既有溶洞岩体爆破装药结构优化及数值模拟

夏治园 高朋飞,2 钱明渊 程 路 袁政委 崔子恒

（1.安徽江南化工股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽理工大学土木工程学院,安徽 淮南 232000）

喀斯特（岩溶）地貌是一种特殊的地貌单元,常见于灰岩地质区域,往往伴随有大量的节理、溶洞等地质缺陷。溶洞是以岩体构造裂隙为基础发育、经岩溶长期作用形成的空洞通称[1-3]。溶洞的存在为钻爆作业带来极大困难,同时增加了露天台阶爆破设计和施工难度,往往会导致爆破效果欠佳、安全隐患增多等问题[4],如何在喀斯特地貌区安全有效地进行露天深孔台阶爆破作业,减小溶洞缺陷对于爆破效果的影响一直以来都是国内外学者和爆破工程师所关注的焦点。王二兵等[5-6]分析了喀斯特岩溶地质条件对爆破作业的不良影响。陈述云[7]根据喀斯特地貌岩层特征,针对不同岩层提出了相应的台阶爆破设计方向。余红兵等[8]运用ANSYS/LS-DYNA数值仿真软件对爆区附近有无溶洞模型进行对比分析计算,重点研究了附近岩体的位移和振速变化趋势。万国权等[9-10]对喀斯特地区爆破施工技术进行了改良。

本研究基于石灰岩矿露天深孔台阶爆破作业工况,运用AUTODYN显式动力学仿真软件,结合Lagrange-SPH耦合算法,建立了不同装药结构的孔身、孔底、孔间溶洞有限元二维模型,并对各模型岩体损伤、孔壁压力和爆破飞石速度进行了对比分析,并对装药结构进行了优化设计。

1 有限元模型

1.1 AUTODYN简介

AUTODYN[11]是ANSYS子公司Century Dynamic公司研发的显式有限元分析程序,适用于解决固、液、气体间相互作用的高度非线性动力学问题。AUTODYN包括有限元算法以及与其适配的运算器和丰富的材料模型、状态方程,可同时实现多求解器的耦合运算。

1.2 算法简介

Lagrange算法本身基于网格技术,每个网格单元的顶点随着材料一起移动,填充材料始终保持在原单元,不会在单元中流动,因此材料分界面较为明显,可有效描述固体的材料行为。光滑粒子流体动力法（SPH）是一种新型的无网格数值模拟方法,其基本思想是将整个流场的物质离散成一系列具有质量、速度和能量的粒子,每个粒子都具有速度、能量和质量特征,然后通过核函数积分并进行估值,从而求得流场中不同位置、不同时刻的各项动力学量,可有效模拟连续体结构的解离、破碎、脆性断裂等大变形问题。

1.3 有限元模型的建立

深孔台阶爆破作业中常会出现孔底、孔身和孔间溶洞,如图1所示。

图1 溶洞与炮孔相对位置Fig.1 Relative position of karst cave and blast hole

1.3.1 模型几何参数

设计露天深孔台阶爆破模型,耦合装药模型和几何参数如图2所示。

图2 无溶洞计算模型及其几何参数Fig.2 Geometric parameters of calculation model of karst cave without karst cave

此二维模型整体长28m,高27m,采用Lagrange-SPH耦合算法进行计算,其中炸药、堵塞沙土和炮孔附近的岩石等大变形区域采用SPH算法,其余岩石部分采用Lagrange算法。设计爆破参数如表1所示。

表1 露天深孔台阶爆破设计参数Table 1 Design parameters of open-pit deep-hole bench blasting

1.3.2 溶洞相对位置及几何参数

分别设计孔身、孔底和孔间溶洞模型,其几何参数如图3所示。

图3 设计的溶洞与炮孔相对位置（单位:m）Fig.3 The designed relative position of karst cave and blast hole

孔身和孔底溶洞分别采用半径0.5 m的圆形代替,孔间溶洞采用近似椭圆代替,该近似椭圆宽1.0 m,长4.5 m。

1.3.3 材料模型及参数

（1）炸药材料模型。采用粉状乳化炸药作为主装药,选用JWL状态方程确定爆轰产物压力:

