裂隙岩体空气间隔装药数值模拟研究*

王园园，琚芳芳，康强

(1.贵州建设职业技术学院， 贵州 贵阳 551400；2.保利新联爆破工程集团有限公司， 贵州 贵阳 550002)

在岩体力学理论分析中，绝大部分情况下都是基于完整各向同性岩体的假设开展研究，但是在实际工程施工当中完整岩体是难以遇见的特殊情况，节理裂隙岩体是自然岩体的普遍情况。节理裂隙的存在，导致了自然岩体显著的各向异性，对于工程爆破效果有显著影响。爆破的三种主要爆破作用形式，爆轰波、应力波及爆生气体均受到节理裂隙构造的显著影响。对于爆轰波与应力波，在节理裂隙处由于物理上的分隔状态，会受到显著的隔断作用的影响，导致节理裂隙后岩体的破碎效果。对于爆生气体，节理裂隙的存在一方面同样限制了爆生气体的准静态压力对岩体的作用范围，另一方面裂隙岩体在爆破作用下裂隙贯通，导致了爆生气体准静态压力的快速下降，导致爆生气体作用的下降。

在合适条件下，合理的空气间隔装药形式能够降低成本并控制爆破效果。节理裂隙岩体条件下的空气间隔装药爆破，目前相关研究十分少见，由于涉及岩体不完整性与各向异性以及特殊的装药形式，裂隙岩体空气间隔装药将涉及较多的条件影响，在影响因素众多的条件下能否实现间隔装药以及如何实现降本增效的目的是一个有待研究的课题。

1 空气间隔装药原理概述

根据有关实验研究，空气间隔装药条件下，爆破应力波对岩石的作用时间相比连续耦合装药可以延长达5倍的程度。除了该作用以外，在空气间隔层位于中部的情况下，由于上下装药段分别同时起爆，当冲击波在炮孔中部的间隔区域相遇时，由于波的叠加作用，在间隔位置理论上可以产生更强的爆破作用效果。

以往的实验与理论研究普遍认为空气间隔装药能够有利于改善爆破效果，文献[1-2]总结相关研究并开展理论推导，认为空气间隔装药的合理间隔比例在10%～40%，且基于理论推导提出存在一个最优的间隔比例，使空气间隔装药爆破效果达到峰值，低于或高于该比例间隔爆破效果都会有所降低。

根据空气间隔装药的有关理论，空气间隔装药理论作用的实现依赖于空气层的储能作用[1-3]，因此必然需要以空气层的稳定存在为基础。如果岩体不完整，岩体中自然存在的节理裂隙在间隔装药位置出现，且在爆破过程中受爆破作用过早贯通扩大，将不利于空气层的稳定存在，发挥储能作用。因此，本研究主要针对垂直节理，在爆破后的一定时间内节理不会在间隔位置贯通，对间隔位置空气层发挥作用不产生直接的影响。

2 数值模拟

数值模拟采用ANSYS/LS-DYNA模拟软件，通常采用Lagrangian、Eulerisn、ALE这3种方式对岩体爆破展开模拟。模拟空气间隔装药，由于模型中存在空气，在爆破模拟中容易产生过大的畸变导致运算过程的中止，因此不适合采用网格变形的Lagrangian算法，而适合采用可以控制网格畸变的Eulerisn、ALE方法[4]。本模拟采用ALE算法，以保证模拟运算的运行。

2.1 模型及参数

现实中的岩体状态迥异，岩体不完整、各向异性，理论分析与模拟分析中均需要对实际条件进行合理简化。该模拟所用模型为单孔爆破，如图1所示空气间隔位于装药正中部间隔比例20%，即 1.2 m，上下两端装药均为自底部的反向起爆方式[5]，边坡面简化为垂直面。为了提高运算效率，采用单位厚度模型，共有单元8.9万个，节点17.9万个。图1中模型前后两面约束垂向位移模拟对称面，AB、BC、CD这3面均施加无反射边界模拟无限介质条件。模拟只针对垂直节理，包括闭合节理与充填节理，节理面与岩体间采用面面接触定义。闭合节理为贯通闭合节理，节理间距分为30，60 cm，且模型设置为靠近边坡一侧有节理，边坡内侧无节理，两者形成对比。充填节理厚度为 1 mm，间距 40，60，80 cm。

