增加的理论.并且,随着预裂缝长度的增加，屏蔽效果越来越好.当预裂缝长度为5 m时，峰值振速v=17.63 cm/s;当预裂缝长度为7 m时，峰值振速v=12.49 cm/s;贯通裂隙的峰值振速最小，v=2.73 cm/s.因此，预裂缝的长度对爆破效果有着重要的影响.

3 结论

(1)预裂缝对爆破振动峰值振速有一定的屏蔽区存在，针对3种工况，屏蔽区随着预裂缝长度的增加而增加且在屏蔽区内峰值振速较小.并且,随着预裂缝长度的增加，预裂缝的减震效果越来越好.

(2)数值模拟中假定岩体为同性的均质体，但在实际工况中岩体存在节理裂隙.因此，实际工况中的爆破振动衰减更快，故数值模拟结果大于实际爆破工况数值，但对其规律性无影响.

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Study on the effect of pre-splitting crack length on blasting

ZHANG Yuanjuan1, WANG Xingrong2, WANG Fenghuang2

(1.CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China；2.HubeiYihuaMiningCo.,Ltd.,Yichang443000,China)

In order to study the effect of pre-splitting crack length on the blasting, numerical simulation is carried out on the pre-splitting crack of length of 5 meters,17 meters and penetrative cranny using the explicit nonlinear dynamic analysis finite element program LS-DYNA, through the attenuation law of peak vibration of the three kinds of working conditions and numerical simulation results, it is obtained that the longer the pre-splitting crack is, the better the shock absorption effect will be. The shielding area of the pre-splitting crack is affected by the length of pre-splitting crack. The conclusions of this paper have some reference to study pre-splitting blasting and the setting of the blasting parameters.

pre-splitting crack; blasting effect; LS-DYNA; numerical simulation; peak particle velocity

2016-11-12

国家自然科学基金(51104111)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B440005)；河南工程学院博士基金(D2013022)；郑州市科技攻关项目(141PPTGG375)

张袁娟(1983-)，女，陕西渭南人，讲师，博士，主要研究方向为安全工程.

O38

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1674-330X(2017)02-0024-04