式中,V为相对体积;E为单位体积炸药的初始内能;A1、B1、R1、R2、ω 为 JWL 状态方程参数。 粉状乳化炸药的材料参数如表2所示。

表2 粉状乳化炸药参数Table 2 Parameters of powdery emulsion explosive

（2）石灰岩材料模型。计算模型中岩石组分为普通石灰岩材料,选用RHT材料模型,该模型可有效模拟材料损伤情况,其参数如表3所示。

表3 石灰岩材料参数Table 3 Material parameters of limestone

采用沙土材料（SAND）进行堵孔。

1.4 二维有限元模型

由于空气组分对于露天爆破基本无影响,建模过程中忽略空气。首先建立无溶洞台阶爆破二维有限元计算模型,如图4所示,网格图中SPH算域显示为密集粒子。

图4 有限元模型及其网格Fig.4 Finite element model and its grid diagram

在Lagrange算域石灰岩边界设置无反射边界条件用于模拟无限大岩石区域。在炸药底端设置一起爆点。图4（a）中黑色区域为粉状乳化炸药,灰色区域为沙土材料,浅灰色区域为石灰岩。

2 模拟结果及分析

2.1 孔身溶洞模型计算分析

对于常见的孔身溶洞,工程技术人员常采用钻机钻探出溶洞大致方位,采用PVC管装药,防止溶洞漏药,但易造成溶洞区域爆破效果欠佳,且经济效益较差,采用尼龙编织袋装药法对炸药进行套袋,并在装药至溶洞处填塞沙土,之后继续装药、封堵,实现耦合装药。建立无溶洞耦合装药、PVC管装药和尼龙编织袋装药3组模型,编号1～3,模型中忽略PVC管和尼龙袋组分。选取溶洞附近岩体,沿竖直方向依次在孔壁和外自由面上每隔0.5m设置1个高斯点,分别编号1～5、6～10,如图5所示。

图5 孔身溶洞不同装药结构有限元模型Fig.5 Finite element model of different charge structures in cave with hole body

2.1.1 石灰岩损伤分析

观察溶洞部分区域的损伤情况,各模型0.04 s时损伤云图,如图6所示。

由图6可以看出,以损伤参数D=1作为损伤阈值,模型1中损伤变量基本达到1左右,石灰岩完全损伤,碎裂状态较为均匀,未完全损伤区域最大块度约0.9 m,临近炮孔处基本完全损伤,自由面附近岩石成块度平均长度为0.2～0.4 m,经爆生气体继续作用、岩块碰撞可形成理想破碎状态。模型2中溶洞部分区域有2个明显大块,未达到损伤阈值,分别长1.2 m和2 m,附近岩石损伤碎裂效果较差。模型3相较于模型2,岩石损伤效果有所改善。

图6 0.04 s模型溶洞区域的损伤变量云图Fig.6 Cloud picture of damage variables in karst cave area in the 0.04 s model

对比分析模型高斯点1～5与塞斯应力峰值,如图7所示。

图7 高斯点处米塞斯峰值应力变化曲线Fig.7 Variation curve of Mises peak stress at Gaussian points

由图7中可以看出,模型1中各高斯点米塞斯应力峰值较为均匀,均在0.2～0.3 GPa之间,模型2中峰值压力明显减小,高斯点2、3处米塞斯应力接近0.05 GPa,小于石灰岩抗压强度（60～140MPa）,模型3中高斯点3处米塞斯应力为0.15 GPa,高于模型2。结合图5可以看出,溶洞的存在会削弱爆生气体对于孔壁的压力,导致溶洞处孔壁损伤破碎效果下降,产生大块,采用尼龙编织袋装药结构可改善溶洞区域破碎效果。

2.1.2 爆破飞石初始速度分析

松动爆破作业中,前排炮孔松动爆出,为后排炮孔创造自由面,便于后续岩体的松动和破碎,因此前排岩体的飞散速度对于爆破效果影响较大。为观测自由面处岩石初始飞散速度变化趋势,选取模型1～模型3中高斯点6～10,观测其X方向速度变化趋势,如图8所示。

