定向控制爆破技术研究

李建虎

摘要：为了降低爆破对围岩的损伤，采用定向控制爆破技术。通过数值模拟的结果，得到定向控制比普通光面爆破效果更好的结果。

关键词：围岩损伤;定向控制;光面爆破;数值模拟

概述

在隧洞爆破过程中，围岩往往受到影响：原有的节理和裂隙发育并会产生新的裂隙。在爆破时面临两个重要问题：一用最有效的方法将岩石进行破碎;二降低爆破对开挖范围外岩石的损伤，保证爆破后围岩的稳定。光面爆破是设计轮廓的方法。

在普通光面爆破中，形成炮孔间贯通裂纹的同时会破坏围岩，轮廓线外围巖的强度和稳定性被削弱。定向控制爆破技术中，炮孔内装药形成的爆炸荷载具备方向性，促使裂纹沿着炮孔间连线方向产生和发育，围岩的损伤和扰动得到降低，爆破成缝效果明显。

1控制爆破成缝理论

围岩裂纹、裂缝的扩展情况常常包含亚临界、临界、稳定扩展、终止等状态，围岩裂纹扩展速度与其对应的不同扩展状态一致。

1.1力学成缝理论

由线性力学的知识可知：当破坏材料处于受拉状态时，裂纹呈张开状态，（I型裂纹），用强度因子KI表示围岩裂纹尖端的应力强度。由于爆炸作用力是瞬时应力作用的过程，因此，在进行应力强度因子计算时，应考虑动态效应。

当初始裂纹尖端的应力强度因子为KI时，则裂纹尖端所产生的内应力为σr。当外部应力越大时，KI变大，σr也就越随之变大。当σr足够大时可使围岩发生分离，造成裂纹失稳，则围岩发生断裂形成裂缝，此时强度因子称临界应力强度因子KIC。

1.2定向控制爆破成缝机理

光面爆破是巷道掘进中必不可少的一种爆破技术，它是控制爆破中的一种方法。从炮孔壁上初始裂纹形成机制分析，采用切槽爆破机理。切槽爆破实质就是将爆破的圆形孔断面结构改为带锥形的刻槽孔。结论表明，在裂纹尖端区域内，θ=0能够满足应变能密度因子取得极小值Smin的条件，同时，裂纹将沿θ=0方向扩展，初始裂纹在爆生气体准静态压力作用下将沿原裂纹平面进行扩展。

2控制爆破数值模拟研究

LS-DYNA是非线性动力分析程序，能够模拟工程中的复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，求解二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸等非线性动力冲击问题更为合适。

2.1材料模型

（1）炸药材料模型及状态方程

高性能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN通常被选用。此材料可以比较准确的描述炸药的物理化学性质，当炸药起爆后，炸药单元体内的压力用状态方程JWL来表示，模拟时，选用爆破许用三级乳化炸药。

（2）空气材料模型及状态方程

空气的材料模型通常采用空材料模型，用线性多项式状态方程来模拟空气，该状态方程的用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述，其内能呈线性分布。

空材料模型参数如表2-1所示：

（3）岩石材料模型及状态方程

岩石材料模型采用随动硬化材料模型。

多数情况下，岩石的状态方程选用Gruneisen状态方程。

岩石材料为石灰岩，根据实测力学参数来测试结果进行模拟，具体参数见表2-2。

（4）PVC管材料模型及状态方程

PVC管材料模型采用理想弹塑性材料本构模型，其材料主要参数如表2-3所示。

2.2普通光面爆破和定向断裂爆破数值模拟对比

（1）计算模型及网格划分

数值模型主要有炸药、空气和岩石三部分组成，模型划分32193个单元，包括炸药单元数为1287个，空气单元数为1200个，岩石单元数为29706个。模型中采用的单位制：长度-cm，质量-g，时间-μs;导出单位：速度-cm/μs，加速度- cm/μs2，应力-Mbar，密度-g/cm3。

在模型上选取九个有代表性的单元来记录各个单元上的应力-时间曲线，具体为：将炮孔连线方向定义为Y轴，垂直于炮孔连线方向定义为X轴。在Y轴上等距的选取四个代表性的单元，沿X轴选取五个代表性的单元，通过这些代表性的单元记录应力波扩展到中点O时各单元处的应力变化历程。基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，建立普通光面爆破和周边孔定向控制爆破计算模型，得到如下结论：

（1）传统光面爆破技术，炮孔内装药爆破后，在形成炮孔间贯通裂隙的同时，也在炮孔的其它方向造成裂纹，对围岩造成破坏。而在定向断裂爆破技术中，因为运用特殊的装药方式，形成的爆炸荷载具有明显的方向性，促使裂纹在炮孔间连线方向优先发生的发育，降低了因为爆破对围岩造成的损坏，爆破效果明显提高。

（2）炮孔连线方向上的爆炸作用力增加，有利于产生初始裂隙及导向裂纹。又因为初始导向裂纹的存在，从而减少了炮孔裂纹起始方向的随机性，有助于改善周边控制爆破成形质量、爆破引起的围岩失稳现象。

（3）在垂直于炮孔连线方向上，聚能管产生的有效应力减小，也降低爆破震动效应。采用定向控制爆破技术还可以减少炮孔装药量，减少切缝孔数量，提高炸药能量利用率。

参考文献

[1].崔正荣，汪禹仪，海豹，等.深部高地应力条件下双孔爆破岩体损伤数值模拟及试验研究[J].爆破，2019，6：59-64.