图1 模型尺寸

该模型的岩石介质采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料（简称JHC材料）进行模拟，充填节理介质采用塑性动力学材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC定义，炸药、空气分别采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_NULL材料及其各自相关状态方程*EOS_JWL、*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL定义。JHC材料是为混凝土材料的模拟问题而出现的一种模拟材料，由于混凝土与岩石性质接近，因此也适用于模拟岩石，常用于岩土爆破等冲击荷载下的破坏过程，并可以显示介质的压剪损伤破坏范围[6-7]。*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料可描述各向同性硬化和随动硬化塑性模型，还可以考虑应变率的影响，同样在岩石爆破中广泛应用于模拟岩石及土壤的爆破。由于模拟的充填节理与实际的充填节理差异较大，参考相关研究文献中的土壤模拟参数[8-10]，空气材料采用标准密度1.29 kg/m3；炸药材料参数为：密度 1300 kg/m3，爆速 4000 m/s，爆压 5.5 GPa。岩石与节理材料及炸药、空气状态方程参数取值见表1～表4。

表1 JHC材料参数

表2 MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料参数

表3 炸药状态方程相关参数

表4 空气状态方程相关参数

2.2 模拟结果及分析

图2为无节理及上述几种闭合与充填节理条件下岩体在750 μs的等效应力分布情况，其中闭合节理为靠近边坡一侧存在节理，与无节理的另一侧形成对比。对比图2可知，在节理存在的条件下，等效应力的作用范围有显著变化，显著小于无节理的状态，且随着节理间距的减少，等效应力作用范围进一步减小。对比闭合节理有无节理两侧的等效应力作用范围，节理影响下范围显著下降约1/3～1/2。

图2 不同条件750 μs时等效应力云图

为了进一步分析节理的作用，在间隔位置中部法向靠边坡一侧，选取了从距离孔壁 45～270 cm的共 6个单元点对比不同条件下的最大等效应力，通过对比最大等效应力的变化值，可以反映在节理作用下该部分的爆炸应力波作用的程度。上述单元点的模拟结果见表5，最大等效应力变化曲线如图3所示。

表5 不同条件中部法向单元最大等效应力/MPa

图3 不同岩体条件最大等效应力变化曲线

由表5及图3可知，节理条件下的最大等效应力相比无节理条件显著降低，且最大等效应力降低程度与不完整性直接相关，节理间距越小，最大等效应力降低程度越大。下降程度最大点出现在充填节理40 cm间距的270 cm距离单元点处，下降程度达 42.0%。3种充填节理条件下，最大等效应力显著呈现随着节理间距的变小而变小的规律。同为60 cm节理间距条件，闭合节理条件下的最大等效应力要高于充填节理条件。

从图3可以看出，部分数据没有完全呈现出随着节理间距减小而最大等效应力降低的现象，反而略有增大。这与应力波在节理面的反射有关，由于部分节理间距条件下选取的单元点靠近作为反射面的节理面，入射应力波在单元附近与反射应力波叠加，导致最大等效应力的增大。结合等效应力云图与最大等效应力的整体变化情况，这种效应不影响爆破作用随节理间距减小而整体降低的规律。

3 结论

（1）节理的存在对于爆破作用具有显著影响，对比等效应力作用范围，相比无节理条件，存在节理的条件下爆破作用范围下降1/3～1/2；

（2）随着节理间距的减小，以及岩体不完整性的提高，岩石爆破最大等效应力随着节理间距减小呈现显著下降的趋势，爆破作用受到岩石不完整性的影响显著；

（3）相同的节理间距条件，闭合节理条件下岩体的最大等效应力要高于充填节理，表明闭合节理对爆破作用的负面影响作用要略小一些；

（4）在节理面附近，入射爆破应力波与反射应力波叠加，会导致小范围内最大等效应力的提高。