图8 模型1～3中高斯点6～10水平方向飞散速度Fig.8 Horizontal dispersion velocity of Gaussian points 6～10 of models 1～3

由图8中可以看出,在冲击波和爆生气体的作用下,自由面处的测点速度突跃增长,模型1中,测点6～10速度约在45～50 m/s,模型2为38～43 m/s,模型3为43～48 m/s。由此可以看出,溶洞区域爆出效果相对较差,采用尼龙编织袋装药结构可改善溶洞区域的爆出效果,确保后排岩体爆破质量。

2.2 孔底溶洞模型计算分析

针对孔底溶洞,可考虑采用改进式装药方法,采用尼龙编织袋装药并将孔底填塞,然后在台阶底部钻2个水平浅孔,破除根底,改善底部破碎效果。建立PVC管全装药结构模型和改进式装药模型,编号4～5,如图9所示,其中模型5台阶底部钻2 m浅孔,装药1 m,堵塞1 m。

图9 孔底溶洞不同装药结构模型Fig.9 Different charge structure models of karst cave at the bottom of hole

观察孔底溶洞附近岩体损伤情况,如图10所示。

图10 模型4～5溶洞区域的损伤云图Fig.10 Pressure nephogram of karst cave area in models 4～5

由图10可以看出,模型4中有高约0.5 m的根底残留,临近自由面处岩石损伤效果较差,模型5中溶洞附近岩体基本完全损伤,但上部岩体损伤效果较差,可考虑采用底部加强装药改善孔底岩石的损伤破碎效果。

2.3 孔间溶洞模型计算分析

对于贯通2孔的孔间溶洞,考虑采用尼龙编织袋装药并在溶洞区域进行沙土间隔装药,同时在溶洞与自由面之间钻1个浅孔,采用孔底装药结构,减少溶洞区域的大块。建立模型6、模型7,模型6为普通PVC管装药法,在溶洞区域设置1～5号高斯点,如图11所示。

图11 贯通型孔间溶洞不同装药结构模型Fig.11 Different charge structure models of through-hole karst cave

观察溶洞区域与自由面间岩体损伤状况,如图12所示。

图12 模型6～7岩体损伤变量云图Fig.12 Cloud picture of damage variables of rock mass of model 6～7

由图12可以看出,模型6中溶洞区域与自由面间岩体存在3个长为1 m的大块,岩体损伤效果一般,而模型7中岩体损伤较为完全、块度均匀,无明显大块。进一步观察1～5号高斯点米塞斯应力,如图13所示。

由图13可知,模型中溶洞区域米塞斯应力均明显降低,模型6中最低约0.045 GPa,模型 7中为0.07 GPa,模型6中部分区域米塞斯应力未达到石灰岩最低抗压强度。结合图12可以看出,采用改进式的装药结构可在一定程度上解决溶洞区域大块问题,同时可以节省炸药用量,节约爆破成本。

图13 模型6～7高斯点1～5米塞斯峰值应力变化曲线Fig.13 Mises peak stress variation curves of Guage point 1～5 in model 6～7

3 结 论

基于AUTODYN数值模拟软件对不同位置溶洞深孔台阶爆破工况进行了数值仿真计算,计算结果表明:

（1）孔身溶洞会削弱爆生气体对炮孔壁的压力,传统PVC管装药法易导致岩体破碎效果不佳,大块率升高。采用改进式的尼龙编织袋装药法,在溶洞区域进行沙土填塞,可有效改善岩体损伤破碎效果,增大孔壁压力,确保前排岩体顺利爆出。

（2）孔底溶洞采用底部填塞和台阶底部浅孔爆破相结合的方式,可有效解决根底残留问题,相较于PVC管全装药结构,爆破效果较为良好。

（3）贯通型孔间溶洞采用溶洞段沙土间隔,前排补加炮孔孔底装药结构,可有效降低溶洞与自由面间的大块,提高爆生气体对孔壁的压力,改善爆破效果。